日本高速工具钢的种类、特性及生产

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目前用于丝锥、滚刀等刀具的高速工具钢的名称来源于英文 High Speed Steel。20世纪初，开发出成分为18%W-4%Cr-1%V的18-4-1型高速钢取代了过去使用的碳素工具钢。这是高速工具钢的开始阶段。

　　耐磨性、耐热性和韧性是工具钢的性能三要素。高速工具钢的特点是，与其它合金工具钢相比，兼有高水平的三项性能。直到21世纪的目前，高速工具钢仍用于各种加工领域。高速工具钢的耐磨性和耐热性在工具钢中是最好的，韧性与冷作模具钢水平相当。
　　顾名思义，高速钢刀具是可以进行高速切削加工的刀具用钢。对高速钢要求的特性是：
①高温下不软化，具有很高的高温硬度、
②抗磨损性好、
③刀刃耐加工负荷性强，不易发生崩刃。
　　为获得这些特性，高速钢中添加W、Mo、Cr、Co、V等多种元素，以及适量的C。高速钢中C的一部分与W、Mo、Cr、V结合形成复合碳化物，复合碳化物的高硬度提高了高速钢的耐磨性。其余的C固溶于钢的基体，提高钢的强度。含有18%W的18-4-1型高速钢开始了高速钢的历史，但与W有同样作用的是Mo。全世界W矿石的80%产自中国，全世界Mo矿石的40%产自美国。所以，不产W的国家推进用Mo替代W的高速钢开发和制造。第一次世界大战时期，德国对Mo高速钢进行了研究。研究结果是，用1/2W含量的Mo就可以替代全部的W，并用钨当量Weq=W+2Mo作为高速钢中合金元素添加量的指标。第二次世界大战中，各国进行了增加V含量，节约W、Mo的研究。为了使增加V含量提高切削耐久性，需要同时增加C含量。这类钢就是AISI M4、T15。V与C结合形成非常硬的碳化物，这种碳化物具有高温稳定性，难于固溶到钢的母相中，所以可以防止钢的晶粒粗大化。Co基本上不形成碳化物，但钢的母相中含有Co，可以促进碳化物溶于母相，提高钢的回火硬度和高温硬度。需要注意的是，Co含量增加使钢的韧性下降，会使刀具发生崩刃、开裂。
　　如上所述，根据添加元素，可将高速钢分为W系、Mo系、V系三大类别。JIS中主要高速钢的成分和用途如表1。
　　此外，还可以按照制造方法对高速钢进行分类。上述高速钢钢锭一般是用熔炼-铸造方法制造的熔炼高速钢。此外还有将雾化法制作的微粉进行成形、高温-高压（HIP）制作高速钢钢锭的粉末冶金高速钢。粉末冶金高速钢的特点是组织微细均匀，韧性好。目前利用粉末冶金方法已经开发出熔炼法不能制造的高碳高合金高速钢。表1中有粉末冶金高速钢的例子SKH40。
　　热处理对于发挥高速钢性能具有重要作用。为提高高速钢高温硬度，应提高淬火温度，使碳化物充分固溶。高速钢的淬火方法一般是油冷和使用氮气的气冷。容易产生裂纹的高速钢刀具应采用盐浴冷却。薄片和细棒形状的高速钢工件有时也用空冷。高速钢回温度一般是550～600℃。回火次数最少两次，Co含量高的，要回火三次以上。
　　高速钢由于可提高切削加工效率，所以被大量用来作为刀具，但也有利用高速钢的特性，将高速钢用于各种塑性加工模具的情况。图1是目前刀具、模具用高速钢的耐磨性、耐热性和韧性匹配的示意图。图中还标示出冷成形和热锻的加工速度。
在切削加工领域，近年来由于加工机械的进步，普遍采用高速切削方法，刀具材料的主流也从高速钢向超硬合金、陶瓷材料转移。高速钢发明人之一的泰勒（Taylor）提出了表示表示刀具切削速度（V）和刀具寿命（T）关系的VT线图。在高速切削范围内，超硬合金和cBN（立方氮化硼）的性能大大超过高速钢。泰勒VT线图在这个高速切削范围内对于超硬合金和cBN仍然适用。
　　DI罐冲压成形每分钟1000多个，顶锻加工每分钟100多个。这种高速加工用的冷作模具使用的是超硬合金。与这些加工相比，锻造加工的成形速度属于低速加工。但是冷锻的闭塞锻造等近终形（NNC：Near Net Shape）锻造技术有了很大进步，由于高精度锻造的要求，冷锻闭塞锻造模具也应使用弹性摸量大的超硬合金。
　　虽然超硬合金等新材料已经出现，但由于高速钢的悠久历史和高速钢的特点，目前高速钢仍然用于各种用途。特别是用于超硬合金韧性不足的金属加工方面。在切削刀具方面，高速钢用于切屑不能自由排出的钻头和丝锥。在模具方面，高速钢用于冷锻模具和精密冲压模具。由于陶瓷和超硬合金不能用于承受热冲击的温锻模具，所以温锻模具目前主要使用的也是高速钢。
　　粉末冶金法和重熔法是可以最大限度发挥高速钢耐磨性、耐热性和韧性的工艺。利用这些工艺开发出的粉末冶金高速钢和基体高速钢已经实用化。在超硬合金方面，为弥补拉伸应力下容易引起破损的缺点，通过调整WC粒度和利用Co对结合相进行固溶强化的方法，开发出模具用改良型超硬合金，并且根据冲压模具、齿轮模具、闭塞锻造模具等不同负荷模具的特点，推进模具用材的系列化。图2是高速钢、超硬合金的疲劳强度和硬度的关系。从图中可以看出开发超硬合金、粉末冶金高速钢和基体高速钢的疲劳强度和硬度关系的特点。
　　图2中，高速钢压缩疲劳试验数据较少，但可以看出，高速钢压缩疲劳试验数据在超硬合金数据的延长线上。对物理气相沉积法（PVD）在工件表面附着TiN高耐磨性皮膜的工艺进行开发，提高了高速钢制品的耐磨性。从图中拉伸疲劳试验结果可知，在高硬度区域，粉末冶金高速钢、基体高速钢的疲劳强度高于传统高速钢JIS SKH51。
　粉末冶金高速钢、基体高速钢的硬度和抗折强度的关系如图3。各特钢厂都在推进基体高速钢的系列化开发。今后应积累各种应力负荷下的疲劳寿命数据和PVD皮膜的耐磨性数据，并将这些数据提供给用户，使用户可以根据需要，选择适宜的刀具、模具材料。

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图在哪里呀，楼主