本文介紹刀具材料高速鋼。
（本篇選自《機械加工特色操作及實用案例》第三章第一節(jié) 刀具材料及其合理選用）

       二、 高速鋼
       高速鋼是一種含鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素較多的工具鋼。其碳的質(zhì)量分數(shù)為0.7%~1.5%，鉻的質(zhì)量分數(shù)約為4%，鎢的質(zhì)量分數(shù)和鉬的質(zhì)量分數(shù)為10%~20%，釩的質(zhì)量分數(shù)為1%~5%。由于合金元素與碳化合形成較多的高硬度碳化物（如碳化釩，硬度高達2800HV，且晶粒細小，分布均勻），而且合金元素和碳原子結(jié)合力很強，提高了馬氏體受熱時的穩(wěn)定性，使鋼在550℃~600℃時仍能保持高硬度，從而使切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼成倍提高，故得名“高速鋼”。鉻在鋼中提高了淬透性，使小型刀具在空氣中冷卻就能淬硬，且能刃磨得鋒利，故高速鋼又有“風鋼”或“鋒鋼”之稱。
       高速鋼有較好的力學性能，可以承受較大的切削力和沖擊，有良好的工藝性，特別適合于制造各種小型及結(jié)構(gòu)和形狀復雜的刀具，如成形車刀、各種銑刀、鉆頭、拉刀、齒輪刀具和螺紋刀具等。目前，高速鋼的品種繁多，按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼；按化學成分可分為鎢系高速鋼和鉬系高速鋼。
       （一）普通高速鋼
       1. 鎢系高速鋼
       這種鋼的典型代表是W18Cr4V（簡稱W18）是我國最常用的一種高速鋼。由于含釩量較少，磨削性能好，其刃口容易磨得鋒利平直，綜合性能好，通用性強。常溫硬度可達63~66HRC，在600℃高溫時能保持的硬度為48.5HRC左右。特別是熱處理工藝性好，淬火時，過熱傾向小，抵抗塑性變形能力強?？捎糜诰庸さ膹碗s刀具，如螺紋車刀，成形車刀、寬刃精刨刀、拉刀、齒輪刀具等。W18鋼的缺點是碳化物分布常不均勻，剩余碳化物顆粒較大，如鍛造不均，則會影響薄刃刀具的壽命，制造較大截面刀具時，強度顯得不夠 （抗彎強度僅為2~2.3GPa），只有在制造小截面刀具時，才能獲得滿意的強度（3~3.4GPa）。此外，W18鋼熱塑性較差，不適合作熱軋刀具。由于上述缺點和國際市場上鎢價的提高，W18鋼逐漸被新鋼種代替。
       W14Cr4VMn是我國生產(chǎn)的加入少量錳和稀土元素錸（Re）的另一種鎢系高速鋼，含鎢量的減少和稀有元素錸（Re）的加入，改善了碳化物分布狀況，并增大了熱塑性。這種鋼鍛造和軋制工藝性好，強度稍高于W18鋼，切削性能大體與我8鋼相當，磨削加工性能良好，熱處理溫度范圍較寬，過熱和脫碳敏感性較小，最適合制作熱軋刀具（如麻花鉆頭）。
       2. 鎢鉬系高速鋼
       W6Mo3Cr4V2（簡稱M2）是我國常用的典型鎢鉬系高速鋼種。用1%的鉬可代替2%的鎢。鉬的加入使鋼中合金元素減少，從而減小了碳化物數(shù)量及其分布的不均勻性，細化了晶粒，與W18鋼相比,M2鋼抗彎強度提高約17%，沖擊韌度提高約40%以上。而且大截面刀具也具有同樣的強度和韌性，可用于制造截面較大的刀具，或承受較大沖擊力的刀具（如插齒刀） 以及結(jié)構(gòu)較薄弱的刀具（如麻花鉆、絲錐等）。M2鋼的熱塑性很好，磨削加工性也好，特別適用于制造軋制或扭制鉆頭等熱成形刀具，是目前各國使用較多的一種高速鋼。M2鋼的缺點是熱硬性和高溫硬度略低于W18鋼，故高溫切削性能稍遜。此外，熱處理時脫碳傾向大，較易氧化，淬火溫度范圍較窄。
       W9Mo3Cr4V（簡稱W9）是一種含鎢量較多、含鉬量較少的鎢鉬系高速鋼?；锊痪鶆蛐越橛冢?8和Ｍ2之間，但抗彎強度和沖擊韌度高于Ｍ2，具有較好的硬度和韌性。其熱塑性也很好，熱處理時脫碳傾向性比Ｍ２小。由于含釩量少，其磨削加工性也比Ｍ2好，可用于制造各種刀具（鋸條、鉆頭、拉刀、銑刀、齒輪刀具等）。加工各種鋼材時，刀具壽命比Ｗ18和Ｍ2有一定的提高，其切削性能等于或略高于日本的SKH9(W6Mo5Cr4V2）鋼。
       （二 ) 高性能高速鋼
       高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，調(diào)整其基本化學成分和添加一些合金元素（如釩、鈷、鉛、硅、鈮等）的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的，它主要用來加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金和超高強度鋼等難加工材料。
       1. 高碳高速鋼
       我國生產(chǎn)的高碳高速鋼牌號有9W18Cr4V（簡稱9W18）和9W6Mo5Cr4V2（簡稱CM2），其碳的質(zhì)量分數(shù)從普通高速鋼的0.7%~0.8%增加到0.9%~1.0%，使常溫硬度提高到66~68HRC，600℃時高溫硬度提高到51~52HRC，適用于耐磨性要求高的鉸刀、锪鉆，絲錐以及加工較硬材料（220~250HBS）的刀具，壽命一般可提高0.5~0.8倍，也可用于切削不銹鋼。奧氏體材料及鈦合金，這時，耐磨性比普通高速鋼高2~3倍，但鋼中含碳量的增高使淬火殘余奧氏體增多，需增加回火次數(shù)，同時降低了韌性，不能承受大的沖擊。
       2. 鋁高速鋼
       鋁高速鋼W6Mo5Cr4V2A1（簡稱501）和W10Mo4Cr4V3A1（簡稱5F6）是我國獨創(chuàng)的新鋼種，這種鋼常溫硬度為67~69HRC，600℃高溫時硬度為54~55HRC，切削性能相當于鈷高速鋼Ｍ42，刀具壽命比W18Cr4V顯著提高（至少１~２倍），而價格卻相差不多。用這種鋼做的齒輪滾刀允許≤1.67m/s的切削速度，但由于含釩量較多，其磨削加工性較差，且過熱敏感性強，氧化脫碳傾向較大，使用時要嚴格掌握熱處理工藝。
       3. 鈷高速鋼
       高速鋼中加入鈷可提高鋼的熱穩(wěn)定性，進回火時碳化物的析出，增加彌散硬化效果，提高回火硬度，從而提高常溫和高溫硬度及抗氧化能力。由于鈷的熱導率較高，加入鈷可以改善高速鋼的導熱性，并降低摩擦因數(shù)，從而提高切削速度。如美國的M40系列中的M42（W2Mo9Cr4VCo8），其常溫硬度達67~70HRC，600℃高溫硬度達54~55HRC，其優(yōu)越性只有在高溫切削時才能顯示出來，故適于做加工高溫合金、鈦合金、奧氏體耐熱鋼及其他難加工材料的高速鋼刀具，其鈷高速鋼牌號有W10Mo4Cr4V3Co10、W12Mo3Cr4V2Co8，W9Cr4V2Co10等，M42含釩量少，磨削加工性好，切削刃可磨得鋒利，特別適于制造精加工刀具，但鈷高速鋼碳化物不均勻性增加，加熱時脫碳傾向增大，強度和韌性降低，不宜做薄刃刀具或在較大沖擊條件下切削。由于我國鈷資源有限，目前生產(chǎn)和使用不多。
       4. 高釩高速鋼
       高釩高速鋼的質(zhì)量分數(shù)在3%~5%由于形成大量高硬度耐磨的碳化釩彌散在鋼中，提高了高速鋼的耐磨性，且能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性，這種高速鋼適于加工對刀具磨損嚴重的材料，如硬橡膠、塑料等。對低速薄切屑精加工刀具，如拉刀、鉸刀、絲錐等，高釩高速鋼具有較長的壽命，其主要缺點是磨削加工性差，采用粒度60中軟的鐠釹剛玉砂輪刃磨時，磨削比均小于1，即砂輪的消耗量比磨去的刀具材料要多，常用牌號有W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo等，此外，我國研制的高性能新鋼種還有含氮高速鋼和含硅鈮鋁高速鋼等，如W12Mo3Cr4V3N，其硬度、強度和韌性與M42基本相同，是使用效果較好的含氮高速鋼。主要用于高強度結(jié)構(gòu)鋼（30~52HRC）的切削加工，含硅鈮鋁高速鋼的牌號有W6Mo5Cr4V5SiNbAl（簡稱B201）、W18Cr4V4SiNbA1（簡稱B212）等，鋼中的硅和鋁提高了鋼的硬度和熱穩(wěn)定性，鈮可提高耐磨性和韌性，主要用于切削難加工材料，但這類高速鋼由于含釩量較高，磨削加工性很差，此外，用W12Mo3Cr4V3Co5Si加工高強度鋼時，效果良好。
       ( 三 ) 粉末冶金高速鋼
       粉末冶金高速鋼是20世紀70年代開發(fā)的新型刀具材料，其工藝方法是用高壓惰性氣體(氬氣或氮氣)或高壓水霧化高速鋼水得到細小的高速鋼粉末，再經(jīng)熱壓制成刀具毛坯，粉末冶金高速鋼與熔煉高速鋼相比有以下優(yōu)點:
       1. 能解決碳化物偏析
       普通熔煉高速鋼在鑄錠時會產(chǎn)生粗大碳化物共晶偏析，碳化物晶粒尺寸大到20~80μm，而粉末冶金高速鋼碳化物晶粒為2~5μm，且無碳化物偏析，從而提高了鋼的強度、韌性和硬度，其硬度可達69~70HRC，這一特點，使粉末冶金高速鋼適合制造在強力斷續(xù)切削時容易產(chǎn)生崩刃或要求刀尖鋒利且強度和韌性高的刀具，如插齒刀、立銑刀等。特別適合制造大尺寸刀具，其壽命可比普通高速鋼提高2~3倍，因為大尺寸普通高速鋼刀具很難把共晶偏析產(chǎn)生的粗大碳比物晶粒鍛造均勻。
       2. 能保證各向同性
由于粉末冶金的工藝特點，保證了粉末冶金高速鋼的各向同性，從而減小了熱處理內(nèi)應(yīng)力和變形，適合制造各種精密和復雜刀具。
       3. 磨削加工性好
釩的質(zhì)量分數(shù)5%的粉末冶金高速鋼的磨削加工性相當于釩的質(zhì)量分數(shù)為2%的普通高速鋼，磨削效率比熔煉高速鋼高2~3倍，表面粗糙度值顯著減小。
       4. 能制造超硬高速鋼
粉末冶金高速鋼新工藝，為在現(xiàn)有高速鋼中加入高碳化物（TiC和NbC）和制造超硬高速鋼新材料提供了可能性。
       5. 能節(jié)約鋼材和工時
       用粉末冶金直接壓制刀坯時，大大減小加工余量、節(jié)約鋼材和工時，我國生產(chǎn)的粉末冶金高速鋼有:鋼鐵研究總院生產(chǎn)的FT15（化學成分為W12Cr4V5Co5）和FR71（W10Mo5Cr4V2Co12），硬度分別為68HRC和70HRC，兩者都有高溫硬度高、耐磨等優(yōu)點，適于重負荷切削難加工材料。上海材料研究所研制的PT1（相當于W18Cr4V）和PVN（W12Mo3Cr4V3N），PVN硬度為67~69HRC，磨削加工性好，切削性能優(yōu)于鋁高速鋼。