高速钢刀具

100年前，美国机械工程师泰勒(F.W Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)在经过广泛而系统的切削试验之后，确立了切削用高速钢的最佳成分W18Cr4V(C 0.75%，W 18%，Cr 4.0%，V 1.0%)，当时切削中碳钢速度为30m/min，比之前提高了十几倍。这一成果带来了机械加工的划时代革命，也因此使得刀具材料在进入19世纪后呈现出异乎寻常的发展速度，创造了前所未有的辉煌。100年来，尽管不断出现各种新的刀具材料，但高速钢依然没有被历史所淘汰，一直沿用并发展至今，甚至曾长期 占据霸主地位。

刀具材料的发展因其对切削技术、机械加工的直接影响，从而间接地影响了人类经济社会的发展，而刀具材料史上最具里程碑意义的事件莫过于高速钢的成功研制。

更多的人愿意用1900年巴黎博览会上高速钢刀具的公开演示作为“高速钢元年”，不仅因为这个时间的简单易记，或许更因为高速钢刀具当年所引起的轰动效应；有人则愿意记录泰勒和怀特研制成功高速钢的1898年，因为那是一个从无到有的突破；另有一些文献记录则强调1906年，那一年泰勒和怀特确立了真正影响后世百年的W18Cr4V。哪一年对今天的我们而言，或许已不再那么重要，重要的是高速钢乃至其他刀具材料的发展到底将去向何方？

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。”

巴黎的这件展览品是匹兹堡伯利恒钢铁公司的产品，它正是泰勒和怀特所进行的试验的刀具材料，是由制造时经过一种热处理的铬钨钢制成的，其车削速度比碳钢高出十几倍。尽管刀具由于与工件磨擦生热而呈暗红色，但却锋利不减，削铁如泥，观众无不瞠目结舌。此后，这种钢就获得了“高速钢(high-speed steel)”的美名。

人们开始认识到这种钢的优点，并设计可以利用这种钢的有效刀具——车刀、刨刀、钻头、铣刀等等。一场革命开始了。最初高速钢只用于粗切，但是随着不断的改进，各种刀具都纷纷变成了高速钢材料。人们逐渐发现高速钢具有高硬度、高耐磨性和高耐热性等特点，有较好的工艺性能，强度和韧性配合好，而且具有很好的红硬性。于是，高速钢成为了刀具材料市场上几十年的“霸主”。

在随后的时间里，随着被加工材料的不断变化以及生产加工的需要，人们不断改变高速钢的成分，先后出现了钴高速钢、高钼高速钢M1、钨钼高速钢M2、高碳高钒高速钢(超高速钢)、加硫易切削高速钢、超硬高速钢M40系列；直至1965年，美国Crucible Steels公司发明了粉末冶金高速钢，之后由瑞典Stora厂于1970年投入生产。

高速钢常用于钻头、丝锥、锯条以及滚刀、插齿刀、拉刀等精密刀具，尤适用于制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具。

高速钢刀具100年来的发展大致可以分为两半，前半个世纪是高速钢刀具的辉煌，高速钢被用来制造几乎所有品种的刀具以实现各种切削加工。但随着各种被加工材料机械性能的不断提高，高速钢逐渐难以招架。

1923年，硬质合金的出现使得切削速度提高到每分钟一百多米至几百米，而且其硬度更高，可以切削高速钢所加工不了的材料，但由于硬质合金脆性较大，可加工性又差，因此只能在部分加工范围内代替高速钢，在很长一段时间内并没有撼动高速钢的霸主地位。

但后来，硬质合金的性能不断提高，发展了许多新品种，逐渐蚕食着高速钢刀具的市场份额。

随后又出现了陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等更为先进的刀具材料，它们的硬度和耐磨性又超过了硬质合金。尽管它们由于脆性大、价格昂贵等原因难以占据较大的市场份额，但这对高速钢刀具而言，尤其是近三四十年以来，无疑使其下滑萎缩十分明显，硬质合金刀具至今已经替代了很大一部分高速钢刀具。于是，逐渐形成了以硬质合金刀具和高速钢刀具为主体的行业架构。

如今，高速钢刀具的确是风光不再了。根据有关统计，硬质合金刀具已占世界刀具消费总额的55%，高速钢刀具为40%，超硬刀具为5%。近20年高速钢刀具产值每年递减1.25%，而硬质合金刀具则每年递升1.1%。

另一方面，高速钢材料中的一些主要元素如钨的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40～60年，因此高速钢本身也面临严峻的发展危机。

国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔十年几乎提高一倍。”在这100年中，不断有新的材料出 现，原有的材料也不断改进。

尽管高速钢刀具在全世界的销售额不断减少，但是高性能的钴高速钢和粉末冶金高速钢的使用量却在不断增加，主要用于钛合金等难加工材料的切削。它们比普通的高速钢有更好的耐磨性、红硬性和使用的可靠性，尤其是粉末冶金高速钢的性能更好，甚至在综合评价中优于硬质合金刀具。

粉末冶金工艺可在高速钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或耐磨性，从而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削冲击、适合高切除率加工和断续切削加工的刀具，大有逐渐取代脆性较大、在切削冲击下易发生碎裂的整体硬质合金刀具的趋势。

近几年，用高性能高速钢制造的刀具已扩大应用到一般的加工中，成为国外高速钢刀具的常规产品。世界粉末冶金高速钢在刀具上的应用及各类刀具占的百分比已达到齿轮刀具占70%，拉刀占30%，立铣刀占20%，钻头占1%，这有助于维持高速钢刀具的应用领域。

尽管世界范围来讲，已全面进入硬质合金刀具时代，但就国内而言，高速钢刀具依然占有相当强势的份额。不过，我国高速钢刀具仍旧主要是普通高速钢，高速钢的品级有待提升。

由于矿藏资源日益枯竭以及其他刀具材料的不断侵蚀，高速钢刀具是否真能在历史舞台上继续活跃100年，实难可知，但显而易见的是，它肯定会在较长时间内继续存在并继续发挥重要的作用。国内频频有声讨普通高速钢生产的声音，甚至大有打杀围堵的意味，一位行业专家则坚称，“国内普通高速钢的市场需求依然旺盛(尽管这并不符合世界刀具发展的主流)，有需求生产企业自然乐意供应，我们更应该做的恐怕是引导而不是围堵，引导企业提升高速钢刀具的品级，减少大量低附加值产品的生产。

高速钢刀具一般不做抗拉强度检验，而以金相、硬度检验为主。

钨系和钼系高速钢经正确的热处理后，洛氏硬度能达到63以上，钴系高速钢在65以上。钢材的酸浸低倍组织不得有肉眼可见的缩孔 、翻皮。中心疏松，一般疏松应小于1级。

金相检验的内容主要包括脱碳层、显微组织和碳化物不均匀度3个项目。

1.高速钢不应有明显的脱碳。显微组织不得有鱼骨状共晶莱氏体存在。

2.高速钢中碳化物不均匀度对质量影响最大，冶金和机械部门对碳化物不均匀度的级别 十分重视。根据钢的不同用途可对碳化物不均匀度提出不同的级别要求，通常情况下应小于3级。

3.用高速钢制造切削工具，除因其具有高硬度、高耐磨性和足够的韧性之外，还有一个重要因素是具有红硬性。（红硬性是指刀具在高速切削时，刀刃在红热状态下抵抗软化的能力。）

一种衡量红硬性的方法是先把钢加热至580～650℃，保温1小时,然后冷却,这样反复4次后测量其硬度值。高速钢的淬火温度一般均接近钢的熔点，如钨系高速钢为1210～1240℃，高钼系高速钢为1180～1210℃。淬火后一般需在 540～560℃之间回火3次。提高淬火温度可以增加钢的红硬性。为了提高高速钢刀具的使用寿命，可对其表面进行强化处理，如低温氰化、氮化、硫氮共渗等。

由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以，越是坚韧的刀具越能被广泛应用，高速钢刀具完全符合这一特点。

对拉刀、滚刀、铰刀、铣刀等复杂高速钢刀具，在低温条件下，进行碳、氮、硫、硼、氧等多元素共渗，使刀具的耐用度平均提高2 倍～5倍。这是因为这些元素渗入刀具表层后，使刃具表层的化学成分发生了变化，在切削过程中起到了减小摩擦和自润滑作用，从而降低了切削力和切削热，提高了刀具耐用度，降低了生产成本。

此工艺简单，工作温度低，是一种提高复杂高速钢刀具耐用度的有效措施。

近年来，中国的刀具消耗连续位居世界首位。在发展低碳经济的需求下，减少和控制刀具磨损，是延长刀具寿命、节约制造成本的有效手段之一。生物为了适应环境和满足生存需要，经过亿万年的进化，在自然法则下优化出具有极其优异功能的生物体表面。本项目根据仿生学原理，提出一种刀具表面结构仿生的新构想，研制一种基于激光强化的高速钢刀具结构仿生表面。本项目以高速钢刀具为研究对象，以提高刀具表面的耐磨性为研究目标，通过将激光强化和刀具表面结构仿生相结合的手段，共同提高刀具的耐磨性。研究内容包括：探索刀具结构仿生表面的设计方法，研究激光强化仿生结构单元的加工方法，分析结构仿生表面的摩擦学特性，研究激光强化仿生刀具的切削性能。开展本项目研究，将解决激光强化高速钢仿生刀具在设计与加工中的各项关键技术，提供提高刀具表面耐磨性的新途径，建立切削刀具表面结构仿生的基本原理和方法。

《中华人民共和国国家标准:硬质涂层高速钢刀具 技术条件(GB/T 25671-2010)》由中国标准出版社出版。

中国是切削刀具的消耗大国，如果能够合理设计刀具结构，则可以减少刀具磨损，提高刀具性能，延长刀具寿命。本项目应用仿生学原理，开展切削刀具的结构设计工作，在高速钢刀具的后刀面设计出提高耐磨性能的微凹坑以及网纹等仿生结构表面，在高速钢和硬质合金刀具的前刀面设计出具有良好断屑性能的激光熔覆断屑台，设计出易于再制造的组合式电镀金刚石砂轮。研究了结构仿生表面的摩擦磨损性能，分析仿生单元特征对表面磨损的影响，建立了结构仿生表面的磨损量数学模型，对仿生单元的形态参数进行了优化设计。探索了高速钢刀具材料粉末熔覆仿生强化表面的制造方法，分析高速钢粉末熔覆仿生强化表面的组织结构与磨损性能。针对金属和氟金云母玻璃陶瓷材料，研究了高速钢刀具结构仿生表面的磨损特性。设计并制造了高速钢刀具表面激光粉末熔覆断屑台，研究了高速钢表面激光粉末熔覆刀具的切削过程与断屑效果。通过本项目的研究工作，设计并制造出高速钢刀具的表面仿生结构，可以改善高速钢刀具的表面耐磨性，提供了一种刀具表面仿生设计的新方法。基于仿生原理设计出便于拆卸的组合式砂轮基体，实现了电镀金刚石砂轮的绿色再制造，提供一种新的可回收金刚石砂轮设计方案，为报废金刚石工具的回收和再制造提供了新思路。设计并制造出一种高速钢刀具表面激光粉末熔覆断屑台，有效实现了切削过程的断屑，可以应用于高速钢刀具以及硬质合金刀具。 2100433B