金屬切削刀具材料--高速鋼

高速鋼是含有W、Mo、Cr、V等合金元素較多的合金工具鋼，是綜合性能較好、應用範圍最廣的一種切削刀具材料。熱處理後硬度達62-66HRC，抗彎強度約3.3GPa，耐熱性為600℃左右，此外還具有熱處理變形小、能鍛造、易磨出較鋒利的刃口等優點。高速鋼的使用占很大比例，特別是用於制造結構複雜的成形刀具。例如各類孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、切齒刀具等。

高速鋼種類：

■通用型高速鋼

通用型高速鋼應用最廣，約占高速鋼總量的75%。碳的質量分數為0.7%—0.9%，按含鎢、鉬量的不同分為鎢系、鎢鉬系。主要牌號有以下3種：

1．W18Cr4V (18-4-1)鎢系高速鋼：具有較好的綜合性能。因含釩量少，刃磨工藝性好。淬火時過熱傾向小，熱處理控制較容易。缺點是碳化物分布不均勻，不宜做大截面的刀具；熱塑任牧差；又因鎢價高，國內使用逐漸減少，國外已很少采用。

2．W6M05Cr4V2 (6-5-4-2)鎢鉬系高速鋼：是國內外普遍應用的牌號。因一份Mo可代替兩份W，這就能減少鋼中的合金元素，降低鋼中碳化物的數量及分布的不均勻性，有利提高熱塑性、抗彎強度與韌性。加入3%-5%質量分數的鉬，可改善刃磨工藝性。因此6-5-4-2的高溫塑性及韌性勝過18-4-1，故可用於制造熱軋刀具如扭制麻花鑽等。主要缺點是淬火溫度範圍窄，脫碳過熱敏感性大。

3．W9M03Cr4V (9-3-4-1)鎢鉬系高速鋼：是根據我國資源研制的牌號。其抗彎強度與韌性均比6-5-4-2好。高溫熱塑性好，而且淬火過熱、脫碳敏感性小，有良好的切削性能。

■高生產率高速鋼

高生產率高速鋼是指在通用型高速鋼中增加碳、釩，添加鈷或鋁等合金元素的新鋼種。其常溫硬度可達67-70HRC，耐磨性與耐熱性有顯著的提高，能用於不鏽鋼、耐熱鋼和高強度鋼的加工。

高碳高速鋼的含碳量提高，使鋼中的合金元素能全部形成碳化物，從而提高鋼的硬度與耐磨性，但其強度與韌性略有下降，目前已很少使用。

高釩高速鋼是將鋼中的釩的質量分數增加到3%-5%。由於碳化釩的硬度矽較高，可達到2800HV，比普通剛玉高。所以一方面增加了鋼的耐磨性，同時也增加了此鋼種的刃磨難度。

鈷高速鋼的典型牌號是W2Mo9C4VC08 (M42)。在鋼中加入了鈷，可提高高速鋼的高溫硬度和抗氧化能力，因此能適用於較高的切削速度。鑽在鋼中能促進鋼在回火時從馬氏體中析出鎢、鉬的碳化物，提高回火硬度。鈷的熱導率較高，對提高刀具的切削性能是有利的。鋼中加入鑽尚可降低摩擦系數，改善其磨削加工性。

鋁高速鋼是我國獨創的高生產率高速鋼。典型的牌號是W6Mo5Cr4V2A1(501)。鋁不是碳化物的形成元素，但它能提高W、Mo等元素在鋼中的溶解度，並可阻止晶粒長大。因此鋁高速鋼可提高高溫硬度、熱塑性與韌性。鋁高速鋼在切削溫度的作用下，刀具表面可形成氧化鋁薄膜，減少與切屑的摩擦和粘結。501高速鋼的力學性能與切削性能與美國M42高性高速鋼相當，其價格較低廉，鋁高速鋼的熱處理工藝要求較嚴。

■粉末冶金高速鋼

粉末冶金高速鋼是通過高壓惰性氣體或高壓水霧化高速鋼水而得到的絢細小的高速鋼粉末，然後壓制或熱壓成形，再經燒結而成的高速鋼。粉末冶金高速鋼在20世紀60年代由瑞首先研制成功，70年代國產的粉末冶金高速鋼就開始試用。由於其使用性能好，其應用日益增加。

粉末冶金高速鋼與熔煉高速鋼比較有如下優點：
1) 由於可獲得細小均勻的結晶組織（碳化物品粒2-51μm），從而完全避免了碳化物的偏析，提高了鋼的硬度與強度，能達到硬度69.5-70HRC，抗彎強度σbb 2.73~3.43GPa。
2)由於物理力學性能各向同性，可減少熱處理變形與應力，因此可用於制造精密刀具。
3)由於鋼中的碳化物細小均勻，使磨削加工性得到顯著改善，含釩量量多者，改善程度就更顯著。這一獨特的優點，使得粉末冶金高速鋼能用於制造新型的、增加合金元素的、加人大量碳化物的超硬高速鋼，而不降低其刃磨工藝性。這是熔煉高速鋼無法比擬的。
4)粉末冶金高速鋼提高了材料的利用率

粉末冶金高速鋼目前應用尚少的原因是成本較高。因此主要使用範圍是制造成形複雜刀具，如精密螺紋車刀、拉刀、切齒刀具等，以及加工高強度鋼、鎳基合金、鈦鈦合金等難加工材料用的刨刀、鑽頭、銑刀等刀具。

■塗層高速鋼

高速鋼刀具的表面塗層是采用物理氣相沉積(PVD)方法，在適當的高真空度與溫度環境下進行氣化的鈦離子與氮反應，在陽極刀具表面上生成TiN。其厚度由氣相沉積的時間決定，一般為2-8μm，對刀具的尺寸精度影響不大。

新的鍍膜設備使用納米真空複合離子鍍膜工藝，控制在500℃環境下進行。一般刀具塗覆TiN硬膜，厚度約2μm。塗層表面結合牢固，呈金黃色，硬度可高達2200HV，有較高的熱穩定性，與鋼的摩擦系數較低。

塗層高速鋼刀具的切削力、切削溫度約下降25%，切削速度、進給量、刀具壽命顯著提高。即使刀具重磨後其性能仍優於普通高速鋼。適合在鑽頭、絲錐、成形銑刀、切齒刀具上廣泛應用。

除TiN塗層外，新的塗層工藝鍍膜功能較多，典型的有:TiN、TiC、TiCN、TiALN、AL-TiN、TiALCN、DLC (diamond-like coating金剛石類塗層)、CBC (carbon-based coating硬質合金基類塗層)。

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