高速鋼是一種高碳高合金萊氏體鋼，成分復(fù)雜，具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的特點(diǎn)，又稱(chēng)為鋒鋼或白鋼，是美國(guó)的F.W.泰勒和M.懷特于1898年創(chuàng)制的。在世界范圍內(nèi)，高速鋼的產(chǎn)量比較大，用途比較廣，高速鋼的工藝性能好，強(qiáng)度和韌性配合好，因此主要用來(lái)制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。
這些年來(lái)，高速鋼在切削刀具材料的使用上不斷減少，并且這種趨勢(shì)會(huì)繼續(xù)下降；但高速鋼在齒輪刀具、拉刀、螺紋刀的應(yīng)用依然較廣，且占有最重要的地位。所以需要不斷優(yōu)化工藝，開(kāi)發(fā)新技術(shù)，改善其性能，才能鞏固高速鋼在刀具應(yīng)用方面的地位。高速鋼的化學(xué)成分、碳化物的尺寸和分布等，都會(huì)明顯影響高速鋼的加工性能和使用性能。
我國(guó)高速鋼的研制開(kāi)始于1900年，新中國(guó)成立之后，我國(guó)高速鋼才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)高速鋼的產(chǎn)量保持快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)。總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)的高速鋼行業(yè)正在逐步進(jìn)入成熟期。我國(guó)不僅成為高速鋼的主要供應(yīng)國(guó)，而且還是高速鋼切削刀具的生產(chǎn)大國(guó)。但是，與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比，我國(guó)的高速鋼還存在一些差距，主要集中在生產(chǎn)布局、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、品種質(zhì)量等方面。我國(guó)高速鋼的研究和開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚，但是我國(guó)含有豐富的鐺、鑰、機(jī)等資源，所以能夠?yàn)楦咚黉摰纳a(chǎn)和研發(fā)提供相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。
發(fā)展歷史
在機(jī)械制造業(yè)中，隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)零件機(jī)械性能不斷提高，所采用的材料的性能也相應(yīng)提高。高強(qiáng)度、高硬度，高韌性和耐高溫的材料被廣泛使用，因而要求有與它們相適應(yīng)的加工方法和切削刀具。另一方面，也由于要求不斷地提高生產(chǎn)效率和降低材料消耗，因此，成型工藝發(fā)展很快，如冷擠壓、旋壓等工藝被廣泛應(yīng)用，這也要求提供高效率，高強(qiáng)度、壽命高的工具。
因此，要求從事機(jī)械制造業(yè)和冶金業(yè)的技術(shù)人員，努力尋求和生產(chǎn)更好的工具材料，或設(shè)法改善工具材料的性能，以提高生產(chǎn)效率和降低工具消耗，取得好的經(jīng)濟(jì)效益。
遠(yuǎn)在1861年，Musher首次冶煉了含有2．15％C、1.04％Si、0.53％Mn、0.40％Cr、5.44％W的鋼， 由于這種鋼在空氣中冷卻即能火，所以Musher將此鋼稱(chēng)之為“自硬鋼”這就是現(xiàn)在高速鋼的前身。之后，這種鋼的成分，又幾經(jīng)變化，即當(dāng)含碳為1.25—2.25％時(shí)，其含鎢量大約為4一11％，含錳量為1.5—3.5％，后來(lái)錳又逐漸為鉻所代替。但由于在當(dāng)時(shí)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它具有現(xiàn)代高速鋼的特性，加之這種鋼含碳量較高，鍛造困難，所以當(dāng)時(shí)生產(chǎn)并不多。隨著美國(guó)鋼鐵公司產(chǎn)量的大幅度增長(zhǎng)，對(duì)切削刀具的材料性能，提出了更高的和急迫的要求。為了提高自硬鋼的數(shù)控刀具性能，1898年，Taylor以每50~C為一級(jí)，對(duì)這種鋼進(jìn)行了提高淬火溫度的試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在接近自硬鋼的熔點(diǎn)處淬火，刀具可獲得最佳切削性能，并且紅硬性大為增加。而后者正是近代高速鋼性能的主要標(biāo)志。高溫淬火工藝一直延用至今，它與高速爾的化學(xué)成分相配合，成為高速鋼刀具具備其切削性能的兩個(gè)基本要素。
后來(lái)Taylor等人又將鋼的成分加以調(diào)整，即減少了碳、硅、錳的含量，增加了鎢和鉻的含量，并加入了微量的釩。這樣鋼的可鍛性提高了，硬化深度也得到改善，鋼的斷口也致密了，因而在提高了切削性能的同時(shí)，也降低了廢品率。這也就是18-4—1型高速鋼的前身。
制作工藝
高速鋼鍛造，對(duì)于工具制造業(yè)來(lái)說(shuō)，是十分重要的一道工序，因?yàn)樗坏绊懝ぞ叩馁|(zhì)量，而且還影響到生產(chǎn)成本。由于沒(méi)有正確地掌握高速鋼鍛造工藝，以致出現(xiàn)很高廢品率，使工具成本大幅度的上升，這種事例是屢見(jiàn)不鮮的。
鍛造前準(zhǔn)備
高速鋼鍛造前，原材料必須進(jìn)行金相檢驗(yàn)，確定原始碳化物的級(jí)別，以便作為編制鍛造工藝的依據(jù)。各廠雖有鋼材進(jìn)廠檢驗(yàn)制總但由于受到抽檢限制，很可能產(chǎn)生鍛前碳化物偏沂等級(jí)不一致。所以在鍛前，應(yīng)對(duì)坯料進(jìn)行一次復(fù)檢。
鍛造前加熱
加熱規(guī)范在鍛造工藝中，是一個(gè)重要組成部分。合理的加熱，能保證鋼坯有良好的鍛造性能。高速鋼合金元素多，含量又高，以致導(dǎo)熱性及塑性均較一般合金鋼差，因此要注意加熱速度及保溫時(shí)問(wèn)，盡可能做到均勻加熱。一般是采用緩慢加熱，但很多廠目前是采用高溫快速加熱。有些工廠采用三段加熱，具體規(guī)范是：（1）400—600~C裝爐，緩慢加熱到780，~"820~C，加熱時(shí)間根據(jù)坯料的直徑或厚度，每10毫米按7—8分鐘計(jì)算。
（ 2）在780—820~C保溫，其保溫時(shí)間也是按每10毫米保溫7—8分鐘計(jì)算。
（3）較快地加熱到最終溫度，加熱時(shí)間為每10毫米以5—6分鐘計(jì)算。
上述三段加熱，是考慮到高速鋼在低溫時(shí)導(dǎo)熱性差，如加熱過(guò)快則坯料心部與表面的溫差大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，易使坯料開(kāi)裂，因此在低溫階段要緩慢加熱。在780—820°C范圍內(nèi)發(fā)生。a一y相變，所產(chǎn)生的體積變化，更可導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的增長(zhǎng)，所以進(jìn)行保溫。而820°C以上， 由于已形成奧氏體，開(kāi)裂的危險(xiǎn)性就小了，故可加速升溫。另外高溫階段的快速升溫，也是為了盡可能減少氧化和脫碳。
不過(guò)采用這種加熱規(guī)范，所需時(shí)間長(zhǎng)，占用加熱設(shè)備多，燃料消耗多。針對(duì)這種情況，對(duì)高速鋼鍛件提出了快速加熱的工藝。即把坯料直接放入爐溫為1150—1200~C的爐中，當(dāng)溫度達(dá)到鍛造溫度后，進(jìn)行鍛造。
鍛造設(shè)備
鍛造設(shè)備噸位的大小，對(duì)于碳化物偏析級(jí)別的改善，有著一定的關(guān)系。如果鍛造設(shè)備噸位太小，則鍛擊時(shí)，不飛傳至鍛件中心，而變形只在鋼材的衷層進(jìn)行，當(dāng)然使碳化物偏析得不到改善。反之鍛造設(shè)備噸位太大，對(duì)碳化物偏析改善也不會(huì)帶來(lái)更大好處，反而浪費(fèi)能量及其附屬設(shè)備，并且有增加產(chǎn)生裂紋的可能性。
鍛件冷卻
工件鍛造完畢后，工件溫度一般保持在800。C左右，因?yàn)檫@正是高速鋼奧氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生相變，勢(shì)必出現(xiàn)組織應(yīng)力。另一方面，由于坯料的溫度下降，熱應(yīng)力也要增大，所以要緩慢冷卻，以防止工件開(kāi)裂。鍛件冷卻方式，通常可采用爐冷或砂冷。
爐冷——鍛完的工件，趁熱放入750℃左右的爐中，在爐內(nèi)冷卻，或者在鍛完一批后，從該溫度直接升溫，進(jìn)行退火。
砂冷——將鍛件置于熱砂箱或生石灰箱內(nèi)冷卻，主要目的是降低工件的冷卻處理。如果冷卻太快，會(huì)在工件表面或中心部分產(chǎn)生裂紋，這種裂紋，大都是細(xì)條狀的。
規(guī)格成分
規(guī)格和外觀
規(guī)格主要有圓鋼和方鋼、板材。鋼材的表面要加工良好，不得有肉眼可見(jiàn)的裂紋、折疊、結(jié)疤和發(fā)紋。冷拔鋼材表面應(yīng)潔凈、光滑、無(wú)夾雜和氧化皮等。
化學(xué)成分
中國(guó)國(guó)標(biāo)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中主要鋼號(hào)的化學(xué)成分如表 6—7—26。
主要種類(lèi)
目前國(guó)內(nèi)外高速鋼的種類(lèi)約有數(shù)十種，其化學(xué)成分，一般是在下述的范圍：高速鋼是一種復(fù)雜的鋼種，含碳量一般在0.70～1.65%之間，含合金元素量較多，總量可達(dá)10～25%。
關(guān)于高速鋼的分類(lèi)，按其所含的合金元素的不同，分為三種基本系列，即：
(1)鎢系高速鋼——以鎢為主，含鎢量一般大于12％，不含鉬或含1％的鉬。
(2)鉬系高速鋼——以鉬為主，含鉬量大于8％，不含鎢或含有1—2％的鎢。
(3)鎢一鉬系高速鋼——介于上述二者之間，鎢、鉬含量之間符合下式：
W％+2Mo％=15—18％
若從使用性能的角度來(lái)看，高速鋼又可分為低合金高速鋼、普通高速鋼(通用高速鋼)及特殊高速鋼三大類(lèi)。過(guò)去特殊高速鋼系指含釩大于3％的高速鋼及加入5—15％鈷的鋼。六十年代開(kāi)始在特殊高速鋼中又發(fā)展了前面提出的超硬型高速鋼，它的出現(xiàn)，是高速鋼成分上一個(gè)重大變化。
主要性能
前已述及，各種合金元素決定了高速鋼的組織組成物的類(lèi)型及其數(shù)量，而這些不同的組織又賦予高速鋼各種各樣的性能。一般可概括為兩大類(lèi)，即使用性能和工藝性能。
使用性能
高速鋼的使用性能，應(yīng)從切削性能、高溫硬度(熱硬性)、常溫硬度、。耐磨性、強(qiáng)度及韌性幾個(gè)方面絲量。其中切削性能是硬度、熱硬性、耐磨性，韌性的綜合反映。即使現(xiàn)在擴(kuò)大了高速鋼的使用范圍，其使用性能也還沒(méi)有超出上述范疇。
硬度和耐磨性，主要取決于鋼的含碳量。鋼中含碳量愈高，則碳化物也愈多。這首先意味著在淬火時(shí)，可使更多的碳溶入固溶體中，從而提高了馬氏體及實(shí)際使用時(shí)的回火馬氏體的硬度，亦即鋼的使用硬度。另外碳量的增加，還會(huì)使淬火后不溶解的剩余碳化物量增多，從而提高了鋼的耐磨性。熱硬性和鋼中所加入合金元素的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān)。只有在高合金情況下，方能在550—600~C保持高硬度。至于鋼的韌性，則大體與上述兩者相反，當(dāng)碳和合金元素增高寸，韌性要降低。
工藝性能
高速鋼的工藝性能，包括鍛造性能、機(jī)械加工性能、過(guò)熱敏感性、熱處理時(shí)的變形開(kāi)裂傾向以及氧化脫碳傾向等。
可磨削性是高速鋼的主要工藝性能之一。磨削，尤其是最后的精磨，是切削刀具制造過(guò)程不可缺少而且極為敏感的工序。刀具磨削的優(yōu)劣，密切關(guān)系著刀具質(zhì)量(形狀尺寸、壽命)的好壞。高速鋼由于舍金碳化物較多，基體硬·，導(dǎo)熱性能又差，其可磨削性能大大低于一般鋼，尤其是經(jīng)過(guò)淬火、回火以后，更是如此。另外磨削一般也是生產(chǎn)率最低的一道工序。所以人們把可磨削性看成是評(píng)價(jià)高速鋼的一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。
包裝檢驗(yàn)
包裝
成捆交貨，用低碳鋼絲捆扎，并有標(biāo)牌標(biāo)明爐號(hào)，規(guī)格等印記。但對(duì)冷軋鋼還要涂防銹油，并用防潮紙包裹，對(duì)銀亮鋼還應(yīng)裝箱。
檢驗(yàn)
檢驗(yàn)高速鋼碳化物不均勻度與試樣的腐蝕時(shí)間有關(guān)。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中只提出腐蝕要適當(dāng)不能過(guò)腐蝕，這一點(diǎn)往往被人們所忽視。實(shí)踐證實(shí)，如果發(fā)生了過(guò)腐蝕，就會(huì)將碳化物染黑，表現(xiàn)出不均勻程度改善的假相，就可能將質(zhì)量不好的高速鋼誤判為優(yōu)質(zhì)鋼，這一點(diǎn)尤為重要。
各國(guó)高速鋼標(biāo)準(zhǔn)
1970年美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)(AISl)修改了1963年的高速鋼標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)在1969年重新制訂了新高速鋼標(biāo)準(zhǔn)ASTMA 600-69，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)共列入了二十七個(gè)鋼號(hào)。西德的WbL320標(biāo)準(zhǔn)，共列入九個(gè)鋼號(hào)。日本在1968年頒發(fā)了日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JISG4403-1968，共列入十三個(gè)鋼號(hào)。英國(guó)沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般標(biāo)準(zhǔn)是由英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(Bs)發(fā)行，其現(xiàn)行BS 4659高速鋼標(biāo)準(zhǔn)系1971年公布，其中一共列入十五個(gè)鋼號(hào)。蘇聯(lián)修改了FOCT標(biāo)準(zhǔn)，頒布了FOCTl9265-73共列入十四個(gè)鋼號(hào)。瑞典標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于1971年3月頒發(fā)了新工具鋼標(biāo)準(zhǔn)SIS-1971，共列入四個(gè)鋼號(hào)。1975年歐洲國(guó)家制訂了一個(gè)《工具鋼洲際標(biāo)準(zhǔn)草案EURONORM96》其中規(guī)定了四種基本牌號(hào)高速鋼。
參考資料 >
模具鋼材料篇---高速鋼.微信公眾平臺(tái).2023-12-06