【導讀】及刀具設計的一般過程和步驟。化、熱處理、質量保證等。合理選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀。具使用性能的先決條件。根據具體的刀具品種，結合具體的加工對象來選擇合適。得最佳的切削效果。于硬質合金刀具材料和高速鋼刀具材料的論述，便于設計人員參考、選用。本文以車刀為代表，介紹了一般可轉位刀具的設計過程和設計原則。

　　

【正文】 高速鋼的特點是性能穩(wěn)定，可成形加工，韌性好，各類被加工材料均可以較低的速度、進給量、背吃刀量用高速鋼刀具加工，目前高速鋼材料 尚在各類刀具中使用，齒輪刀具與拉刀的材料仍以高速鋼為主。 高速鋼主要缺點是紅硬性低 ，耐磨性差，剛性不足，在現代高速、高效、高精度加工中而略嫌不足。故當前在數控車床、加工中心這類機床上很少看見應用它，但在齒輪加工機床上、拉床上高速鋼刀具仍占主流。某些優(yōu)質高速鋼滾刀由于能在較高進給速度下工作，每小時加工齒輪數可高于硬質合金滾刀。世界上一些大高速鋼公司仍在努力開發(fā)新合金成分的高速鋼，使其性能接近硬質合金，新型高速鋼甚至可用干式切削，竭力試圖把硬質合金占領的部分市場奪回來粉末高速鋼的主要工藝是將合金元素的預煉高速鋼用 感應爐熔化，用氣體噴霧造粒，噴后迅速固化成均勻固體顆粒，然后將顆粒裝入一大型可壓縮圓筒，對它進行熱等靜壓，形成了致密毛坯， 然后進行鍛造或軋制此法優(yōu)點是可熔入更多合金元素 ，并防止偏析，提高材料均勻性，制成又硬又韌的優(yōu)質粉末高速鋼。 [14] 20 世紀中葉以后，科學技術迅速發(fā)展，各種難加工材料不斷涌現，通用高速鋼的性能已不復使用， 于是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼相繼出現 ，使高速鋼刀具材料的性能得到了很大提高。因為高速鋼刀具的綜合性能好，可加工性優(yōu)于其他刀具材料，各種刀具都可用高速鋼制作，加上它的性能不斷提高，故至 今仍是用得最多的刀具材料之一 。 近年，全世界高速鋼年產量約為 16 萬 ~22 萬噸，中國高速鋼年產量已達 5萬 ~6 萬噸。 河冶科技公司和江蘇天工工具公司是國內生產高速鋼的大戶 ，他們占有全國高速鋼產量中的極大份額 。 與硬質合金相比，高速鋼最大的 特點 就是經過長時間的發(fā)展應用， 型號齊全，應用廣泛， 從被發(fā)明起到現在依然有著旺盛的生命力 。雖然現在硬質合金是研究發(fā)展的主流，但高速鋼這個大家族在其應用領域中依然不可代替。所以對它進行研究也是非常有現實意義的。 29 高速鋼刀具材料的分類 從上一章中的概述我們可以了解到 ,高速鋼刀具材 料大概可分為通用高性能高速鋼 ，粉末冶金高速鋼，低合金高速鋼，涂層高速鋼等幾大類。 高性能高速鋼 在通用型高速鋼的基礎上，通過調整基本化學成分并添加其他合金元素， 使其常溫與高溫力學性能得到顯著提高 ，便可得到 高性能高速鋼。 1) 高碳高速鋼 在 W18Cr4V 基礎上增加 %含碳量，形成 95W18Cr4V，根據化學平衡碳理論，可在淬火加熱時增加 高速鋼 奧氏體中的含碳量，加強回火時的彌散硬化作用， 從而提高了常溫和高溫硬度 。與 W18Cr4V 相比 95W18Cr4V 的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當。這個鋼 種的切削性能雖不及高鈷、釩高速鋼，但價格便宜，切削刃可以刃磨得很鋒利，故有應用價值。同樣，還有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速鋼 ,但這種高性能高速鋼用得不多。 2) 高鈷高速鋼 在高速鋼中加鈷，可以促進回火時從馬氏體中析出鎢、鉬碳化鎢，提高彌散硬化效果，并提高熱穩(wěn)定性，故能提高常溫、 高溫 硬度及耐磨性。增加鈷含量還可改善鋼的導熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數， M42 是美國在這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。瑞典的 HSP15 也是這一類的鋼種，但其含釩量為 3%，刃磨加工性不如 M42。鈷含量高、價格昂 貴，不適合中國國情。我國研制成功的低鈷含硅高速鋼 Co5Si，性能優(yōu)越，價格低于 M42 和 HSP15，但 Co5Si 含釩量亦達 3%，刃磨加工性亦較差，故不宜用其制造刃形復雜的刀具。 3) 高釩高速鋼 高釩高速鋼的釩含量為 3%～ 5%，同時加大含碳量，形成 VC 與 V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。高釩高速鋼的耐熱性也好，但高釩高速鋼的刃磨加工性差，導熱性也不好， 沖擊韌性較低 ，故不宜用于復雜刀具。在高釩高速鋼中也可加入適當的鈷，成為高釩含鈷高速鋼。我國研制的高釩含氮高速鋼 30 V3N，價格便宜，切削性能也好，惟刃磨較難。后來 又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4Co3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但價格高于 V3N。 4) 含鋁高速鋼 我國研制出無鈷、廉價的含鋁高性能高速鋼 501(M2Al)，其中鋁含量約為1%。鋁能夠提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，從而產生固溶強化，由于鋁化合物在鋼中能起 扎釘 作用，故鋼的常溫、 高溫硬度和耐磨性均得以提高 ，強度和韌性也都比較高，切削性能與 M42 相當。 501 的釩含量為 2%，刃磨性能稍遜于M42。含鋁高速鋼是中國的一個獨創(chuàng)。 501 在國內得到廣泛應用，在國外也得到應用。 20 世紀后期，中國在熔煉 高性能高速鋼的研制和應用方面已有很大進展，不僅仿制了國外的優(yōu)秀鋼種，如 M4 M35 等，還研制開發(fā)了具有中國特色的無鈷含鋁、少鈷含硅、 無鈷高釩含氮等高性能高速鋼種 ，性能很好。由于當時的客觀狀況，產量和應用都受到限制。近年，河冶和天工兩家公司大批量的生產各類高性能高速鋼，兩家的鋼號基本相同，為推廣應用高性能高速鋼刀具創(chuàng)造了有利條件。 粉末冶金高速鋼 近幾年來高速鋼的最大變革就是發(fā)展了粉末冶金高速鋼，它的能優(yōu)于熔煉高速鋼。 與普通高速鋼的冶煉相比， 粉末冶金高速鋼的冶煉更具有其特殊性和先進性 。普通高速鋼 通過電弧爐或感應熔煉爐熔煉后，直接將鋼液澆注成鋼錠，然后再通過鍛造、軋制加工成鋼材，但由于鋼液澆注冷凝成鋼錠時，凝固速度十分緩慢，從鋼液中析出大量的金屬碳化物，形成魚骨狀的萊氏體和團塊狀的粗大共晶碳化物，并產生碳化物偏析，直接影響到鋼的各種力學性能，特別是鋼的韌性 。用高壓氬氣或氮氣霧化熔融高速鋼水，得到細小高速鋼粉末，篩選后為 以下的顆粒；在真空 ()狀態(tài)下，密閉燒結達到密度 65%；再在 1100℃ 高溫、 300MPa 高壓下制成密度 100%的鋼坯，然后鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄 錠時要產生粗大碳化物偏析的問題，而它無論截面多大，其碳化物級別均為一級。碳化物晶粒極細，小于 ，而熔煉高速鋼碳化物晶粒為 。 [15] 31 牌號為 CPM T15 的粉末冶金高速鋼 ，它的強度、韌性分別是同化學成分的熔煉高速鋼的 2 倍及 倍。盡管含釩量達 5%，但由于碳化物晶粒細，可磨性依然很好。高溫熱硬度也比熔煉高速鋼提高 。又由于其物理機械性能高度各向同性，淬火變形小。碳化物 顆粒均勻分布的表面較大，不易從刀具的切削刃上剝落，小尺寸刀具耐磨性提高 倍，大尺寸刀具提高 2030%。 經過對 T42 粉末合金高速鋼在三種不同燒結環(huán)境和熱處理環(huán)節(jié)后的質地研究，研究者們發(fā)現 T42能實現最大硬度的環(huán)境是 1100?C奧氏體化后在 7001100?C燒結， 500550?C油料淬火。 [16] 粉末冶金高速鋼具有良好的力學性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、 強度高而切削刃又必須鋒利的刀具 ，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動載荷下使用的刀具。 它的碳化物偏析小，晶粒細，可磨性好，適合制造：大 尺寸刀具、精密刀具、復雜刀具。這類材料的高溫熱硬度高，又適合制造難加工材料所用的刀具，確實是面面俱到。 粉末冶金高速鋼生產過程較復雜，造價較高。中國鋼廠提供的品種較少，市場用量也很少。 國際上著名鋼廠如美國 Crucible 公司已可提供近二十種粉末冶金高速鋼，日本神戶制鋼所、日立金屬公司均可提供近十種粉末冶金高速鋼，供應量也在迅速增長。日本著名的 OSG 公司用粉末冶金高速鋼制造了鉆頭、銑刀、絲錐， NACHI 公司制造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。 這是高速鋼真正的新發(fā)展 ，是在共同應用領域可與硬質合金刀具材料一較長短的新型 刀具材料 。 我們有 理由相信技術性能高的粉末冶金高速鋼將會得到更廣泛的應用 ，為金屬加工業(yè)帶來新的發(fā)展。 但其高造價是個阻礙其大量推廣使用的桎梏。希望隨著技術的改進，這種技術能變的更加經濟。 低合金高速鋼的發(fā)展及其不足 根據統(tǒng)計資料表明，高速鋼的主要元素 (W、 Mo)的資源在世界范圍內勘定和可取的儲量只夠 40～ 60 年使用，加上潛藏的儲量也只夠 100 年。因此節(jié)約合金元素既有重要的戰(zhàn)略意義，又可節(jié)約鋼材成本。于是各國都在研制一些低合 32 金高速鋼。 70 年代以后，由于合金資源短缺日趨嚴重，低合金高性能高速鋼的發(fā)展引起了 全世界的普遍貢視。 世界各國己相繼發(fā)展了 SW3S2(波蘭 )，D950(瑞典 )， VaeoDyne(美國 )， 30 Dlol、 Dlo6(中國 )等低合金高速鋼。低合金高速鋼的成分設計一般以高速鋼的基體成分為基礎，其 W、 M。合金元素總量只占高速鋼的 1/2 一 1/3。新型低合金高速鋼的性能特點是抗彎強度和韌性一般高于傳統(tǒng)高速鋼，二次硬化和 600℃ 以下的紅硬性略高于或接近于傳統(tǒng)高速鋼，但 600℃ 以上的紅硬性和高溫硬度低于傳統(tǒng)高速鋼，這是因為 W、 Mo含量大幅度降低引起的。 近幾年出現了利用雙層輝光離子滲金屬技術制備等離子復 合滲表面冶金高速鋼。其形成機理是通過在廉價的金屬材料表面，滲入合金元素 W、 M。、 Cr、 V、 Ti、 Co 等，然后再進行滲碳，使表面成分達到高速鋼的基本要求。通過后續(xù)高溫淬火和高溫回火，使表面達到高速鋼的性能。由于僅是在材料表面滲入合金元素，占整體材料的極少部分，從而大大節(jié)約了合金元素。該工藝技術的突出優(yōu)點是 : 形成的表面高速鋼層與基體是冶金結合，不存在著滲層與基體的剝落問題 。滲層碳化物是在較低的溫度下固態(tài)形成，屬二次碳化物 (相對于從結晶中析出的碳化物而言 )，較易溶入奧氏體中，可充分的發(fā)揮合金元素的作用 。形成的碳 化物均勻、細小、彌散、一般呈粒狀分布，沒有粗大共晶萊氏體組織。該工藝技術的發(fā)明，引起了各方面的極大關注。 但是，該工藝技術由于采用先滲 W、 Mo，再固溶處理，最后滲碳的多步形成表面高速鋼的方法。高溫加熱次數多，工件和卡具嚴重變形，且工藝復雜。還存在多次高溫加熱后粗大組織的遺傳，使最后的淬火組織不正常，易出現過熱或欠熱現象。另外有些沿晶析出的粗大呈網狀的碳化物或金屬間化合物，造成滲層成分的不均勻，嚴重的影響了 機械 性能。 我認為 標準高速鋼和低合金高速鋼都有其各自的用途 ，在很多場合低合金高速鋼都因其自身缺憾代替不了 標準高速鋼的作用， 目前一些廠家虛假鼓吹低合金高速鋼的性能是不正確的，應該引起重視，可也不能因此就把它一棍子打死。 涂層高速鋼 優(yōu)勢及發(fā)展 在高速鋼 刀具 的基體上，用物理氣相沉積方法 (PVD)，涂覆耐磨材料薄層，可以大幅度地提高高速 鋼刀具 的使用性能 。 — 般，涂層材料用 TiN、 TiC 等，但 33 多采用 TiN。涂層后， 刀具 表面呈金黃色。涂層厚度為 5～ 10181。m。 涂層高速鋼 刀具 約在 1980 年出現在國際市場。發(fā)展極為迅速， 20 年來，它已在高速鋼 刀具 中占有一定比重。在美國、日本、德國，近一半的齒輪加工 刀具及立銑刀、鉆頭 等采用涂層， 提高了切削效率 ，獲得了顯著的經濟效益。我國對涂層高速鋼 刀具 的研究從 80 年代開始。近十年中， 刀具 制造行業(yè)已從美國、日本引進了近 10 套 PVD 涂層設備，已出售各種涂層高速鋼 刀具 產品。在各地區(qū)和各部門，擁有數量眾多的國內制造的涂層設備，所用的物理氣相沉積方法不同，有電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法、等離子槍發(fā)射電子束離子鍍法、中空陰極槍發(fā)射電子束離子鍍法、 e 形槍發(fā)射電子束離子鍍法等，各有特色和優(yōu)缺點，涂層產品質量亦有差異，電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法用得最多。 TiN 的硬度為 HV1800 ～ 2021 ，密度為 ，熱導率為(m℃ )，線膨脹系數為 (～ )106/℃ 。而高速鋼基體的硬度僅為HV800～ 850。故涂層后的高速鋼 刀具 ，表面有硬層，耐磨性好，與被加工材料之間的摩擦系數小， 基體材料的韌性不降 低。實用情況表明，與未涂層的高速鋼刀具 相比，涂層后高速鋼 刀具 的切削力可降低 5～ 10％，由于涂層材料有熱屏障作用， 刀具 基體切削部分的切削溫度也有所降低；工件已加工表面粗糙度減小；刀具 使用壽命顯著提高。 TiN涂層只是目前技術發(fā)展最完善的涂層技術 。 涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學 性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項要求。所以硬質涂層材料已由最初只能涂單一的 TiC、 TiN、 Al2O3，進入到開發(fā)厚膜、復合和多元涂層的新階段。新開發(fā)的 TiCN、 TiAlN、 TiAlN 多元、超薄、超多層涂層與 TiC、 TiN、 Al2O3 等涂層的復合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結合強度、提高涂層耐磨性方面有了重大進展。 近幾年國際上對涂層高速鋼的研究也一直沒有中斷過 ,現在就有幾條這方面很新很尖端 的英語資訊。 1）一項對高速鋼進行微噴丸（噴丸質地為硬質合金）后的研究顯示：在 X光投影下， 高速鋼進行微噴丸處理后 ，其殘余應力集中在厚度方向，高速鋼的性 34 能有了顯著改進。 [17] 2）一項對 TiN 涂層高速鋼的坯體進行預先 Ti滲入的技術研究發(fā)現：通過金屬等離子技術對高速鋼坯體進行預先 Ti 滲入后， TiN 涂層和高速鋼坯體的粘接強度得到了明顯的提高。 [18] 3）對 M2, ASP23, ASP30 三種高速鋼材料進行激光表面熔化處理后， 研究者們對其進行了包括顯微結構和電化學腐蝕在內的多項研究 ，結果