漫谈刀具材料中的高速钢

当美国机械工程师泰勒(F·WTaylor)和冶金工程师怀特(M·White)发明它时，人们普遍用来切削的刀具是合金工具钢。 1900年由美国匹兹堡伯利恒钢铁公司生产的W18Cr4V(即ㄙ18，又称T1，18-4-1，现国际标准代号为18-0-1)高速钢在巴黎博览会上的公开演示，成为高速钢发展史上第一个无可置疑的里程碑。十年后的1910年，一位英国人这样写道：“在1900年巴黎博览会上，一些工程师看到了一部高速运转的车床，上面装有一个工具，正用它尖头的炽热消除一个暗蓝色碎片，工程师们意识到他们亲眼见证了工具钢和机床方面的一个革命的开始。”

　　高速钢的发明使切削中碳钢的速度由提高到大约30m/min。拿一个直径65mm，长度1000mm的45钢工件来说，原来的加工时间需要100分钟，而应用高速钢只需要约25分钟。因此，人们对它的速度惊叹不已，称其为“高速钢”。W18Cr4V作为一个经典的高速钢牌号，一直延续使用至今。只是由于钨资源的缺乏，以及高钨高速钢在热成形工艺性方面的一些不足，在近20年里，它的统治地位才逐渐被W6Mo5Cr4V2(即M2)所取代。

　　高速钢刀具材料主要由两种基本成分构成：一种是金属碳化物(碳化钨、碳化钼或碳化钒)，它赋予刀具较好的耐磨性；二是分布在周围的钢基体，它使刀具具有较好的韧性和吸收冲击、防止碎裂的能力。

　　碳化钨(WC)在大幅度提高高速钢的切削速度方面的贡献是决定性的，我个人的看法，是这一发现对于以后硬质合金的发明也具有奠基石的作用。如今我们大量使用的钨基硬质合金，其主要的硬质相(对刀具硬度、耐磨性其决定作用的成分)依然是碳化钨。

　　高速钢后来有被称为“风钢”。我在30年前进入上海工具厂时，绝大多数的工人师傅都是这么称呼高速钢的。在学习有关热处理的知识时，老师告诉我，其它许多钢材在进行淬火时，当材料被加热到完全奥氏体的相变温度以后，必须放入水或其它介质中急速冷却以得到坚硬的“马氏体”组织，如果冷却速度慢了(例如在空气中冷却)，就会变成较软的珠光体、渗碳体等组织，硬度就会比较低；而高速钢在加热到“奥氏体”组织后即使在空气中冷却，也会得到“马氏体”组织，即高速钢能够在“风”中淬硬，它“风钢”的名称由此而来。

　　实践发现高速钢的晶粒大小对高速钢的性能产生着巨大的影响。在网站上曾经发过一份资料，是《W18Cr4V钢奥氏体晶粒度参考图》，其中号码数字较大的高速钢(如11号)比号码数字较小的(如8.5号)的性能优越许多。有资料称，制备普通高速钢时，是将熔化的钢水从钢水包中注入铸模，使其缓慢冷却凝固。此时，金属碳化物从溶液中析出，并形成较大的团块。高速钢中添加的合金含量越多，碳化物团块就越大。达到某一临界点时，可形成尺寸极大的碳化物团块(直径可达40μm)。出现大的碳化物团块的临界点根据钢锭的尺寸以及其它因素而略有不同，但一般是在碳化钒含量达到约4%时发生。通过对钢锭进行锻造、轧制等后续加工，可以粉碎其中一部分碳化物团块，但不可能将其完全消除。虽然增加钢材中金属碳化物颗粒的数量可以改善材料的耐磨性，但随着合金含量的增加，碳化物的尺寸及团块数量也会随之增加，这对于钢材的韧性会产生极其不利的影响，因为大的碳化物团快可能成为产生裂纹的起始点。因此，国外很早就开展研究，追求高速钢的细晶粒化。