高速钢

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高速钢
$ H( x& h4 }0 q+ D9 ~, U8 L- ]1. 概述

# n) g& T# T2 o( M) r高速钢又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总 量达10～25%左右。它在高速切削产生高热情况下(约500℃)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。这就是高速钢最主要的特性——红硬性。而碳素工 具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200℃时，硬度便急剧下降，在500℃硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削 金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。而高速钢由于红硬性好，弥补了碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削工具。

高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为 860～880℃。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800～850℃预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加 热到淬火温度1220～1250℃，后油冷。工厂均采用盐炉加热。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的 性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行2～3次回火，回火温度560℃，每次保温1小时。

(1)生产制造方法：通常采用电炉生产，近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，提高了使用寿命。
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(2)用途：用于制造各种切削工具。如车刀、钴头、滚刀、机用锯条及要求高的模具等。
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2. 主要生产厂
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我国大连钢厂、重庆钢厂、上海钢厂是生产高速钢的主要生产厂。

+ |% h8 k* t. f% D, o: W2 W& Y3. 主要进口生产国家

我国主要从日本、俄罗斯、德国、巴西等国进口。

, y; m- H3 {/ f" J1 n4. 种类

有钨系高速钢和钼系高速钢两大类。钨系高速钢有W 18 CR 4 V,钼系高速钢有Ｗ 6 Mo 5 Cr 4 V 2 等。
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5. 规格和外观质量

规格主要有圆钢和方钢。钢材的表面要加工良好，不得有肉眼可见的裂纹、折叠、结疤和发纹。冷拔钢材表面应洁净、光滑、无夹杂和氧化皮等。

6. 化学成分

, E) p% `& b, a$ M; g3 K  f我国国标和日本工业标准中主要钢号的化学成分如表 6—7—26。

. 物理性能
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8 H  Z# j0 Y% A' Y  S% P. Z高速钢一般不做抗拉强度检验，而以金相、硬度检验为主。钨系和钼系高速钢经正确的热处理后，洛氏硬度能达到63以上。钢材的酸浸低倍组织不得有肉眼可见的 缩孔 、翻皮。中心疏松，一般疏松应小于1级。金相检验的内容主要包括脱碳层、显微组织和碳化物不均匀度3个项目。高速钢不应有明显的脱碳。显微组织不得有鱼骨 状共晶莱氏体存在。高速钢中碳化物不均匀度对质量影响最大，目前冶金和机械部门对碳化物不均匀度的级别 十分重视。根据钢的不同用途可对碳化物不均匀度提出不同的级别要求，通常情况下应小于3级。
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8. 包装
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成捆交货，用铁丝捆扎，并有标牌标明炉号，规格等印记。但对冷轧钢还要涂防锈油，并用防潮纸包裹。对银亮钢还应装箱。
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9. 注意事项
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! L2 Q" W' b. P8 W  K) ?检验高速钢碳化物不均匀度与试样的腐蚀时间有关。有关标准中只提出腐蚀要适当不能过腐蚀，这一点往往被人们所忽视。实践证实，如果发生了过腐蚀，就会将碳化物染黑，表现出不均匀程度改善的假相，就可能将质量不好的高速钢误判为优质钢，这一点尤为重要。
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[size=180%]高 速钢是一种含多量碳(C)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等元素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。当切削温度高达600℃以上时，硬度仍 无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟60米以上，而得其名。高速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉 末冶金高速钢。
. Q$ L. W' K0 S+ L7 N2 H3 [2 C普通高速钢

% m6 g7 J! W+ b9 O图一： 高速钢是制造形状复杂、磨削困难的刀具的主要材料。
* y) F) U  @* [% m5 q& A8 b' f普通高速钢可满足一般需求。常见的普通高速钢有两种，钨系高速钢和钨钼系高速钢。
钨系高速钢
典型牌号为w18Cr4V，热处理硬度可达63-66HRC，抗弯强度可达3500MPa，可磨性好。
? 钨钼系高速钢
典型牌号为W6Mo5Cr4V2，目前正在取代钨系高速钢，具有碳化物细小分布均匀，耐磨性高，成本低等一系列优点。热处理硬度同上，抗弯强度达 4700MPa，韧性及热塑性比w18Cr4V提高50%。常用于制造各种工具，例如钻头、丝锥、铣刀、铰刀、拉刀、齿轮刀具等，可以满足加工一般工程材 料的要求。只是它的脱碳敏感性稍强。

另一牌号的普通高速钢为W9Mo3Cr4V，这是中国近几年发展起来的新品种。强度及热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度为HRC63-64，与韧性 相配合，容易轧制、锻造，热处理工艺范围宽，脱碳敏感性小，成本更低。这三个牌号的普通高速钢在中国市场的比例分别 为:W18Cr4V，16.5%；W6Mo5Cr4V2, 69%;W9Mo3Cr4V,11%。
" W% M, k& ]) v0 i: P高性能高速钢
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! |7 a! a, Q" E" |% Z$ N高性能高速钢具有更好的硬度和热硬性，这是通过改变高速钢的化学成分，提高性能而发展起来的新品种。它具有更高的硬度、热硬性，切削温度达摄氏650度 时，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性为普通高速钢的1.5-3倍，适用于制造加工高温合金、不锈钢、钛合金、高强度钢等难加工材料的刀具。
主要品种有4种，分别为高碳系高速钢、高钒系高速钢、含钴系高速钢和铝高速钢。
' z3 O  s  r! p7 [4 @" k9 Z? 高碳系高速钢
牌号为9w18Cr4V，因含碳量高(0.9%)，故硬度、耐磨性及热硬性都比较好。用其制造的刀具在切削不锈钢、耐热合金等难加工材料时，寿命显著提高，但其抗弯强度为3000MPa，冲击韧性较低，热处理工艺要求严格。
? 高钒系高速钢
$ L$ I# V) L- `牌号有W12Cr4V4Mo及W6Mo5Cr4V3(美国牌号M3)，含钒量达3-4%，使耐磨性大大提高，但随之带来的是可磨性变差。高钒系高速钢的使用及发展还需要依赖于磨削工艺及砂轮技术的发展。
? 钴高速钢
牌号有W2Mo9Cr4VCo8(美国牌号M42)。其特点为：含钒量不高(1%)，含钴量高(8%)，钴能促使碳化物在淬火加热时更多地溶解在基体内， 利用高的基体硬度来提高耐磨性。这种高速钢硬度、热硬性、耐磨性及可磨性都很好。热处理硬度可达67-70HRC，但也有采取特殊热处理方法，得到 67-68HRC硬度，使其切削性能(特别是间断切削)得到改善，提高冲击韧性。钴高速钢可制成各种刀具，用于切削难加工材料效果很好，又因其磨削性能 好，可制成复杂刀具，国际上用得很普遍。但中国钴资源缺乏，钴高速钢价格昂贵，约为普通高速钢的5-8倍。
? 铝高速钢
牌号为W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V5SiNbAl等,主要加入铝(Al)和硅(Si)、铌(Nb)元素，来提高热硬性、耐磨性。适合中 国资源情况，价格较低。热处理硬度可达到68HRC，热硬性也不错。但是这种钢易氧化及脱碳，可塑性、可磨性稍差，仍需改进。国际市场上高性能高速钢使用 量已经超过普通高速钢25-30%。
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9 j$ B/ K6 ~1 C6 T本站注：按照通常的国际标准，只有含钴量在2%以上的高速钢才称为高性能高速钢，代号为HSS-E。其它如铝高速钢等，虽然性能较普通高速钢有所提高，但尚未有证据表明可以达到钴高速钢的同等性能。
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粉末冶金高速钢

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' t+ u# s0 B0 I图二：粉末冶金高速钢及其制品。
近几年来高速钢的最大变革就是发展了粉末冶金高速钢，它的能优于熔炼高速钢。用高压氩气或氮气雾化熔融高速钢水，得到细小高速钢粉末，筛选后为0.4mm 以下的颗粒；在真空(0.04Hg)状态下，密闭烧结达到密度65%；再在1100℃高温、300MPa高压下制成密度100%的钢坯，然后锻轧成钢材， 这样有效地解决了熔炼高速钢在铸锭时要产生粗大碳化物偏析的问题，而它无论截面多大，其碳化物级别均为一级。碳化物晶粒极细，小于0.002mm，而熔炼 高速钢碳化物晶粒为0.008-0.02mm。
! H7 G+ F" e4 m8 C牌号为CPM T15的粉末冶金高速钢，它的强度、韧性分别是同化学成分的熔炼高速钢的2倍及2.5倍。尽管含钒量达5%，但由于碳化物晶粒细，可磨性依然很好。高温热硬度也比熔炼高速钢提高0.5-1HRC。
又由于其物理机械性能高度各向同性，淬火变形小。碳化物颗粒均匀分布的表面较大，不易从刀具的切削刃上剥落，小尺寸刀具耐磨性提高1.5-2倍，大尺寸刀具提高20-30%。
5 u+ S. L& x/ K8 s9 z. i粉末冶金高速钢具有良好的力学性能，适合制造：间断切削条件下易崩刃的刀具、强度高而切削刃又必须锋利的刀具，如插齿刀、滚刀、铣刀，高压动载荷下使用的刀具。
6 V% e% t$ O* C% i0 \9 ?它的碳化物偏析小，晶粒细，可磨性好，适合制造：大尺寸刀具、精密刀具、复杂刀具。这类材料的高温热硬度高，又适合制造难加工材料所用的刀具，确实是面面俱到。
粉末冶金高速钢生产过程较复杂，造价较高。中国钢厂提供的品种较少，市场用量也很少。国际上著名钢厂如美国Crucible公司已可提供近二十种粉末冶金 高速钢，日本神户制钢所、日立金属公司均可提供近十种粉末冶金高速钢，供应量也在迅速增长。日本著名的OSG公司用粉末冶金高速钢制造了钻头、铣刀、丝 锥，NACHI公司制造了滚刀、插齿刀、剃齿刀。有理由相信技术性能高的粉末冶金高速钢将会得到更广泛的应用，为金属加工业带来新的发展。
/ E* h7 S2 ?) D高速钢的市场定位及发展趋势
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图三：高速钢材料按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。
自二十世纪初发现高速钢以来，对现代工业发展起到了重要作用。可以说没有高速钢，就没有现代的金属加工业。尽管六十年代起，硬质合金等材料崛起，但是对于 制造形状复杂、磨削困难的刀具，如拉刀、剃齿刀、插齿刀等，高速钢始终处于主导地位。特别是要求刀具具备高韧性时，就非高速钢莫属了。
7 m2 d5 ~5 I; ~. Y& P: N' |3 W高速钢的主要应用领域是机械和工具制造业，必然要适应这个行业的发展，近几年来机械加工采用了高速度的数控机床，例如加工中心、车削中心等，金属切削速度 越来越快，要求刀具必须具有高速使用性能，即热硬性、耐磨性、冲击韧性要好，因此，厂家纷纷研发符合上述要求的高速钢材料。
在机加工费用中，材料约占15-20%，刀具约占25-35%。用户对刀具的选用也越来越趋向合理，即选用性能与价格比好的刀具。
高速钢刀具占主导地位的领域，如精密零件、复杂零件、成形加工零件的市场也越来越大，对可磨性的要求也越来越高。
3 v/ s; l0 j  Q1 F# M; M高速钢-走过一个世纪的钢种，应瞄准特定市场空间，提高自身技术含量，去抗衡其它材料的挑战。
中国常用高速钢材料性能表
[size=180%]高速钢牌号 淬、回火硬度
HRC 抗弯强度
MPa 冲击韧性
# U' v  ^9 v* t6 x' Y, JMJ/m2 600℃下的硬度
' c$ z$ _# a& V5 h" tHRC
中国牌号 习惯名称 相似ISO牌号
W18Cr4V T1 HS18-0-1 62-65 3430 0.29 50.5
: o$ P+ |7 G. E5 ?3 i6 ]W6Mo5Cr4V2 M2 HS6-5-2 63-66 3500-4000 0.30-0.40 47-48
$ I3 \- N8 F0 r6 J+ ^, x8 Q  G+ iW9Mo3Cr4V 64-66 4000-4500 0.35-0.40
5 t/ C1 c. F4 OW6Mo5Cr4V3 M3 HS6-5-3 65-67 3200 0.25 51.7
2 H  P' ^1 ~4 KW6Mo5Cr4V2Co5 HS6-5-2-5 65-66 3000 0.30 54
8 ]6 O- z" K1 w) AW10Mo4Cr4V3Co10 HS10-4-3-10 67-69 2350 55.5
W2Mo9Cr4V2Co8 HS2-9-2-8 66-68 2700-3800 0.23-0.35 55
W7Mo4Cr4V2Co5 M41 HS7-4-2-5 66-68 2500-3000 0.23-0.35 54
( K1 F% d- |6 V2 q* X2 mW12Cr4VCo5 HS12-0-1-5 66-68 3000 0.25 54
W6Mo5Cr4V2Al 501钢 66-69 3000-4100 0.25-0.30 55-56
6 W% e1 s. N3 ]; ^. ~4 ]/ C5 l110W1.5Mo9.5Cr4VCo8 M42 67-69 2650-3730 0.23-0.29 55.2
- V* ^, L5 A! E8 ?/ i, t: ?6 nW10Mo4Cr4VAl 5F6钢 68-69 3010 0.20 54.2高速钢的牌号很多，且各自具有特点及应用范围。用它作刀具材料，应根据加工材料的性能，制造刀具的类型，加工方式和工艺系统刚性等条件合理选用。其选用原则如下：
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1 S! |, ?5 m' W9 ?4 o# c/ o# O! M通用型高速钢价格较低，主要用于加工普通钢，合金钢和铸件。高性能高速钢主要用于加工不锈钢，高强度钢，高温合金、耐热钢等难加工材料。

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W2Mo9Cr4VCo8(M42) 、W6Mo5Cr4V2Co8(M36) 、W9Mo3Cr4V3Co10等牌号含钴的高性能高速钢有较高的高温硬度。在切削条件平稳的情况下切削，刀具寿命可显著提高。因为这类高速钢的韧性稍 差，因此它不适于断续切削或在工艺系统刚性不足条件下使用。否则容易崩刃或打刀。
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4 O( J+ S% U# d+ {8 O! S$ r通用刀具(孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具)较复杂刀具其制造工艺简单，制造精度亦较低(螺纹刀具除外)。考虑到刀具成本中材料消耗费用所占比重较大，所以常 用W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V等通用型高速钢制造。数控机床和自动线上所用刀具，要求能稳定可靠地进行车削，拉刀和齿轮刀具等复杂刀具的制 造精度和技术要求较高，在刀具成本中加工费用所占比重较大，故应用高硬度、高耐磨的高性能高速钢和粉末冶金高速钢制造。但需注意对 W6Mo5Cr4V5SiNbAl(B201) 、W12Cr4Mo(EV4) 、W9Cr4V5W6M05Cr4等含钒量较高的高速钢，因其磨削性能较差，刀刃易烧伤退火，故不宜用于制造小模数插齿刀，螺纹刀具，榫头铣刀等型面复杂 的刀具。

涂层高速钢价格稍贵，但其切削性能好，刀具寿命长，可采用比未涂层刀具更高的进给量和高20%～30%的切削速度工作，且具有换刀次数少和功率消耗省的优 点，所分摊到每个工件上的刀具成本还是远低于未涂层刀具，故宜优先选用。但涂层刀具的锋利性、冲击韧性，抗剥落和抗崩刃性不如未涂层刀具。因此，不将其用 于小进给量切削和沉重的粗加工。