高性能高速钢刀具材料的优化方案

高性能高速钢是指在通用型高速钢成分中再增加一些碳量、钒量及添加Co、Al等合金元素的新钢种，提高耐热性和耐磨性。采用高性能高速钢制造刀具与通用型高速钢刀具相比，刀具寿命和切削速度提高，从而提高切削加工生产率。

高性能高速钢主要有以下四大类：

1.高碳高速钢

高碳高速钢（如9W18Cr4V）是指其w（C）比相似的通用型高速钢高0.20%～0.25%，使钢中合金元素全部形成碳化物，从而提高钢的硬度、耐磨性与耐热性，但其强度和韧性略有下降。

2.高钒高速钢

高钒高速钢（如W12Cr4V4Mo）的w（V）为3%～5%。由于碳化钒量的增加，从而提高钢的耐磨性。一般用于制造加工高强度钢的车刀、钻头和铣刀，但这种钢的刃磨比普通高速钢困难。

3.钴高速钢

钴高速钢的典型牌号为W2Mo9Cr4VCo8（简称M42），其硬度可达69～70HRC，比W18钢高4～5HRC，600℃时的高温硬度为54～55HRC。这种高速钢的综合性能好，允许切削速度较高；由于含钒量不高，其磨削加工性能也好。用这种钢做的刀具在加工耐热合金、不锈钢时，寿命较W18和M42钢有明显的提高；用其加工高温合金GH37等难加工材料，刀具寿命可延长4～6倍，加工材料的硬度越高，其效果越显著。但M42钢的含钴量很高，我国钴主要依靠进口，价格很高。

4.铝高速钢

W6Mo5Cr4V2Al（简称501）是一种含铝不含钴的高性能高速钢。600℃时的高温硬度达到54HRC，由于不含钴，其仍保留较高的强度和韧性。501钢中铝不是碳化物形成元素，但它能提高W、Mo等元素在钢中的溶解度，形成固溶强化，可使基体热强性和高温硬度增大。加入铝可阻止晶粒长大，提高钢的韧性和热塑性，并改善导热性能。含铝高速钢刀具切削时，在切削温度的作用下，空气中的氮和氧将与高速钢刀具表面反应生成氮化铝和氧化铝薄膜，可降低刀与屑间的摩擦，减轻切屑的粘接。

501钢各项物理力学性能与美国的M42超硬高速钢相当，切削性能也相近。在国内，其价格仅为M42钢的1/5～1/3。用铝高速钢制造的滚刀切削速度可达100m/min；制造的插齿刀加工48～52HRC的中硬齿面齿轮滚刀，以及加工40～48HRC的齿轮均取得了成功。滚齿的效率比磨齿提高4～6倍，成本仅为磨削的1/4～1/3。(www.xing528.com)

501高速钢的综合切削性能与M42钢相当。在加工30～40HRC的调质钢时，刀具寿命可比通用型高速钢高3～4倍。其主要缺点是加工工艺性稍差，并且过热敏感性大，淬火加热温度范围窄，氧化脱碳倾向大。这种钢由于立足我国资源，与钴高速钢相比较，成本较低，已经逐渐推广使用。

501钢的磨加工性能较差，用其制造的立铣刀的刃磨工时要比M2钢多20%～30%；精磨圆柱柄的工时多50%。

我国出口的铝高速钢钻头、铰刀、扩孔钻、铣刀等刀具，在美国麦克唐纳-道格拉斯飞机公司被用于加工铝合金和钛合金；在Purkey公司加工一些航空工业用零件；在洛杉矶标准工具板牙公司和Hamilton Standard公司加工in-con625叶片上的槽，都取得了好的效果，有的达到了该公司原用刀具的2倍以上的寿命。

由于高精度复杂刀具的使用越来越多，这些刀具结构复杂，制造精度高，加工费用占刀具成本的比例很大，而材料费所占比例却很小（15%～30%），随着刀具精度的提高，这部分比例会进一步降低，因此采用高性能刀具材料是合算的。

我国根据自己的资源情况，也发展了低钴高速钢，如W12Mo3Cr4V3Co5Si，但主要开发的是不含钴的高性能高速钢，如含铝的超硬高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al；含氮的超硬钢W12Mo3Cr4V3N、CW9Mo3Cr4VN、CW9Mo4Cr4VN；含Si、Nb、Al的超压硬钢W6Mo3Cr4V3N、CW9Mo3Cr4Vn；含Si、Nb、Al的超硬钢W6Mo5Cr4V5SiNbAl、W18CrV4SiNbAl等。

W12Mo3Cr4V3N是使用效果较好的一种含氮超硬高速钢。在钢中加入氮元素可代替一部分碳，但却可减少因提高含碳量而带来的脆性。氮是一个和碳在钢中具有相似化学性的元素，它们可与钢中的金属元素形成同类固溶体和同类金属间化合物，尤其与W、Mo、Cr、V等元素形成同类化合物时，碳化物和氮化物又是可以互溶的。氮的加入对钢的性能起到了良好的作用。细小的氮化物存在于晶界时，可阻止晶粒长大，使晶粒细化（0.5级左右），使钢中的碳化物分布得到改善，使钢的强度和硬度都得到提高。应用氮元素合金化生成钒的碳-氮相V₄（CN）₃，或钨的碳-氮相W₂（CN），提高了二次硬化效应和热硬性。氮还可以增加高速钢的热塑性和改善钢的磨加工性能。

这种钢的淬火硬度可达67～69HRC，其硬度、强度和韧性与M42钢及瑞典的HSP-15（W10Mo4Cr4V3Co10）两种含钴超硬高速钢相近，但其高硬度时（69HRC）的脆化倾向较小。其热稳定性接近w（Co）为5%的超硬钢水平。在低速切削高硬度钢或其它难加工材料（或低速高精度加工）时可作为钴高速钢的代用品。在加工高强度钢和奥氏体合金时，其切削性能与M42钢及W12Mo3Cr4V3Co5Si钢刀具水平相当，主要用于解决高强度结构钢件（30～52HRC）的车、铣、钻、刨、铰削加工，刀具寿命可比W18钢提高3～5倍。这种高速钢的缺点是磨削加工性能更差。

W9Mo3Cr4VN是一种高碳含氮超硬高速钢，淬火后的硬度比通用型高速钢高1.5～2HRC，热硬性高，其磨削加工性能与W18钢相当。用这种钢制造的车刀加工45钢端面的试验表明，刀具寿命与W10Mo4Cr4V3Al铝高速钢接近，高于W18钢。

W6Mo5Cr4V5SiNbAl是我国研制的一种高碳高钒含硅铌铝的高速钢。这种钢利用我国富有的元素Si和Al来提高钢的硬度和热硬性，利用钒来提高耐磨性，铌则与碳形成稳定的碳化铌，弥散细小的碳化铌能细化晶粒，提高钢的耐磨性。钢中加入少量的铌还可以提高钢基体的强度和韧性。

这种钢的突出优点是强度及硬度高，用其制造的车刀、刨刀、镗刀、铣刀、钻头、拉刀、铰刀、丝锥等加工不锈钢、耐热钢、高温合金、高强度钢等难加工材料均取得了很好的效果。用其做成的钻头加工高温合金及超高强度钢时，刀具的寿命比W18钢有较大的提高，甚至超过M2高速钢。