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日本高速工具鋼的種類(lèi)、特性及生產(chǎn)
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時(shí)間：2015-09-22
日本高速鋼：SKH51，SKH52，SKH53，SKH54，YXM2，YXM3，YXM4，XVC3，XVC5，XVC11，SKH58，SKH10，SKH55，SKH56，SKH57，SKH59，SKH3，SKH4，SKH4A，SKH4B，SKH5，SKH2，HAP5R，HAP10，HAP40，HAP50，HAP72，SKH40，YXM1，YXMT，YXM7，YXM34，YXM42，YXM60，YHX2，YXH3，YXH4，YXR3，YXR3，YXR7
?目前用于絲錐、滾刀等刀具的高速工具鋼的名稱(chēng)來(lái)源于英文High?Speed?Steel。20世紀(jì)初，開(kāi)發(fā)出成分為18%W-4%Cr-1%V的18-4-1型高速鋼取代了過(guò)去使用的碳素工具鋼。這是高速工具鋼的開(kāi)始階段。
耐磨性、耐熱性和韌性是工具鋼的性能三要素。高速工具鋼的特點(diǎn)是，與其它合金工具鋼相比，兼有高水平的三項(xiàng)性能。直到21世紀(jì)的目前，高速工具鋼仍用于各種加工領(lǐng)域。高速工具鋼的耐磨性和耐熱性在工具鋼中是最好的，韌性與冷作模具鋼水平相當(dāng)。
顧名思義，高速鋼刀具是可以進(jìn)行高速切削加工的刀具用鋼。對(duì)高速鋼要求的特性是：
①高溫下不軟化，具有很高的高溫硬度、
②抗磨損性好、
③刀刃耐加工負(fù)荷性強(qiáng)，不易發(fā)生崩刃。
為獲得這些特性，高速鋼中添加W、Mo、Cr、Co、V等多種元素，以及適量的C。高速鋼中C的一部分與W、Mo、Cr、V結(jié)合形成復(fù)合碳化物，復(fù)合碳化物的高硬度提高了高速鋼的耐磨性。其余的C固溶于鋼的基體，提高鋼的強(qiáng)度。含有18%W的18-4-1型高速鋼開(kāi)始了高速鋼的歷史，但與W有同樣作用的是Mo。全世界W礦石的80%產(chǎn)自中國(guó)，全世界Mo礦石的40%產(chǎn)自美國(guó)。所以，不產(chǎn)W的國(guó)家推進(jìn)用Mo替代W的高速鋼開(kāi)發(fā)和制造。第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，德國(guó)對(duì)Mo高速鋼進(jìn)行了研究。研究結(jié)果是，用1/2W含量的Mo就可以替代全部的W，并用鎢當(dāng)量Weq=W+2Mo作為高速鋼中合金元素添加量的指標(biāo)。第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)進(jìn)行了增加V含量，節(jié)約W、Mo的研究。為了使增加V含量提高切削耐久性，需要同時(shí)增加C含量。這類(lèi)鋼就是AISI?M4、T15。V與C結(jié)合形成非常硬的碳化物，這種碳化物具有高溫穩(wěn)定性，難于固溶到鋼的母相中，所以可以防止鋼的晶粒粗大化。Co基本上不形成碳化物，但鋼的母相中含有Co，可以促進(jìn)碳化物溶于母相，提高鋼的回火硬度和高溫硬度。需要注意的是，Co含量增加使鋼的韌性下降，會(huì)使刀具發(fā)生崩刃、開(kāi)裂。
如上所述，根據(jù)添加元素，可將高速鋼分為W系、Mo系、V系三大類(lèi)別。JIS中主要高速鋼的成分和用途如表1。
此外，還可以按照制造方法對(duì)高速鋼進(jìn)行分類(lèi)。上述高速鋼鋼錠一般是用熔煉-鑄造方法制造的熔煉高速鋼。此外還有將霧化法制作的微粉進(jìn)行成形、高溫-高壓（HIP）制作高速鋼鋼錠的粉末冶金高速鋼。粉末冶金高速鋼的特點(diǎn)是組織微細(xì)均勻，韌性好。目前利用粉末冶金方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)出熔煉法不能制造的高碳高合金高速鋼。表1中有粉末冶金高速鋼的例子SKH40。
熱處理對(duì)于發(fā)揮高速鋼性能具有重要作用。為提高高速鋼高溫硬度，應(yīng)提高淬火溫度，使碳化物充分固溶。高速鋼的淬火方法一般是油冷和使用氮?dú)獾臍饫洹Ｈ菀桩a(chǎn)生裂紋的高速鋼刀具應(yīng)采用鹽浴冷卻。薄片和細(xì)棒形狀的高速鋼工件有時(shí)也用空冷。高速鋼回溫度一般是550～600℃?；鼗鸫螖?shù)最少兩次，Co含量高的，要回火三次以上。
高速鋼由于可提高切削加工效率，所以被大量用來(lái)作為刀具，但也有利用高速鋼的特性，將高速鋼用于各種塑性加工模具的情況。圖1是目前刀具、模具用高速鋼的耐磨性、耐熱性和韌性匹配的示意圖。圖中還標(biāo)示出冷成形和熱鍛的加工速度。
在切削加工領(lǐng)域，近年來(lái)由于加工機(jī)械的進(jìn)步，普遍采用高速切削方法，刀具材料的主流也從高速鋼向超硬合金、陶瓷材料轉(zhuǎn)移。高速鋼發(fā)明人之一的泰勒（Taylor）提出了表示表示刀具切削速度（V）和刀具壽命（T）關(guān)系的VT線(xiàn)圖。在高速切削范圍內(nèi)，超硬合金和cBN（立方氮化硼）的性能大大超過(guò)高速鋼。泰勒VT線(xiàn)圖在這個(gè)高速切削范圍內(nèi)對(duì)于超硬合金和cBN仍然適用。
DI罐沖壓成形每分鐘1000多個(gè)，頂鍛加工每分鐘100多個(gè)。這種高速加工用的冷作模具使用的是超硬合金。與這些加工相比，鍛造加工的成形速度屬于低速加工。但是冷鍛的閉塞鍛造等近終形（NNC：Near?Net?Shape）鍛造技術(shù)有了很大進(jìn)步，由于高精度鍛造的要求，冷鍛閉塞鍛造模具也應(yīng)使用彈性摸量大的超硬合金。
雖然超硬合金等新材料已經(jīng)出現(xiàn)，但由于高速鋼的悠久歷史和高速鋼的特點(diǎn)，目前高速鋼仍然用于各種用途。特別是用于超硬合金韌性不足的金屬加工方面。在切削刀具方面，高速鋼用于切屑不能自由排出的鉆頭和絲錐。在模具方面，高速鋼用于冷鍛模具和精密沖壓模具。由于陶瓷和超硬合金不能用于承受熱沖擊的溫鍛模具，所以溫鍛模具目前主要使用的也是高速鋼。
粉末冶金法和重熔法是可以最大限度發(fā)揮高速鋼耐磨性、耐熱性和韌性的工藝。利用這些工藝開(kāi)發(fā)出的粉末冶金高速鋼和基體高速鋼已經(jīng)實(shí)用化。在超硬合金方面，為彌補(bǔ)拉伸應(yīng)力下容易引起破損的缺點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整WC粒度和利用Co對(duì)結(jié)合相進(jìn)行固溶強(qiáng)化的方法，開(kāi)發(fā)出模具用改良型超硬合金，并且根據(jù)沖壓模具、齒輪模具、閉塞鍛造模具等不同負(fù)荷模具的特點(diǎn)，推進(jìn)模具用材的系列化。圖2是高速鋼、超硬合金的疲勞強(qiáng)度和硬度的關(guān)系。從圖中可以看出開(kāi)發(fā)超硬合金、粉末冶金高速鋼和基體高速鋼的疲勞強(qiáng)度和硬度關(guān)系的特點(diǎn)。
圖2中，高速鋼壓縮疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，但可以看出，高速鋼壓縮疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)在超硬合金數(shù)據(jù)的延長(zhǎng)線(xiàn)上。對(duì)物理氣相沉積法（PVD）在工件表面附著TiN高耐磨性皮膜的工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，提高了高速鋼制品的耐磨性。從圖中拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知，在高硬度區(qū)域，粉末冶金高速鋼、基體高速鋼的疲勞強(qiáng)度高于傳統(tǒng)高速鋼JIS?SKH51。
粉末冶金高速鋼、基體高速鋼的硬度和抗折強(qiáng)度的關(guān)系如圖3。各特鋼廠(chǎng)都在推進(jìn)基體高速鋼的系列化開(kāi)發(fā)。今后應(yīng)積累各種應(yīng)力負(fù)荷下的疲勞壽命數(shù)據(jù)和PVD皮膜的耐磨性數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給用戶(hù)，使用戶(hù)可以根據(jù)需要，選擇適宜的刀具、模具材料。（注：圖、表參見(jiàn)原創(chuàng)）
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