金属切削刀具材料--高速钢

高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢，是综合性能较好、应用范围最广的一种切削刀具材料。热处理后硬度达62-66HRC，抗弯强度约3.3GPa，耐热性为600℃左右，此外还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。高速钢的使用占很大比例，特别是用于制造结构复杂的成形刀具。例如各类孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等。

高速钢种类：

■通用型高速钢

通用型高速钢应用最广，约占高速钢总量的75%。碳的质量分数为0.7%—0.9%，按含钨、钼量的不同分为钨系、钨钼系。主要牌号有以下3种：

1．W18Cr4V (18-4-1)钨系高速钢：具有较好的综合性能。因含钒量少，刃磨工艺性好。淬火时过热倾向小，热处理控制较容易。缺点是碳化物分布不均匀，不宜做大截面的刀具；热塑任牧差；又因钨价高，国内使用逐渐减少，国外已很少采用。

2．W6M05Cr4V2 (6-5-4-2)钨钼系高速钢：是国内外普遍应用的牌号。因一份Mo可代替两份W，这就能减少钢中的合金元素，降低钢中碳化物的数量及分布的不均匀性，有利提高热塑性、抗弯强度与韧性。加入3%-5%质量分数的钼，可改善刃磨工艺性。因此6-5-4-2的高温塑性及韧性胜过18-4-1，故可用于制造热轧刀具如扭制麻花钻等。主要缺点是淬火温度范围窄，脱碳过热敏感性大。

3．W9M03Cr4V (9-3-4-1)钨钼系高速钢：是根据我国资源研制的牌号。其抗弯强度与韧性均比6-5-4-2好。高温热塑性好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切削性能。

■高生产率高速钢

高生产率高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒，添加钴或铝等合金元素的新钢种。其常温硬度可达67-70HRC，耐磨性与耐热性有显著的提高，能用于不锈钢、耐热钢和高强度钢的加工。

高碳高速钢的含碳量提高，使钢中的合金元素能全部形成碳化物，从而提高钢的硬度与耐磨性，但其强度与韧性略有下降，目前已很少使用。

高钒高速钢是将钢中的钒的质量分数增加到3%-5%。由于碳化钒的硬度硅较高，可达到2800HV，比普通刚玉高。所以一方面增加了钢的耐磨性，同时也增加了此钢种的刃磨难度。

钴高速钢的典型牌号是W2Mo9C4VC08 (M42)。在钢中加入了钴，可提高高速钢的高温硬度和抗氧化能力，因此能适用于较高的切削速度。钻在钢中能促进钢在回火时从马氏体中析出钨、钼的碳化物，提高回火硬度。钴的热导率较高，对提高刀具的切削性能是有利的。钢中加入钻尚可降低摩擦系数，改善其磨削加工性。

铝高速钢是我国独创的高生产率高速钢。典型的牌号是W6Mo5Cr4V2A1(501)。铝不是碳化物的形成元素，但它能提高W、Mo等元素在钢中的溶解度，并可阻止晶粒长大。因此铝高速钢可提高高温硬度、热塑性与韧性。铝高速钢在切削温度的作用下，刀具表面可形成氧化铝薄膜，减少与切屑的摩擦和粘结。501高速钢的力学性能与切削性能与美国M42高性高速钢相当，其价格较低廉，铝高速钢的热处理工艺要求较严。

■粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到的绚细小的高速钢粉末，然后压制或热压成形，再经烧结而成的高速钢。粉末冶金高速钢在20世纪60年代由瑞首先研制成功，70年代国产的粉末冶金高速钢就开始试用。由于其使用性能好，其应用日益增加。

粉末冶金高速钢与熔炼高速钢比较有如下优点：
1) 由于可获得细小均匀的结晶组织（碳化物品粒2-51µm），从而完全避免了碳化物的偏析，提高了钢的硬度与强度，能达到硬度69.5-70HRC，抗弯强度σbb 2.73~3.43GPa。
2)由于物理力学性能各向同性，可减少热处理变形与应力，因此可用于制造精密刀具。
3)由于钢中的碳化物细小均匀，使磨削加工性得到显著改善，含钒量量多者，改善程度就更显著。这一独特的优点，使得粉末冶金高速钢能用于制造新型的、增加合金元素的、加人大量碳化物的超硬高速钢，而不降低其刃磨工艺性。这是熔炼高速钢无法比拟的。
4)粉末冶金高速钢提高了材料的利用率

粉末冶金高速钢目前应用尚少的原因是成本较高。因此主要使用范围是制造成形复杂刀具，如精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀具等，以及加工高强度钢、镍基合金、钛钛合金等难加工材料用的刨刀、钻头、铣刀等刀具。

■涂层高速钢

高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉积(PVD)方法，在适当的高真空度与温度环境下进行气化的钛离子与氮反应，在阳极刀具表面上生成TiN。其厚度由气相沉积的时间决定，一般为2-8µm，对刀具的尺寸精度影响不大。

新的镀膜设备使用纳米真空复合离子镀膜工艺，控制在500℃环境下进行。一般刀具涂覆TiN硬膜，厚度约2µm。涂层表面结合牢固，呈金黄色，硬度可高达2200HV，有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数较低。

涂层高速钢刀具的切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量、刀具寿命显著提高。即使刀具重磨后其性能仍优于普通高速钢。适合在钻头、丝锥、成形铣刀、切齿刀具上广泛应用。

除TiN涂层外，新的涂层工艺镀膜功能较多，典型的有:TiN、TiC、TiCN、TiALN、AL-TiN、TiALCN、DLC (diamond-like coating金刚石类涂层)、CBC (carbon-based coating硬质合金基类涂层)。

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