高速钢的基本知识

高速钢是一种高合金工具钢，含W 、Mo 、Cr 、V 等合金元素，总量超过10％。高速钢优于其它工具钢的主要之处是其具有良好的红硬性，在切削零件刃部温度高达600℃时，硬度仍不会明显降低。因此，高速钢刃具能以比低合金工具钢高得多的切削速度加工零件，故冠名高速钢以示其特性，常用于车刀、铣刀、高速钻头等。

⑴化学成分
高速钢的平均含碳量较高，一般为0.70～1.50％。高碳一方面是保证与W 、Mo 等诸多合金元素形成大量的合金碳化物，阻碍A 晶粒长大，提高回火稳定性。另一方面是在加热时使A 含一定量的碳、淬火得到的M 有较高的硬度和耐磨性。
W 是使高速钢具有较高红硬性的主要元素，W 在钢中主要以Fe W C 4 2 形式存在，加热时部分Fe W C 4 2 溶入A 中，淬火时存在于M 中，使钢的回火稳定性得以提高。当于560℃回火时，W 会以弥散的特殊碳化物W C 2 的形式出现，形成了“二次硬化”现象，对钢在高温下保持高硬度有较大的贡献。加热时部分未溶的Fe W C 4 2 则会阻碍A 晶粒长大，降低过热敏感性和提高耐磨性。
Mo 的作用与W 相似，一份Mo 可代替两份W ，而且Mo 还能提高韧性和消除第二类回火脆性。但是含Mo 较高的高速钢脱碳和过热敏感性较大。
Cr 在高速钢中的主要作用是提高淬透性、硬度和耐磨性。Cr 主要以23 6 Cr C 形式存在，这种碳化物在高速钢的正常淬火加热温度下几乎全部溶解，对阻碍A 晶粒长大不起作用，但是溶入A 中会明显提高淬透性和回火稳定性。高速钢中铬含量一般都在4％左右，过高了会增加残余A 量，过低淬透性则达不到要求。
V 的主要作用是细化晶粒，提高硬度和耐磨性。V 碳化物为4 3 V C 或VC ，比W 、Mo 、Cr碳化物都稳定，而且是细小弥散分布，加热时很难溶解，对奥氏体晶粒长大有很大的阻碍作用，并能有效地提高硬度和耐磨性。高温回火时也会产生“二次硬化”现象，但是提高红硬性的作用不如W 、Mo 明显。

⑵热处理特点
高速钢的碳及合金元素含量都较高，属于莱氏体钢，铸态组织有粗大、鱼骨状的共晶碳化物，分布不均匀，会使强度下降，脆性增加，并且不能通过热处理来改变碳化物分布，只有通过锻造将其碎化，使其均匀分布，锻后必须缓冷。高速钢因其化学成分的特点，其热处理具有淬火加热温度高、回火次数多等特点。
下面以W18Cr4V 钢制造盘形齿轮铣刀为例，说明其热处理工艺选用和生产工艺路线的制定。盘形齿轮铣刀（模数m =3）热处理后刃部硬度要求大于63 HRC ，其生产过程工艺路线为：下料→锻造→球化退火→机加工→淬火+多次回火→喷砂→磨加工→成品。
①球化退火 高速钢锻造后的硬度很高，只有经过退火降低硬度才能进行切削加工。一般采用球化退火降低硬度，消除锻造应力，为淬火作组织上的准备。球化退火后组织为S 和均匀分布的合金碳化物所组成。其球化退火工艺为：860～880℃（保温4 h ）→炉冷→740～750℃（保温6 h ）→炉冷→500～550℃空冷。
②淬火+回火 高速钢中含大量合金元素，导热性差。为避免加热过程产生变形开裂，一般在800～840℃预热，截面尺寸较大的零件可在500～650℃多进行一次预热。合金元素只有溶入高速钢中才能有效地提高其红硬性，所以，高速钢淬火温度都比较高，一般在1270℃加热，但是温度也不可过高，否则A 晶粒长大明显，残余A 量也会增加。高速钢淬透性高，一般采用油冷，截面尺寸小的刀具，在空气中即可淬硬。www.hc-hss.com对于形状复杂、要求小变形的刀具，先将其淬入580～620℃的中性盐浴中分级均温，然后再空冷，可防止变形、开裂。W18Cr4V 钢淬火组织是M +残余A +粒状碳化物，其残余A 量高达30％。为了减少残余A ，稳定组织，消除应力，提高红硬性，高速钢要进行多次回火。随回火温度提高，钢的硬度开始呈下降趋势，大于300℃后，硬度反而随温度升高而提高，在570℃左右达到最高值。这是因为温度升高，M 中析出了细小弥散的特殊碳化物W C 2 、VC 等，造成了第二相的弥散强化效应，此外由于部分碳及合金元素从残余A 中析出， Ms 点升高，钢在回火冷却时，部分残余A 转变为M ，发生了“二次淬火”，使硬度升高。以上两个因素就是高速钢回火出现“二次硬化”的根本原因，当回火温度大于560℃时，碳化物发生聚集长大，导致硬度下降。
高速钢淬火后要在560℃回火三次是因为一次回火不能完全消除残余A ，第一次回火后，残余A 量由30％降为15％左右，第二次回火后还有5～7％，第三次回火后残余A 减少为1～2％。而且，后一次回火可消除前一次回火时M 转变产生的内应力。W18Cr4V 钢淬火+三次回火后组织为回火M +碳化物+少量残余A 。
W18Cr4V 钢盘形齿轮铣刀的淬火回火工艺：800～840℃预热→1270～1280℃→油冷→580～620℃→盐浴淬火→560℃回火（60 min ）三次。

⑶常用高速钢
我国常用高速钢有钨系钢如W18Cr4V ，红硬性和加工性能好，钨-钼系钢如 W5Mo5Cr4V2 ，耐磨性、热塑性和韧性较好，但脱碳敏感性较大，而且磨削性能不如钨系钢。近年来，我国又开发出含Co 、Al 等超硬高速钢，这类钢能更大限度地溶解合金元素，提高红硬性，但是脆性较大，有脱碳倾向。

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