高速工具鋼

工具鋼的一類，以鎢、鉬、鉻、釩，有時還有鈷為主要合金元素的高碳高合金萊氏體鋼，通常用作高速切削工具，簡稱高速鋼，俗稱鋒鋼。

高速工具鋼簡介

形成原理

高速工具鋼主要用於制造高效率的切削刀具。由於其具有紅硬性高、耐磨性好、強度高等特性，也用於制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸承和高溫彈簧  等。高速工具鋼經熱處理後的使用硬度可達HRC63以上，在600℃左右的工作溫度下仍能保持高的硬度，而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好。退火狀態的高速工具鋼的主要合金元素有鎢、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入瞭鈷、鋁等元素。這類鋼屬於高碳高合金萊氏體鋼，其主要的組織特征之一是含有大量的碳化物。鑄態高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物，經熱壓力加工後破碎成顆粒狀分佈在鋼中，稱為一次碳化物；從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。這些碳化物對高速工具鋼的性能影響很大，特別是二次碳化物，其對鋼的奧氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影響。碳化物的數量、類型與鋼的化學成分有關，而碳化物的顆粒度和分佈則與鋼的變形量有關。鎢、鉬是高速工具鋼的主要合金元素，對鋼的二次硬化和其他性能起重作用。鉻對鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用，對二次硬化也有一定的作用。釩對鋼的二次硬化和耐磨性起重要作用，但降低可磨削性能。

物理性質

 高速工具鋼的淬火溫度很高，接近熔點，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。高速工具鋼淬火後硬度升高，此為第一次硬化，但淬火溫度越高，則回火後的強度和韌性越低。淬火後在350℃以下低溫回火硬度下降在350℃以上溫度回火硬度逐漸提高，至520~580℃范圍內回火（化學成分不同，回火溫度不同）出現第二次硬度高峰，並超過淬火硬度，此為二次硬化。這是高速工具鋼的重要特性。　　

高速工具鋼除瞭具有高的硬度、耐磨性、紅硬性等使用性能外，還具有一定的熱塑性、可磨削性等工藝性能。　　

鎢系高速工具鋼主要合金元素是鎢，不含鉬或含少量鉬。其主要特性是過熱敏感性小，脫碳敏感性小、熱處理和熱加工溫度范圍較寬，但碳化物顆粒粗大，分佈均勻性差，影響鋼的韌性和塑性。　　

鎢鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鎢和鉬。其主要特性是碳化物的顆粒度和分佈均優於鎢系高速工具鋼，脫碳敏感性和過熱敏感性低於鉬系高速工具鋼，使用性能和工藝性能均較好。　　

鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鉬，不含鎢或含少量鎢。其主要特性是碳化物顆粒細，分佈均勻、韌性好，但脫碳敏感性和過熱敏感性大、熱加工和熱處理范圍窄。

應用場合

高速鋼主要用來制造中、高速切削刀具，如車刀、銑刀、鉸刀、拉刀、麻花鉆等。

常用高速鋼

高速工具鋼是一種高碳高合金工具鋼,wC=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等,W、Mo、V是提高熱硬性的主要元素,V可形成高硬度的碳化物，顯著提高鋼的硬度及耐磨性,Cr可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V為較常用的高速鋼，這三個鋼號的產量占目前國內生產和使用的95 %以上。

熱處理

W18Cr4V鋼的最終熱處理為高溫淬火和多次回火。W18Cr4V鋼的淬火溫度高達1270～1280℃，淬火冷卻後得到馬氏體、碳化物和殘餘奧氏體(20%～30%）。回火采用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火組織中較多的殘餘奧氏體，使其轉變成馬氏體；三次回火還能使馬氏體中析出更多的碳化物，產生二次硬化，提高熱硬性。熱處理後高速鋼的硬度可達63~65HRC。　　

高速鋼屬於萊氏體鋼，鑄態組織中有粗大魚骨狀的合金碳化物，這種碳化物硬而脆，若不消除這種碳化物的不均勻性，制成刀具後將出現早期損壞，使刀具易出現“崩刃”，故必須用反復鍛打的方法將其擊碎，使碳化物細化並均勻分佈在基體上。W18Cr4V鋼鍛造後進行退火，以消除內應力，降低硬度改善切削加工性能，並為淬火做好組織準備。

高速工具鋼分類

含鉆高速工具鋼是在通用高速工具鋼的基礎上加入一定量的鈷，可顯著提高鋼的硬度、耐磨性和韌性。　　

粉末高速工具鋼是用粉末冶金方法產生的。首先用霧化法制取低氧高速工具鋼預合金粉末，然後用冷、熱靜壓機將粉末壓實成全致密的鋼坯，再經鍛、軋成材。粉  

末高速工具鋼的碳化物細小、分佈均勻，韌性、可磨削性和尺寸穩定性等均很好，可生產用鑄錠法個可能產生更高合金元素含量的超硬高速工具鋼。粉末高速工具鋼可分為3類，第一類是含鈷高速工具鋼，其特點是具有接近硬質合金的硬度，而且還具有良好的可鍛性、可加工性、可磨性和強韌性。第二類是無鈷高鎢、鉬、釩超硬高速工具鋼。第三類是超級耐磨高速工具鋼。其硬度不太高，但耐磨性極好，主要用於要求高耐磨並承受沖擊負荷的工作條件。　　

    高速鋼按所含合金元素可分為：①鎢系高速鋼(W 9～18%）、②鎢鉬系高速鋼(W5～12%,Mo 2～6%）、③高鉬系高速鋼(W 0～2%,Mo 5～10%）。各系又可按含釩量的多少分為一般含釩量(V 1～2%）和高含釩量(V 2.5～5%）。任何高速鋼如含鈷 (Co 5～10%）時，又歸入鈷高速鋼。　　

     高速鋼按用途可分為綜合性通用型高速鋼和特種用途高速鋼兩類。通用高速鋼廣泛用於制作各種金屬切削普通刀具（如鉆頭、絲錐、鋸條）和精密刀具（如滾刀、插齒刀、拉刀）。被切削材料一般硬度 HB≤300。特種用途高速鋼又可分為高釩高速鋼，一般含鈷高速鋼和超硬型(HRC 68～70)高速鋼（表2)。　

     高速鋼主要用途是制造高速切削工具，除具有高硬度（一般大於HRC 63,高的可達HRC 68～70)，高耐磨性和足夠韌性外，還要有在高速切削下刀刃不因發熱而軟化的耐熱性。耐熱性通常用紅硬性衡量，也就是在580～650℃把鋼先後加熱4次，每次保溫 1小時後空冷，然後在室溫下測定其硬度值。高速鋼的韌性通常用彎曲強度和沖擊值來衡量。近年來，高速鋼應用於制造冷作模具，在使用性能上主要要求有高的抗壓屈服強度，高的耐磨性和高韌性，而對耐熱性則要求不高，因此可采用較低的溫度淬火。

高速鋼的合金元素

主要有碳、鎢、鉬、鉻、釩、鈷等，其作用分述如下：　　

碳一般含碳量為0.70～1.65%，以保證足夠的碳與各種碳化物形成元素相配合。通常采用平衡碳(Cs)近似計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是假設W、Mo、Cr、V與C形成W2C（或Fe4W2C)、Mo2C（或Fe4Mo2C)、Cr26C6、V4C3時碳與各元素的定比關系而定出的。隨著鋼中含碳量逐漸接近Cs,二次硬化效  果（硬度和紅硬性）也逐步上升到最高值，而韌性則隨之下降。因此隻在超硬高速鋼中含碳量采用接近Cs的成分，為瞭保持通用型高速鋼的高韌性，含碳量一般比Cs低0.15～0.30%。至於用於載荷較低的低合金高速鋼，實際含碳量可能還超過Cs。　　

鎢和鉬高速鋼回火時產生二次硬化最基本的合金元素。鎢和鉬作用相似,Mo的原子量約為W的一半，一般可用 1%Mo取代2%W。高速鋼中最主要的碳化物M6C(M代表金屬）是以Fe、Mo、W為主的復合碳化物，它在淬火時部分固溶，回火時又以M2C碳化物彌散析出，使鋼強化，提高硬度和耐磨性，剩下未溶的M6C碳化物（主要來自共晶碳化物）可阻止淬火加熱時的晶粒長大和增加耐磨性。含鉬的高速鋼鑄態共晶碳化物網較細薄，易於加工破碎，分佈較均勻，顆粒較小，熱塑性和韌性也較高；但含鉬的鋼易脫碳，淬火過熱敏感性也較大，而鎢鋼在此方麵正與之相反。因此鎢和鉬適當配合，能獲得綜合性能更好的鋼種。　　

鉻為保證鋼的高淬透性，各種高速鋼都含鉻4%左右。鋼中形成以鐵鉻為主的M26C6碳化物，鉻也可溶於M6C與MC中形成合金碳化物，促使這些難溶碳化物淬火時較多地固溶。使淬火馬氏體具有足夠的碳和合金元素，有利於回火時大量析出 M2C與MC。所以鉻對二次硬化也有間接作用。此外，含 4%鉻對高速鋼的抗氧化性起重要作用。　　

     釩所有高速鋼都含釩 1%以上。碳化釩淬火加熱時可部分固溶，回火時析出彌散的MC型碳化釩，有力地增強二次硬化作用；未溶的碳化釩有助於阻止淬火加熱時晶粒長大，而且由於硬度極高，能顯著提高鋼的耐磨性；但降低瞭可磨削性。高釩鋼中如能采取措施細化一次碳化物MC的顆粒，可改善磨削性。目前，最有效的辦法是用霧化法快速冷卻鋼液得到合金粉末，制成粉末冶金高速鋼，使一次碳化物得到細化。　　鈷鈷本身不形成碳化物，其作用主要是增加回火時析出 MC、M2C的形核率，減緩其聚集長大速度。此外，鈷可提高高速鋼晶界熔化溫度，因而提高鋼的淬火溫度，使奧氏體內的合金度增大。這些作用都有效地提高瞭高速鋼的耐熱性，但鈷含量過高時也會降低鋼的韌性。

工藝性能指標

工藝性能也是高速鋼的重要指標。首先，要有良好的熱  

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，以便在生產過程中進行冷成形和切削加工。其他工藝性能如過熱不敏感性，脫碳不敏感性，低的淬火變形性，在電阻焊和摩擦焊中與柄部碳鋼結合的良好焊接性能等也很重要，尤其是磨削性，對於制造復雜刀具是極其重要的。　　

   保證碳化物充分破碎、細化並均勻分佈（見圖），歷來是高速鋼生產工藝和提高質量的關鍵問題。為此，高速鋼應采用低溫澆鑄工藝，選擇良好錠型，並根據鋼材規格選用足夠大的壓縮比。中國自1965年以來采用扁錠生產高速鋼，其優點為顯著加快鋼錠凝固速度，從而改善瞭鋼材的碳化物不均勻度和低倍組織。大尺寸鋼材多采用電渣重溶鋼錠。鍛造開坯、軋制成材的工藝有利於提高質量。高速鋼的熱加工溫度、變形量和退火制度，對鋼材的熱處理性能，尤其是對淬火後的晶粒度有明顯的影響，須嚴加控制。熱加工中如終鍛（軋）溫度過高，變形量不足或已經過一次淬火，但未經充分退火又進行第二次淬火，會出現特殊閃光的萘狀斷口（見金屬宏觀檢驗），從而顯著降低鋼的韌性，使刀具脆崩。近年來還采用快鍛液壓機開坯、精鍛機成材的新工藝。　高速鋼需通過特殊的熱處理才能獲得所需的性能。一般淬火溫度均接近這種鋼的熔化溫度，例如高鎢鋼為1270～1290℃，鎢鉬鋼為1210～1240℃，高鉬鋼為1180～1210℃，一般采用540～560℃回火三次，以得到二次硬化的最佳效果。對韌性和紅硬性有不同要求時，可適當調整淬火溫度。　　

   粉末冶金高速鋼可保證碳化物細小和均勻分佈，對改善高碳高釩高速鋼的磨削性、改進熱加工性，減少淬火變形以及提供碳化物質量優異的大尺寸鋼材確有獨特優點；可以生產出合金含量更高和切削能力較大的高速鋼。近年來高速鋼刀具的真空熱處理獲得廣泛應用；刀具的氧氮化、碳氮氧共滲等表麵化學熱處理，也正在普遍采用，尤其是化學氣相沉積法和物理氣相沉積法的發展，可進一步提高刀具的使用壽命。

特性

使用特性

⑴ 硬度　　

工具鋼制成工具經熱處理後具有足夠高的硬度，如用於金屬切削加工的工具一般在HRC60以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所產生高溫的受熱條件下，仍能保持高的硬度和良好的紅硬性。碳素工具鋼和合金工具鋼一般在180℃~250℃、高速工具鋼在600℃左右的工作溫度下，仍能保持較高的硬度。紅硬性對熱變形模具和高速切削刀具用鋼是非常重要的性能。　　

⑵ 耐磨性　　

工具鋼具有良好的耐磨性，即抵抗磨損的能力。工具在承受相當大的壓力和摩擦力的條件下，仍能保持其形狀和尺寸不變。　　

⑶ 強度和韌性　　

工具鋼具有一定的強度和韌性，使工具在工作中能夠承受負荷、沖擊、震動和彎曲等復雜的應力，以保證工具的正常使用。　　

⑷ 其他性能　　

由於各種工具的工作條件不同，工具用鋼還具有一些其他性能，如模具用鋼還應具有一定的高溫力學性能、熱疲勞性、導熱性和耐磨腐蝕性能等。

工藝特性

工具鋼除瞭具有上述使用性能外，還應具有良好的工藝性能。　　

⑴ 加工性　　

工具鋼應具有良好的熱壓力加工性能和機械加工性能，才能保證工具的制造和使用。鋼的加工性取決於化學成分、組織的質量。　　

⑵ 淬火溫度范圍　　

工具鋼的淬火溫度應足夠寬，以減少過熱的可能性。　　

⑶ 淬硬性和淬透性　　

淬硬性是鋼在淬火後所能達到最高硬度的性能。淬硬性主要與鋼的化學成分特別是碳含量有關，碳含量越高，則鋼的淬硬性越高。　　

淬透性表示鋼在淬火後從表麵到內部的硬度分佈狀況。淬透性的高低與鋼的化學成分、純潔度、晶粒度有關。　　

根據用於制造不同的工具，對這兩種性能各有一定的要求。　　

⑷ 脫碳敏感性　　

工具表麵發生脫碳，將使表麵層硬度降低，因此要求工鋼的脫碳敏感性低。在相同的加條件下，鋼的脫碳敏感性取決於其化學成分。　　

⑸ 熱處理變形性　　

工具在熱處理時，要求其尺寸和外形穩定。　　

⑹ 耐削性　　

對很制造刀具和量具用鋼。要求具有良好的磨削性。鋼的磨削性與其化學成分有關，特別是釩含量，如果釩質量分數不小於0.50%則磨削性變壞。