刀具材料中的高速钢发展及其应用

   高速钢(HSS, High SpeedSteel)是我进入刀具行业时接触最多的一类刀具材料。那时最常见的被称为“ㄙ18”(ㄙ的发音为拼音“si”)，其来源应该是来自前苏联。

   后来知道，我们当时所用的高速钢应被称为“普通高速钢”，还有比它性能更好的，如从合金成分上要明显优于它的铝高速钢，钴高速钢(HSS-Co)等，或从冶炼方法上要明显优于它的粉末冶金高速钢(PM-HSS，PowderMetallurgy High SpeedSteel)；当然也有比它性能更低一些的所谓“低合金高速钢”。

   现在有些人对“高速钢”这个名字有些不解，因为它的速度比起眼下正在流行的硬质合金来要低许多。但就高速钢诞生的时候，它的速度的确比原有的刀具材料高很多。

   在大约1900年前后，当美国机械工程师泰勒(F·WTaylor)和冶金工程师怀特(M·White)发明它时，人们普遍用来切削的刀具是合金工具钢。 1900年由美国匹兹堡伯利恒钢铁公司生产的W18Cr4V(即ㄙ18，又称T1，18-4-1，现国际标准代号为18-0-1)高速钢在巴黎博览会上的公开演示，成为高速钢发展史上第一个无可置疑的里程碑。十年后的1910年，一位英国人这样写道：“在1900年巴黎博览会上，一些工程师看到了一部高速运转的车床，上面装有一个工具，正用它尖头的炽热消除一个暗蓝色碎片，工程师们意识到他们亲眼见证了工具钢和机床方面的一个革命的开始。”

   高速钢的发明使切削中碳钢的速度由提高到大约30m/min。拿一个直径65mm，长度1000mm的45钢工件来说，原来的加工时间需要100分钟，而应用高速钢只需要约25分钟。因此，人们对它的速度惊叹不已，称其为“高速钢”。W18Cr4V作为一个经典的高速钢牌号，一直延续使用至今。只是由于钨资源的缺乏，以及高钨高速钢在热成形工艺性方面的一些不足，在近20年里，它的统治地位才逐渐被W6Mo5Cr4V2(即M2)所取代。

   高速钢刀具材料主要由两种基本成分构成：一种是金属碳化物(碳化钨、碳化钼或碳化钒)，它赋予刀具较好的耐磨性；二是分布在周围的钢基体，它使刀具具有较好的韧性和吸收冲击、防止碎裂的能力。

   碳化钨(WC)在大幅度提高高速钢的切削速度方面的贡献是决定性的，我个人的看法，是这一发现对于以后硬质合金的发明也具有奠基石的作用。如今我们大量使用的钨基硬质合金，其主要的硬质相(对刀具硬度、耐磨性其决定作用的成分)依然是碳化钨。

   高速钢后来有被称为“风钢”。我在30年前进入上海工具厂时，绝大多数的工人师傅都是这么称呼高速钢的。在学习有关热处理的知识时，老师告诉我，其它许多钢材在进行淬火时，当材料被加热到完全奥氏体的相变温度以后，必须放入水或其它介质中急速冷却以得到坚硬的“马氏体”组织，如果冷却速度慢了(例如在空气中冷却)，就会变成较软的珠光体、渗碳体等组织，硬度就会比较低；而高速钢在加热到“奥氏体”组织后即使在空气中冷却，也会得到“马氏体”组织，即高速钢能够在“风”中淬硬，它“风钢”的名称由此而来。

  实践发现高速钢的晶粒大小对高速钢的性能产生着巨大的影响。在网站上曾经发过一份资料，是《W18Cr4V钢奥氏体晶粒度参考图》，其中号码数字较大的高速钢(如11号)比号码数字较小的(如8.5号)的性能优越许多。有资料称，制备普通高速钢时，是将熔化的钢水从钢水包中注入铸模，使其缓慢冷却凝固。此时，金属碳化物从溶液中析出，并形成较大的团块。高速钢中添加的合金含量越多，碳化物团块就越大。达到某一临界点时，可形成尺寸极大的碳化物团块(直径可达40μm)。出现大的碳化物团块的临界点根据钢锭的尺寸以及其它因素而略有不同，但一般是在碳化钒含量达到约4%时发生。通过对钢锭进行锻造、轧制等后续加工，可以粉碎其中一部分碳化物团块，但不可能将其完全消除。虽然增加钢材中金属碳化物颗粒的数量可以改善材料的耐磨性，但随着合金含量的增加，碳化物的尺寸及团块数量也会随之增加，这对于钢材的韧性会产生极其不利的影响，因为大的碳化物团快可能成为产生裂纹的起始点。因此，国外很早就开展研究，追求高速钢的细晶粒化。

普通高速钢金相图

粉末冶金高速钢金相图

   20 世纪60年代后期，粉末冶金高速钢制造工艺在瑞典开发成功，并于70年代初期进入市场。该工艺可在高速钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或易磨性，从而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削冲击、适合高切除率加工和断续切削加工的刀具。粉末冶金高速钢的制备工艺与普通高速钢的制备工艺不同，熔化的钢水不是直接注入铸模，而是通过一个小喷嘴将其吹入氮气流中进行雾化，喷出的雾状钢水迅速冷却为细小的钢粒(直径小于1μm)。由于钢水溶液中的碳化物在快速冷却过程中来不及沉淀和形成团快，因此获得的钢粒中碳化物颗粒细小且分布均匀。将这些钢粉过筛后置入一个钢桶中，并将钢粉中间的空气抽净形成真空状态，然后在高温、高压下将钢桶中的钢粉压制成型，即可得到致密度为100%的粉末冶金高速钢毛坯。这一制备工艺被称为热等静压 (hotisostaticpressing,HIPing)成型。然后可对毛坯进行锻造、轧制等后续加工。利用热等静压成型工艺制备的粉末冶金高速钢中的碳化物颗粒非常细小，而且不管其合金含量为多少，这些碳化物颗粒都可均匀分布于整个高速钢基体中。

    采用粉末冶金高速钢制备工艺，钢材生产商可以充分增加钢中的金属碳化物含量，而不会对材料的韧性或易磨性造成有害影响。虽然一些偏爱粉末冶金高速钢的人喜欢将其誉为高速钢与整体硬质合金的“混血儿”，但实际上它只是一种具有尺寸微小的碳化物颗粒和细化的钢基体粒子结构的高速钢。不过，它确实将高速钢良好的韧性与硬质合金的高耐磨性很好地结合于一身。由于粉末冶金高速钢中碳化物颗粒细小且分布均匀，因此与碳化物含量相同的普通高速钢相比，其强韧性大大提高。凭借这一优势，粉末冶金高速钢刀具非常适合用于切削冲击大和金属切除率高的加工场合(如挠曲切削、断续切削等)。此外，由于粉末冶金高速钢的强韧性不会因金属碳化物含量的增加而削弱，因此钢材生产商可以在钢中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。

   同时，由于钨(W)资源属于战略性资源，现代的硬质合金又比较大量地使用钨资源，低钨高速钢成为高速钢研发的一个方向。科学家们发现了钼(Mo)可以作为钨的良好的替代品。研究发现，在高速钢中一份钼可以与两份钨的作用基本相当，因此开发出高速钢的另一个经典牌号W6Mo5Cr4V2(即美国牌号M2，中国又有许多人将其简称为6-5-4-2，国际标准代号为6-5-2)。在中国使用M2高速钢的过程中，许多人认识到其热成形工艺性要比经典的 W18Cr4V(也称为18-4-1)更好。我在上海工具厂工作时，该厂长期生产轧制直柄麻花钻和扭制锥柄麻花钻。我发现在热成形时6-5-4-2的废品率要远远低于18-4-1。因此，他们在生产热成形钻头时基本上都使用6-5-4-2。但在其它产品上还有许多使用18-4-1，因为当时18-4-1似乎价格更低一些。

   后来又研发了所谓“低合金高速钢”。当时我觉得低合金高速钢有一定的生存空间。低合金高速钢的红硬性要低于普通高速钢，即它允许的切削速度比普通高速钢要低。由于涂层技术的出现，在传统加工时如果使用涂层的低合金高速钢，涂层减少切削热的产生并阻碍切削热向刀具的传递，如果不改变原有加工参数，它应该同样可以使用原来普通高速钢的切削速度。但我现在认为，在工业生产领域，提高加工效率应该是我们的首选，即使在传统机床上使用高速钢刀具，材料的低合金化并不可取。它现有的生存空间应该在家庭、手工作业等场合。至于目前有些生产商为了降低成本，极度降低高速钢的合金含量，我本人认为是不可取的。

   国外大量发展的是含钴高速钢(HSS-Co)，后来国际上统一认定含钴量在2%以上的含钴高速钢为高性能高速钢(HSSE)。钴对于提高高速钢的性能的作用也是明显的，它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。国际上常规的钴高速钢的含钴量通常是5%和8%。例如W2Mo9Cr4VCo8(美国牌号M42)，其特点为含钒量不高(1%)，含钴量高(8%)，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。

   因此，中国发展了铝高速钢。铝高速钢的牌号为 W6Mo5Cr4V2Al(又称501钢)、W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W10Mo4Cr4VAl(又称5F6钢)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。国内铝高速钢的工艺没有得到普遍的解决，似乎只有原贵阳工具厂(现应属于西南工具总厂)能够批量生产铝高速钢刀具(主要是铣刀)。但目前似乎在国际上，并不认为铝高速钢可以作为高性能高速钢，因为没有证据表明，它在各方面可以与钴高速钢相提并论——虽然在个别领域上可以。

   国际上高速钢的发展简史，如下表所列(哈尔滨第一工具有限公司宋学全提供)。

表 高速钢发展简史

年代主要大事记

1870～1898 英国人Mushet发明应用Mn-W自硬工具钢，切削中碳钢速度8m/min

1898～1900 美国人Taylor、White以Cr-W钢取代Mn-W自硬钢，创立了高速钢。切削中碳钢速度达20m/min

1910 确立T1(W18Cr4V)钢成分，切削中碳钢速度达30m/min

1937～美国人Breelor发明W-Mo系高速钢M2

1939 ～美国发明高碳高钒高速钢，含钒3～5%，淬回火硬度达67～68HRC，耐磨性好，可磨削性差。

1958～1963 平衡碳理论提出与应用，美国发明M40系高速钢，硬度达70HRC，如M41，M42

1965～美国CrucibleSteels公司发明粉末冶金法生产高速钢

1970～瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速钢投产；电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产

1980 ～欧、美、日、俄等国开始生产粉末冶金高速钢；氮化钛涂层用于高速钢切削刀具，寿命大幅提高

1990 ～粉末冶金高速钢实现高合金冶炼，新钢种热处理硬度达70～72HRC