维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第１期 ２００５年２月 国外金属热处理 ＧＵ０ＷＡｌⅡＮｓＨＵ Ｒｌ１ＣＨ叫 Ｖ０１．２６．Ｎｏ．１ Ｆｅｂ，２００５ 高速钢刀具材料及热处理工艺选择 哈尔滨第一工具有限公司热工处（哈尔滨 １５００５６）宋学全刘秀英赵黎娟 ０引言 的工具钢。其中碳元素含量一般在０．７％ １．６％； 高速钢自诞生以来，作为机械加工中切削刀具 Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃｏ等贵重主要合金元素含量的重量百 分比之和在１０％ ４ｏ％间。高速钢根据主要合金元 素配比的不同，可分为Ｗ．系高速钢；Ｍ０－系高速钢； Ｗ．Ｍｏ系高速钢及含Ｃｏ、含Ａｌ、高ｖ等高性能高速 钢；高速钢区别于其它类型钢另一个成分特点是Ｃｒ 元素含量固定在４％左右。 １．２通用高速钢主要牌号及刀具选用 高速钢刀具中，通用型高速钢制造的刀具比例 最大，目前，通用型高速钢产量占全部高速钢总产量 的８０％以上。具有百年发展史的Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ（Ｗ１８）是 的最基础用材料一直被广泛采用，目前，高速钢刀具 仍占据着刀具市场的主导地位。尽管镶片硬质合金 刀具、全磨制硬质合金刀具的发展十分迅速，但除车 刀外，其它品种刀具仍以采用高速钢材料制造为主。 高速钢按最终冶炼方法的不同可分为电孤炉冶炼高 速钢、中频感应炉冶炼高速钢、电渣重熔冶炼高速 钢、粉末冶金高速钢等。对于高速钢刀具而言。尽 管存在高速钢冶炼方式的差异，但刀具的耐用与否， 更直接地与高速钢的化学成分以及通过合理的热加 工处理、使其建立起“化学成分．组织结构．机械性能” 三者的良好的对应关系相关。因此，高速钢刀具材 料及热处理工艺的选择，对于保证高速钢刀具的使 用性能至为重要。 １高速工具钢分类及刀具选材 最早确立成分并最早在世界范围广泛应用的通用型 高速工具钢。上世纪４ｏ年代起，在Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２ （Ｍ２）通用型高速钢成分确立后，各类高速钢钢种的 发展演变多以上述两种牌号为基础展开，材料工作 者通过核考ｗ当量、以Ｍｏ代ｗ、及添加提高性能的 Ｃ０、＾Ｊ、Ｖ等元素进行合金化冶炼，使高速钢牌号增 加达百余种。表１为不同国别高速钢标准对照及最 具代表的通用型高速钢牌号比较。 １．１高速钢化学成分的基本特点及分类 高速钢就其冶金成分而言属于高碳、高合金型 表ｌ常用高速钢牌号对照及制造刀具品种表 制造刀具品种 麻花钻、攻丝刀具、齿轮刀具、拉削刀具、刀头与铣刀、刨刀、绞刀、车刀、锯片（条）等各类刀具 Ｗ１８钢具有低的过热敏感性，可热塑变温度范 围宽，抗氧化脱碳能力强，可加工性、可磨削性好；缺 点为莱氏体组织粗大，碳化物分布不均匀，导热性、 热塑性差。韧性低，比重大，成材率不高。目前，Ｗ１８ 钢国内外供需两淡，处于被淘汰钢种之列。Ｍ２钢是 近年代最具国际化的高速钢牌号，应用也最广；Ｍ２ 钢碳化物颗粒细小、分布均匀性好，钢材强度及塑、 韧性明显优于Ｗ１８钢，但其过热敏感性较高，氧化脱 碳倾向大，可加工性稍差。Ｗ９Ｗｏ３Ｃｒ４Ｖ（Ｗ９）钢是我 国“六五”期间自行研发的Ｗ—Ｍｏ系通用高速钢，冶 金质量与工艺性能兼具Ｗ１８和Ｍ２的优点，１９８８年 纳入国标，国内应用较广。表二中几种通用型的高 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 宋学全等：高速钢刀具材料及热处理工艺选择 速钢，可供制造各种机加工用一般刀具选用，通常被 较多的国家，文献［２］将低合金高速钢按成分特点分 划分为三组，Ｉ组：一３％Ｗ， ３％Ｍｏ， ２．５％ｖ； Ⅱ组：不含Ｗ，２．５—３．５％Ｍｏ，２ ３％ｖ；Ｉｌｌ组：不含 加工件硬度不大于ＨＢ２８０，切削速度不高于２５—４０ ｍ／ｍｉｎｏ １．３低合金高速钢主要牌号及应用 低合金高速钢属经济型的高速钢，一般碳含量 较高，Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ等贵金属元素含量总和不大于 或少含ｗ，５ ６％Ｍｏ，Ｉ一２％Ｖ。上述三组低合金高 速钢Ｃｒ含量均在４％、Ｃ含量在Ｉ％左右。表２为主 要低合金高速钢的化学成分及应用表。 １５％。前苏联是除德国、瑞典外，研究低合金高速钢 表２低合金高速钢主要牌号对照表（ｔ－，） 钢号 国别 Ｃ ０．９０一１．０５ ％ Ｓｉ ０．７０一１．３０ Ｗ ２．７０—３．７０ Ｍｏ １．７０—２．７０ Ｖ １．２０一１．８０ Ｑ ３．８０—４．４０ Ｎ ＜０．１０ 其它元素 Ｗ４Ｍｏ２Ｃａ４ＶＳｉ 中国 Ｗ４Ｍｏ３Ｃｒ４ＶＳｉ 中国 ０．８５一１．０５ ３．００—５．００ ２．５０—３．５０ １．２０一１．８０ ３．５０—５．００ ０．７０一１．２０ ０．０２—０．０８ ｌｌＭ４ Ｐ２Ｍ５ ０２ １．１０ 前苏联 １．９５—１．０５ 前苏联 ０．１．０２—１．１２ ． １．７０—２．３０ ２．５Ｏ一３．３Ｏ ５．２０—５．８０ ４．８０—５．３０ ２．５０—３．００ １．４５ ０．９０一１．３０ ２．２０—２．６０ ４．００ ４．００ ４．００ ． ．．． 微量稀土元素 ０．０５—０．０８ ０．０５—０．１６Ｚｒ ０．０５—０．１６ ０．０５—０．２０Ｎｂ ｌ￣ＡＭ３０２前苏联 ｓ３．３．２（ＡＢⅢ） 德国 Ｄ９５０ 瑞典 ０．９５—１．晒 ０．９５ ２．７０—３．００ １．７０ ２．５０—２．８０ ５．００ ２．２０—２．５０ １．２０ ３．８０—４．５０ ４．００ （０．４５ ０．３ｏ Ｍ５０ Ｍ５２ Ｓ４０４ 美国 美国 Ｂ咖Ｒ ０．８１ ０．踞 ０．Ｂ９ ．Ｉ．１０ １．２０ ４．２５ ４．５ｏ ４．５ｏ １．００ １．８５ １．９ｏ ４．００ ４．１０ ４．１０ ０．２０ ０．３ｏ 主要刀具品种选用 热轧直钻、热轧（挤压）锥钻、手用丝锥、机用丝锥、机用锯条、手用锯条、立铣刀、机绞刀、车刀、木工刨刀等普通刀具 １．４高性能高速钢主要牌号及应用 与低合金高速钢更看重实用性不同，高性能高 速钢更加追求提高刀具材料的综合机械性能以及提 高刀具的切削速度、争取较长的使用寿命。高性能 高速钢一般泛指材料的热处理硬度、抗回火软化能 质量，提高高速钢实物水平方面取得了大量成果，积 累了丰富的经验。不仅有效地引进、吸收、消化了国 外成熟牌号高性能高速钢，还自主研发了符合我国 国情的特有的高性能高速钢品种，如Ｗ９系列， Ｗ９Ｖ３，Ｗ９Ｃｏ５，Ｗ９Ａ１，Ｃｏ３Ｎ及Ｍ２Ａ１，Ｍ２Ｓｉ等，全面推 力、耐磨性等显著高于通用型高速钢的钢种。上世 纪八十年代，我国以“六・五”、“七・五”等国家科研立 项攻关为契机，建立了由北钢院、大连钢厂、重特、河 进了我国高性能高速钢的迅速发展，这一时期称得 上是我国高速钢研发成果最多、高速钢实物内在质 量稳定提高的黄金时期 高性能高速钢按合金化特 点，可分成无钴、含钴、高钒、含钴高钒等几类。表３ 为研究较为成熟，应用较多的几类高性能高速钢。 北冶金工具厂等攻关联合体为代表的科研一生产．应 用三结合的多个科研攻关团队，在稳定高速钢冶炼 表３几种常用高性能高速钢牌号及特性 维普资讯 http://www.cqvip.com ・３２・ 国外金属热处理 第２６卷 Ｍ４２是工具行业多年来首选的含Ｃ０高性能高 速钢，该钢是在通用型高速钢Ｍ７（ｗ２Ｍ０９ｃＩ４Ｖ２）基 础上添加８％Ｃｏ变化而来，既保留了钼系高速钢韧 性较好的特征，又显著提高了切削性能。ｂｉ４２钢具 有高硬度、高耐磨性、高红硬性，主要用于军品、高强 较为先进的高速钢冶炼生产新工艺。由于钢液被强 制雾化成超细小的液滴颗粒并迅速冷却成细粉状， 使高速钢铸造组织及碳化物得到了充分的细化，彻 底改变和提高了高速钢的综合性能。２０世纪７０年 代，伴随国外粉末雾化技术及大型冷、热等静压机的 应用，使粉末高速钢生产得到了迅速发展。粉末高 速钢解决了碳化物偏析问题，大大提高了钢材的强 度调质钢及不锈钢、耐热钢的加工。Ｍ４２钢的不足 ．是，在使用的状态下脆性较大，刀具易发生崩齿、掉 牙、脆断等提前失效的情况，近来有被强韧性兼具的 Ｍ３５替代的趋势。Ｍ４２、ｂ１３．５使用状态下的硬度范 围，我公司一般控制在：Ｍ４２为ＨＲＣ６６—６８，Ｍ３５为 陬Ｃ６５ ６７。由于Ｃ０高速钢价格较高，多用于精密 复杂刀具的制造。 １．５粉末冶金高速钢的选用 粉末冶金生产高速钢是近几十年来发展起来的 韧性。尤其是使传统工艺生产的高合金、高性能高 速钢锻轧加工困难、锻造废品率高等问题得以完全 控制。粉末高速钢还使铸锻工艺无法实现的超高合 金含量的高速钢生产成为现实。目前，粉末高速钢 生产主要集中在瑞典、美国、奥地利、法国、日本、俄 罗斯等少数发达国家，我国还没有粉末高速钢的生 产企业。表４为几种典型粉末高速钢的对比。 表４粉末高速钢主要牌号及特点 ２高速钢刀具热处理工艺选择概述 之，若碳饱和度低，则可选择中限以上的温度加热淬 火，使碳化物能更充分溶解，获得较高的热硬性、耐磨 ２．１淬火加热温度选择 高速钢中碳及ｗ、Ｍｏ、Ｃａ＂、Ｖ等主要合金元素含量 性。高速钢中大量存在的合金碳化物，其形态与分 溶解与析出也影响淬火加热温度的选择。在大颗 的多少，决定了刀具最终热处理时淬火加热的温度范 布、围。最终淬火加热温度是刀具热处理工艺过程中最 粒碳化物多、碳化物偏析严重、低倍组织级别高、成分 重要的工艺参数。适宜的淬火加热温度可确保刀具 偏析大等情况下，应选择中限以下温度淬火。获得必要的高硬度（包括二次硬化）、高红硬性及良好 ２．２不同刀具品种淬火温度选择及淬回火组织控制 的强韧性，以满足机床和加工件对刀具高切削性能的 不同的服役条件，不同的机加工环境，对刀具使 需求。一般，高速钢平衡碳差值小、碳饱和度高者，宜 用性能要求也有所不同。一般情况下，简单形状、连 选择较低的加热温度淬火。通过研究Ｍ＿２钢发现，每 续切削、单刃半成品切削加工类的刀具，可选择较高 增加０．１％Ｃ，晶界出现熔化的温度下降ｌ１℃ ；反 的淬火加热温度；复杂形状、薄厚差大、超大规格、细 表５ ｈｔ２钢刀具淬火温度范围及金相组织要求 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 宋学全等：高速钢刀具材料及热处理工艺选择 ・３３・ 长等高速钢刀具可选择中低限温度淬火。另外对于 杆类、镶齿圆锯刀齿等产品，需在高温盐浴炉进行表 面局部加热的，可选用上限温度淬火；而整体在高温 盐浴炉进行加热的刀具，中小规格者，可选用中上限 １）对可能引发热处理缺陷的设计不良、加工不 当等，必须加以改进，如减少断面急剧变化、加大键 槽圆角、避免出现缺口尖角等，以防止刀具热处理时 产生过大的局部应力集中。 ２）最终热处理前，可根据工件实际情况，选择在 ７２０—７６０℃范围高温回火２—４ ｈ，以消除加工应力， 做好淬火组织准备。 淬火加热温度，大规格者则选用下限淬火加热温度。 表５为以Ｍ２钢为例，我公司部分产品淬火加热温度 范围及淬火晶粒度、过热程度的合格级别要求。各 类高速钢刀具产品回火程度要求均应小于２级。 ２．３淬火加热时间选择及特大规格刀具的热处理 淬火加热时间选择与淬火加热温度密切相关。 对于高速钢产品，淬火加热温度的选择是第一位的， 在淬火工艺温度要求范围内，加热温度较高者，加热 时间可相对减少，加热温度较低者，加热时间可相对 增加。通常，淬火加热时间可按产品的有效厚度进 ３）淬火加热、淬火冷却，均可采用多级温度预 热、多级温度等温工艺；回火时可增加等温预热，以 防止回火开裂。 ４）热处理终了、成品磨加工后，进行低温时效处 理。 ３结束语 行计算，加热系数可按８ １０ ｓ／ｎｕｎ。有效厚度小的， 可取上限（特小件最少加热时间不得少于２ ｒｎｉｎ），有 效厚度较大者，可取下限。对于超大规格拉刀、滚刀 等加热时间的选择，可根据现场设备、压温等实际情 况决定，一般可在高温加热炉指示温度恢复到设定 随着数控机床、加工中心等先进机加工设备的 广泛应用，以及追求难加工材料的高速切削、高精度 切削，对金属切削刀具提出了更高的要求，高速钢刀 具面临着巨大的挑战，因此，高性能高速钢刀具材料 及热处理工艺的开发研究乃是金属材料及热处理工 值并透烧后，加热保温８ １０ ｍｉｎ。产品在盐浴炉加 热及冷却中，必须要保持单件加热状态。 特大规格刀具热处理，除需要选择合理的淬火 加热温度、保温时间、选用合适的工卡具以外，另一 个重要的工艺关键是如何采取措施来保证刀具的热 处理硬度要求，并避免开裂或严重的热处理变形。 在实际热处理生产过程中，通过多年工作经验的积 累，采取以下几种措施往往可取得较好的效果： 作者肩负的重任。 参考文献 ［１］ 邓玉昆，陈景榕，王世章．高速工具钢．冶金工业出版 社，２ＯＯ２，３． ［２］ 耿祥坤．低合金高速钢的最佳成分．译自＜ＭｌｆＩＵＭ》 １９８８，６：２６－３２． ［３］ 肖纪美．高速钢的金属学问题．冶金工业出版社，１９７６， ８：２６． （上接第２ｏ页） 例之ｆ ，杉由好弘，浅见克敏．日本横械学会瀚文集， １９９０，Ａ（５６）：４８２． ２）在ＱＴ材料及ＡＤＩ材料的高／ｘＫ区域，因大气中水 分的影响，使疲劳裂纹扩展速度加速。 宇佐见兵衔，杉山好弘，白木尚人．材料，２ＯＯ２，（５１）： １３８６． ３）铸态材料及ＱＴ材料的／ｘＫｔｌｌ随大气中水分的 增加而上升。 例之ｆ 。酒井逵雄，铃木斡彦，Ｍ．Ｒａｍｕｌｕ．日本横械学会 渝文集，１９９０，Ａ（５６）：１７７５． 没谷慎一郎，田中雄一．铸造工学，１９９８，（７０）：１１５． ４）ＡＤＩ材料的／ｘＫｔｌｌ在湿度４０％气氛中显示出最 大值，但关于在湿度４０％以上区域的／ｘＫｔｌｌ低下的原 因尚不清楚。 参考文献 小川武史，社本和久，户棍惠郎．材料，１９９３，（４２）：１８３． 国尾武，中亨尺一，林邦彦．破壤力学实验法，１９８４： １６６． 杉山好弘，福田尚久．材料，１９９６，（４５）：９３３． ［１］ 福由邦男，长谷川典彦，西川裕二．日本横械学会榆文 集，１９９４，Ａ（６０）：１７３４． 木村芳人，宇佐见兵卫，舟公本将行．日本铸造工学会第 １３９回全国耩演大会耩演概要集，２００１：１０１．
