高速工具钢的基本知识 - 金属材料

工具钢的一类，以钨、钼、铬、钒，有时还有钴为主要合金元素的高碳高合金莱氏体钢，通常用作高速切削工具，简称高速钢,俗称锋钢。1740年英国亨茨曼(B.Huntsman)用坩埚法冶炼含碳0.75～1.5％的碳钢以切削熟铁、铸铁和铜合金（切削速度≤5m/min）。1868年英国马希特(R.F.Mushet)发明Mn-W系自硬钢(C2％，W7％，Mn2.5％)，切削低碳钢（切削速度≤8m/min）。美国泰勒(F.W.Taylor)于1898年发明接近熔点的高温淬火工艺，用于Cr-W系自硬钢，这是早期的高速钢，高速钢的发展见表1。20世纪30年代出现了硬质合金刀具，但高速钢工艺性能优越，尤其是强度和韧性匹配良好,用来制造复杂刀具、薄刃和受冲击的刃具,是硬质合金难以比拟的。长期以来二者并列为最主要的刃具材料，粉末冶金高速钢出现较晚，但将成为今后发展的一个重要方面。
     高速钢按所含合金元素可分为：①钨系高速钢(W 9～18％)、②钨钼系高速钢(W5～12％，Mo 2～6％)、③高钼系高速钢(W 0～2％，Mo 5～10％)。各系又可按含钒量的多少分为一般含钒量(V 1～2％)和高含钒量（V 2.5～5％）。任何高速钢如含钴 (Co 5～10％)时，又归入钴高速钢。
　　高速钢按用途可分为综合性通用型高速钢和特种用途高速钢两类。通用高速钢广泛用于制作各种金属切削普通刀具（如钻头、丝锥、锯条）和精密刀具（如滚刀、插齿刀、拉刀）。被切削材料一般硬度 HB≤300。特种用途高速钢又可分为高钒高速钢，一般含钴高速钢和超硬型(HRC 68～70)高速钢(表2)。
     高速钢主要用途是制造高速切削工具，除具有高硬度（一般大于HRC 63,高的可达HRC 68～70）,高耐磨性和足够韧性外，还要有在高速切削下刀刃不因发热而软化的耐热性。耐热性通常用红硬性衡量,也就是在580～650℃把钢先后加热4次，每次保温 1小时后空冷，然后在室温下测定其硬度值。高速钢的韧性通常用弯曲强度和冲击值来衡量。近年来，高速钢应用于制造冷作模具，在使用性能上主要要求有高的抗压屈服强度，高的耐磨性和高韧性，而对耐热性则要求不高，因此可采用较低的温度淬火。
　　高速钢的合金元素  主要有碳、钨、钼、铬、钒、钴等，其作用分述如下：
　　碳  一般含碳量为0.70～1.65％，以保证足够的碳与各种碳化物形成元素相配合。通常采用平衡碳(Cs)近似计算公式求得最佳的二次硬化效果的含碳量：
     Cs％=0.033W％+0.063Mo％+0.060Cr％+0.200V％
     式中Cs是假设W、Mo、Cr、V与C形成W2C(或Fe4W2C)、Mo2C(或Fe4Mo2C)、Cr26C6、V4C3时碳与各元素的定比关系而定出的。随着钢中含碳量逐渐接近Cs，二次硬化效果(硬度和红硬性)也逐步上升到最高值，而韧性则随之下降。因此只在超硬高速钢中含碳量采用接近Cs的成分,为了保持通用型高速钢的高韧性,含碳量一般比Cs低0.15～0.30％。至于用于载荷较低的低合金高速钢，实际含碳量可能还超过Cs。
　　钨和钼  高速钢回火时产生二次硬化最基本的合金元素。钨和钼作用相似，Mo的原子量约为W的一半,一般可用 1％Mo取代2％W。高速钢中最主要的碳化物M6C（M代表金属）是以Fe、Mo、W为主的复合碳化物,它在淬火时部分固溶，回火时又以M2C碳化物弥散析出,使钢强化，提高硬度和耐磨性,剩下未溶的M6C碳化物（主要来自共晶碳化物）可阻止淬火加热时的晶粒长大和增加耐磨性。含钼的高速钢铸态共晶碳化物网较细薄，易于加工破碎，分布较均匀，颗粒较小，热塑性和韧性也较高；但含钼的钢易脱碳，淬火过热敏感性也较大，而钨钢在此方面正与之相反。因此钨和钼适当配合，能获得综合性能更好的钢种。
　　铬  为保证钢的高淬透性,各种高速钢都含铬4％左右。钢中形成以铁铬为主的M26C6碳化物，铬也可溶于M6C与MC中形成合金碳化物,促使这些难溶碳化物淬火时较多地固溶。使淬火马氏体具有足够的碳和合金元素,有利于回火时大量析出 M2C与MC。所以铬对二次硬化也有间接作用。此外，含 4％铬对高速钢的抗氧化性起重要作用。
　　钒  所有高速钢都含钒 1％以上。碳化钒淬火加热时可部分固溶，回火时析出弥散的MC型碳化钒，有力地增强二次硬化作用；未溶的碳化钒有助于阻止淬火加热时晶粒长大，而且由于硬度极高，能显著提高钢的耐磨性；但降低了可磨削性。高钒钢中如能采取措施细化一次碳化物MC的颗粒，可改善磨削性。目前，最有效的办法是用雾化法快速冷却钢液得到合金粉末，制成粉末冶金高速钢，使一次碳化物得到细化。
　　钴  钴本身不形成碳化物，其作用主要是增加回火时析出 MC、M2C的形核率，减缓其聚集长大速度。此外，钴可提高高速钢晶界熔化温度，因而提高钢的淬火温度，使奥氏体内的合金度增大。这些作用都有效地提高了高速钢的耐热性，但钴含量过高时也会降低钢的韧性。
     工艺性能  工艺性能也是高速钢的重要指标。首先，要有良好的热塑性，以便充分破碎共晶碳化物和加工成形；其次，要有低的退火硬度，以便在生产过程中进行冷成形和切削加工。其他工艺性能如过热不敏感性，脱碳不敏感性，低的淬火变形性，在电阻焊和摩擦焊中与柄部碳钢结合的良好焊接性能等也很重要，尤其是磨削性，对于制造复杂刀具是极其重要的。
　　保证碳化物充分破碎、细化并均匀分布（见图），历来是高速钢生产工艺和提高质量的关键问题。为此，高速钢应采用低温浇铸工艺，选择良好锭型，并根据钢材规格选用足够大的压缩比。中国自1965年以来采用扁锭生产高速钢，其优点为显著加快钢锭凝固速度，从而改善了钢材的碳化物不均匀度和低倍组织。大尺寸钢材多采用电渣重熔钢锭。锻造开坯、轧制成材的工艺有利于提高质量。高速钢的热加工温度、变形量和退火制度,对钢材的热处理性能,尤其是对淬火后的晶粒度有明显的影响，须严加控制。热加工中如终锻(轧)温度过高，变形量不足或已经过一次淬火，但未经充分退火又进行第二次淬火，会出现特殊闪光的萘状断口（见金属宏观检验），从而显著降低钢的韧性，使刀具脆崩。近年来还采用快锻液压机开坯、精锻机成材的新工艺。
　  高速钢需通过特殊的热处理才能获得所需的性能。一般淬火温度均接近这种钢的熔化温度，例如高钨钢为1270～1290℃,钨钼钢为1210～1240℃,高钼钢为1180～1210℃，一般采用540～560℃回火三次，以得到二次硬化的最佳效果。对韧性和红硬性有不同要求时，可适当调整淬火温度。
　　粉末冶金高速钢可保证碳化物细小和均匀分布，对改善高碳高钒高速钢的磨削性、改进热加工性，减少淬火变形以及提供碳化物质量优异的大尺寸钢材确有独特优点；可以生产出合金含量更高和切削能力较大的高速钢。近年来高速钢刀具的真空热处理获得广泛应用；刀具的氧氮化、碳氮氧共渗等表面化学热处理，也正在普遍采用，尤其是化学气相沉积法和物理气相沉积法的发展，可进一步提高刀具的使用寿命。