高速鋼刀具概況

由于機械制造中使用的刀具基本上都用于切削金屬材料，所以，越是堅韌的刀具越能被廣泛應用，高速鋼刀具完全符合這一特點。

100年前，美國機械工程師泰勒(F.W Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)在經(jīng)過廣泛而系統(tǒng)的切削試驗之后，確立了切削用高速鋼的最佳成分W18Cr4V(C 0.75%，W 18%，Cr 4.0%，V 1.0%)，當時切削中碳鋼速度為30m/min，比之前提高了十幾倍。這一成果帶來了機械加工的劃時代革命，也因此使得刀具材料在進入19世紀后呈現(xiàn)出異乎尋常的發(fā)展速度，創(chuàng)造了前所未有的輝煌。100年來，盡管不斷出現(xiàn)各種新的刀具材料，但高速鋼依然沒有被歷史所淘汰，一直沿用并發(fā)展至今，甚至曾長期 占據(jù)霸主地位。

刀具材料的發(fā)展因其對切削技術、機械加工的直接影響，從而間接地影響了人類經(jīng)濟社會的發(fā)展，而刀具材料史上最具里程碑意義的事件莫過于高速鋼的成功研制。

更多的人愿意用1900年巴黎博覽會上高速鋼刀具的公開演示作為“高速鋼元年”，不僅因為這個時間的簡單易記，或許更因為高速鋼刀具當年所引起的轟動效應；有人則愿意記錄泰勒和懷特研制成功高速鋼的1898年，因為那是一個從無到有的突破；另有一些文獻記錄則強調(diào)1906年，那一年泰勒和懷特確立了真正影響后世百年的W18Cr4V。哪一年對今天的我們而言，或許已不再那么重要，重要的是高速鋼乃至其他刀具材料的發(fā)展到底將去向何方？

1910年，一位英國人這樣寫道：“在1900年巴黎博覽會上，一些工程師看到了一部高速運轉的車床，上面裝有一個工具，正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色 碎片，工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方面的一個革命的開始?！?

巴黎的這件展覽品是匹茲堡伯利恒鋼鐵公司的產(chǎn)品，它正是泰勒和懷特所進行的試驗的刀具材料，是由制造時經(jīng)過一種熱處理的鉻鎢鋼制成的，其車削速度比碳鋼高出十幾倍。盡管刀具由于與工件磨擦生熱而呈暗紅色，但卻鋒利不減，削鐵如泥，觀眾無不瞠目結舌。此后，這種鋼就獲得了“高速鋼(high-speed steel)”的美名。

人們開始認識到這種鋼的優(yōu)點，并設計可以利用這種鋼的有效刀具——車刀、刨刀、鉆頭、銑刀等等。一場革命開始了。最初高速鋼只用于粗切，但是隨著不斷的改進，各種刀具都紛紛變成了高速鋼材料。人們逐漸發(fā)現(xiàn)高速鋼具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性等特點，有較好的工藝性能，強度和韌性配合好，而且具有很好的紅硬性。于是，高速鋼成為了刀具材料市場上幾十年的“霸主”。

在隨后的時間里，隨著被加工材料的不斷變化以及生產(chǎn)加工的需要，人們不斷改變高速鋼的成分，先后出現(xiàn)了鈷高速鋼、高鉬高速鋼M1、鎢鉬高速鋼M2、高碳高釩高速鋼(超高速鋼)、加硫易切削高速鋼、超硬高速鋼M40系列；直至1965年，美國Crucible Steels公司發(fā)明了粉末冶金高速鋼，之后由瑞典Stora廠于1970年投入生產(chǎn)。

高速鋼常用于鉆頭、絲錐、鋸條以及滾刀、插齒刀、拉刀等精密刀具，尤適用于制造復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具。

高速鋼刀具100年來的發(fā)展大致可以分為兩半，前半個世紀是高速鋼刀具的輝煌，高速鋼被用來制造幾乎所有品種的刀具以實現(xiàn)各種切削加工。但隨著各種被加工材料機械性能的不斷提高，高速鋼逐漸難以招架。

1923年，硬質(zhì)合金的出現(xiàn)使得切削速度提高到每分鐘一百多米至幾百米，而且其硬度更高，可以切削高速鋼所加工不了的材料，但由于硬質(zhì)合金脆性較大，可加工性又差，因此只能在部分加工范圍內(nèi)代替高速鋼，在很長一段時間內(nèi)并沒有撼動高速鋼的霸主地位。

但后來，硬質(zhì)合金的性能不斷提高，發(fā)展了許多新品種，逐漸蠶食著高速鋼刀具的市場份額。

隨后又出現(xiàn)了陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石等更為先進的刀具材料，它們的硬度和耐磨性又超過了硬質(zhì)合金。盡管它們由于脆性大、價格昂貴等原因難以占據(jù)較大的市場份額，但這對高速鋼刀具而言，尤其是近三四十年以來，無疑使其下滑萎縮十分明顯，硬質(zhì)合金刀具至今已經(jīng)替代了很大一部分高速鋼刀具。于是，逐漸形成了以硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具為主體的行業(yè)架構。

如今，高速鋼刀具的確是風光不再了。根據(jù)有關統(tǒng)計，硬質(zhì)合金刀具已占世界刀具消費總額的55%，高速鋼刀具為40%，超硬刀具為5%。近20年高速鋼刀具產(chǎn)值每年遞減1.25%，而硬質(zhì)合金刀具則每年遞升1.1%。

另一方面，高速鋼材料中的一些主要元素如鎢的儲藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計其儲量只夠再開采使用40～60年，因此高速鋼本身也面臨嚴峻的發(fā)展危機。

國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進，允許的切削速度每隔十年幾乎提高一倍?！痹谶@100年中，不斷有新的材料出 現(xiàn)，原有的材料也不斷改進。

盡管高速鋼刀具在全世界的銷售額不斷減少，但是高性能的鈷高速鋼和粉末冶金高速鋼的使用量卻在不斷增加，主要用于鈦合金等難加工材料的切削。它們比普通的高速鋼有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性，尤其是粉末冶金高速鋼的性能更好，甚至在綜合評價中優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具。

粉末冶金工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或耐磨性，從而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削沖擊、適合高切除率加工和斷續(xù)切削加工的刀具，大有逐漸取代脆性較大、在切削沖擊下易發(fā)生碎裂的整體硬質(zhì)合金刀具的趨勢。

近幾年，用高性能高速鋼制造的刀具已擴大應用到一般的加工中，成為國外高速鋼刀具的常規(guī)產(chǎn)品。世界粉末冶金高速鋼在刀具上的應用及各類刀具占的百分比已達到齒輪刀具占70%，拉刀占30%，立銑刀占20%，鉆頭占1%，這有助于維持高速鋼刀具的應用領域。

盡管世界范圍來講，已全面進入硬質(zhì)合金刀具時代，但就國內(nèi)而言，高速鋼刀具依然占有相當強勢的份額。不過，我國高速鋼刀具仍舊主要是普通高速鋼，高速鋼的品級有待提升。

由于礦藏資源日益枯竭以及其他刀具材料的不斷侵蝕，高速鋼刀具是否真能在歷史舞臺上繼續(xù)活躍100年，實難可知，但顯而易見的是，它肯定會在較長時間內(nèi)繼續(xù)存在并繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。國內(nèi)頻頻有聲討普通高速鋼生產(chǎn)的聲音，甚至大有打殺圍堵的意味，一位行業(yè)專家則堅稱，“國內(nèi)普通高速鋼的市場需求依然旺盛(盡管這并不符合世界刀具發(fā)展的主流)，有需求生產(chǎn)企業(yè)自然樂意供應，我們更應該做的恐怕是引導而不是圍堵，引導企業(yè)提升高速鋼刀具的品級，減少大量低附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。

對拉刀、滾刀、鉸刀、銑刀等復雜高速鋼刀具，在低溫條件下，進行碳、氮、硫、硼、氧等多元素共滲，使刀具的耐用度平均提高2 倍～5倍。這是因為這些元素滲入刀具表層后，使刃具表層的化學成分發(fā)生了變化，在切削過程中起到了減小摩擦和自潤滑作用，從而降低了切削力和切削熱，提高了刀具耐用度，降低了生產(chǎn)成本。

此工藝簡單，工作溫度低，是一種提高復雜高速鋼刀具耐用度的有效措施。

高速鋼刀具一般不做抗拉強度檢驗，而以金相、硬度檢驗為主。

鎢系和鉬系高速鋼經(jīng)正確的熱處理后，洛氏硬度能達到63以上，鈷系高速鋼在65以上。鋼材的酸浸低倍組織不得有肉眼可見的縮孔 、翻皮。中心疏松，一般疏松應小于1級。

金相檢驗的內(nèi)容主要包括脫碳層、顯微組織和碳化物不均勻度3個項目。

1.高速鋼不應有明顯的脫碳。顯微組織不得有魚骨狀共晶萊氏體存在。

2.高速鋼中碳化物不均勻度對質(zhì)量影響最大，冶金和機械部門對碳化物不均勻度的級別 十分重視。根據(jù)鋼的不同用途可對碳化物不均勻度提出不同的級別要求，通常情況下應小于3級。

3.用高速鋼制造切削工具，除因其具有高硬度、高耐磨性和足夠的韌性之外，還有一個重要因素是具有紅硬性。（紅硬性是指刀具在高速切削時，刀刃在紅熱狀態(tài)下抵抗軟化的能力。）

一種衡量紅硬性的方法是先把鋼加熱至580～650℃，保溫1小時,然后冷卻,這樣反復4次后測量其硬度值。高速鋼的淬火溫度一般均接近鋼的熔點，如鎢系高速鋼為1210～1240℃，高鉬系高速鋼為1180～1210℃。淬火后一般需在 540～560℃之間回火3次。提高淬火溫度可以增加鋼的紅硬性。為了提高高速鋼刀具的使用壽命，可對其表面進行強化處理，如低溫氰化、氮化、硫氮共滲等。

近年來，中國的刀具消耗連續(xù)位居世界首位。在發(fā)展低碳經(jīng)濟的需求下，減少和控制刀具磨損，是延長刀具壽命、節(jié)約制造成本的有效手段之一。生物為了適應環(huán)境和滿足生存需要，經(jīng)過億萬年的進化，在自然法則下優(yōu)化出具有極其優(yōu)異功能的生物體表面。本項目根據(jù)仿生學原理，提出一種刀具表面結構仿生的新構想，研制一種基于激光強化的高速鋼刀具結構仿生表面。本項目以高速鋼刀具為研究對象，以提高刀具表面的耐磨性為研究目標，通過將激光強化和刀具表面結構仿生相結合的手段，共同提高刀具的耐磨性。研究內(nèi)容包括：探索刀具結構仿生表面的設計方法，研究激光強化仿生結構單元的加工方法，分析結構仿生表面的摩擦學特性，研究激光強化仿生刀具的切削性能。開展本項目研究，將解決激光強化高速鋼仿生刀具在設計與加工中的各項關鍵技術，提供提高刀具表面耐磨性的新途徑，建立切削刀具表面結構仿生的基本原理和方法。

《中華人民共和國國家標準:硬質(zhì)涂層高速鋼刀具 技術條件(GB/T 25671-2010)》由中國標準出版社出版。

中國是切削刀具的消耗大國，如果能夠合理設計刀具結構，則可以減少刀具磨損，提高刀具性能，延長刀具壽命。本項目應用仿生學原理，開展切削刀具的結構設計工作，在高速鋼刀具的后刀面設計出提高耐磨性能的微凹坑以及網(wǎng)紋等仿生結構表面，在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的前刀面設計出具有良好斷屑性能的激光熔覆斷屑臺，設計出易于再制造的組合式電鍍金剛石砂輪。研究了結構仿生表面的摩擦磨損性能，分析仿生單元特征對表面磨損的影響，建立了結構仿生表面的磨損量數(shù)學模型，對仿生單元的形態(tài)參數(shù)進行了優(yōu)化設計。探索了高速鋼刀具材料粉末熔覆仿生強化表面的制造方法，分析高速鋼粉末熔覆仿生強化表面的組織結構與磨損性能。針對金屬和氟金云母玻璃陶瓷材料，研究了高速鋼刀具結構仿生表面的磨損特性。設計并制造了高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺，研究了高速鋼表面激光粉末熔覆刀具的切削過程與斷屑效果。通過本項目的研究工作，設計并制造出高速鋼刀具的表面仿生結構，可以改善高速鋼刀具的表面耐磨性，提供了一種刀具表面仿生設計的新方法?；诜律碓O計出便于拆卸的組合式砂輪基體，實現(xiàn)了電鍍金剛石砂輪的綠色再制造，提供一種新的可回收金剛石砂輪設計方案，為報廢金剛石工具的回收和再制造提供了新思路。設計并制造出一種高速鋼刀具表面激光粉末熔覆斷屑臺，有效實現(xiàn)了切削過程的斷屑，可以應用于高速鋼刀具以及硬質(zhì)合金刀具。 2100433B