高速工具鋼

工具鋼的一類，以鎢、鉬、鉻、釩，有時還有鈷為主要合金元素的高碳高合金萊氏體鋼，通常用作高速切削工具，簡稱高速鋼，俗稱鋒鋼。

基本介紹

• 中文名：高速工具鋼
• 外文名：High speed tool steel
• 簡稱：高速鋼
• 俗稱：鋒鋼
• 作用：用作高速切削工具

形成原理

高速工具鋼主要用於製造高效率的切削刀具。由於其具有紅硬性高、耐磨性好、強度高等特性，也用於製造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸承和高溫彈簧等。高速工具鋼經熱處理後的使用硬度可達HRC63以上，在600℃左右的工作溫度下仍能保持高的硬度，而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好。退火狀態的高速工具鋼的主要合金元素有鎢、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等元素。這類鋼屬於高碳高合金萊氏體鋼，其主要的組織特徵之一是含有大量的碳化物。鑄態高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物，經熱壓力加工後破碎成顆粒狀分布在鋼中，稱為一次碳化物；從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。這些碳化物對高速工具鋼的性能影響很大，特別是二次碳化物，其對鋼的奧氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影響。碳化物的數量、類型與鋼的化學成分有關，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關。鎢、鉬是高速工具鋼的主要合金元素，對鋼的二次硬化和其他性能起重要作用。鉻對鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用，對二次硬化也有一定的作用。釩對鋼的二次硬化和耐磨性起重要作用，但降低可磨削性能。

主要分類

含鈷高速工具鋼是在通用高速工具鋼的基礎上加入一定量的鈷，可顯著提高鋼的硬度、耐磨性和韌性。

粉末高速工具鋼是用粉末冶金方法產生的。首先用霧化法製取低氧高速工具鋼預合金粉末，然後用冷、熱靜壓機將粉末壓實成全緻密的鋼坯，再經鍛、軋成材。粉末高速工具鋼的碳化物細小、分布均勻，韌性、可磨削性和尺寸穩定性等均很好，可生產用鑄錠法個可能產生更高合金元素含量的超硬高速工具鋼。粉末高速工具鋼可分為3類，第一類是含鈷高速工具鋼，其特點是具有接近硬質合金的硬度，而且還具有良好的可鍛性、可加工性、可磨性和強韌性。第二類是無鈷高鎢、鉬、釩超硬高速工具鋼。第三類是超級耐磨高速工具鋼。其硬度不太高，但耐磨性極好，主要用於要求高耐磨並承受衝擊負荷的工作條件。

高速工具鋼

高速鋼按所含合金元素可分為：①鎢系高速鋼(W 9～18%）、②鎢鉬系高速鋼(W5～12%,Mo 2～6%）、③高鉬系高速鋼(W 0～2%,Mo 5～10%）。各系又可按含釩量的多少分為一般含釩量(V 1～2%）和高含釩量(V 2.5～5%）。任何高速鋼如含鈷 (Co 5～10%）時，又歸入鈷高速鋼。

高速鋼按用途可分為綜合性通用型高速鋼和特種用途高速鋼兩類。通用高速鋼廣泛用於製作各種金屬切削普通刀具（如鑽頭、絲錐、鋸條）和精密刀具（如滾刀、插齒刀、拉刀）。被切削材料一般硬度 HB≤300。特種用途高速鋼又可分為高釩高速鋼，一般含鈷高速鋼和超硬型(HRC 68～70)高速鋼（表2)。　高速鋼主要用途是製造高速切削工具，除具有高硬度（一般大於HRC 63,高的可達HRC 68～70)，高耐磨性和足夠韌性外，還要有在高速切削下刀刃不因發熱而軟化的耐熱性。耐熱性通常用紅硬性衡量，也就是在580～650℃把鋼先後加熱4次，每次保溫 1小時後空冷，然後在室溫下測定其硬度值。高速鋼的韌性通常用彎曲強度和衝擊值來衡量。高速鋼套用於製造冷作模具，在使用性能上主要要求有高的抗壓屈服強度，高的耐磨性和高韌性，而對耐熱性則要求不高，因此可採用較低的溫度淬火。

主要性能

工藝性能也是高速鋼的重要指標。首先，要有良好的熱塑性，以便充分破碎共晶碳化物和加工成形；其次，要有低的退火硬度，以便在生產過程中進行冷成形和切削加工。其他工藝性能如過熱不敏感性，脫碳不敏感性，低的淬火變形性，在電阻焊和摩擦焊中與柄部碳鋼結合的良好焊接性能等也很重要，尤其是磨削性，對於製造複雜刀具是極其重要的。

高速工具鋼

保證碳化物充分破碎、細化並均勻分布（見圖），歷來是高速鋼生產工藝和提高質量的關鍵問題。為此，高速鋼應採用低溫澆鑄工藝，選擇良好錠型，並根據鋼材規格選用足夠大的壓縮比。中國自1965年以來採用扁錠生產高速鋼，其優點為顯著加快鋼錠凝固速度，從而改善了鋼材的碳化物不均勻度和低倍組織。大尺寸鋼材多採用電渣重熔鋼錠。鍛造開坯、軋製成材的工藝有利於提高質量。高速鋼的熱加工溫度、變形量和退火制度，對鋼材的熱處理性能，尤其是對淬火後的晶粒度有明顯的影響，須嚴加控制。熱加工中如終鍛（軋）溫度過高，變形量不足或已經過一次淬火，但未經充分退火又進行第二次淬火，會出現特殊閃光的萘狀斷口（見金屬巨觀檢驗），從而顯著降低鋼的韌性，使刀具脆崩。還採用快鍛液壓機開坯、精鍛機成材的新工藝。

高速鋼需通過特殊的熱處理才能獲得所需的性能。一般淬火溫度均接近這種鋼的熔化溫度，例如高鎢鋼為1270～1290℃，鎢鉬鋼為1210～1240℃，高鉬鋼為1180～1210℃，一般採用540～560℃回火三次，以得到二次硬化的最佳效果。對韌性和紅硬性有不同要求時，可適當調整淬火溫度。

粉末冶金高速鋼可保證碳化物細小和均勻分布，對改善高碳高釩高速鋼的磨削性、改進熱加工性，減少淬火變形以及提供碳化物質量優異的大尺寸鋼材確有獨特優點；可以生產出合金含量更高和切削能力較大的高速鋼。高速鋼刀具的真空熱處理獲得廣泛套用；刀具的氧氮化、碳氮氧共滲等表面化學熱處理，也正在普遍採用，尤其是化學氣相沉積法和物理氣相沉積法的發展，可進一步提高刀具的使用壽命。

高速工具鋼的淬火溫度很高，接近熔點，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。高速工具鋼淬火後硬度升高，此為第一次硬化，但淬火溫度越高，則回火後的強度和韌性越低。淬火後在350℃以下低溫回火硬度下降在350℃以上溫度回火硬度逐漸提高，至520~580℃範圍內回火（化學成分不同，回火溫度不同）出現第二次硬度高峰，並超過淬火硬度，此為二次硬化。這是高速工具鋼的重要特性。

高速工具鋼除了具有高的硬度、耐磨性、紅硬性等使用性能外，還具有一定的熱塑性、可磨削性等工藝性能。

鎢系高速工具鋼主要合金元素是鎢，不含鉬或含少量鉬。其主要特性是過熱敏感性小，脫碳敏感性小、熱處理和熱加工溫度範圍較寬，但碳化物顆粒粗大，分布均勻性差，影響鋼的韌性和塑性。

鎢鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鎢和鉬。其主要特性是碳化物的顆粒度和分布均優於鎢系高速工具鋼，脫碳敏感性和過熱敏感性低於鉬系高速工具鋼，使用性能和工藝性能均較好。

鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鉬，不含鎢或含少量鎢。其主要特性是碳化物顆粒細，分布均勻、韌性好，但脫碳敏感性和過熱敏感性大、熱加工和熱處理範圍窄。

物理性能

硬度

工具鋼製成工具經熱處理後具有足夠高的硬度，如用於金屬切削加工的工具一般在HRC60以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所產生高溫的受熱條件下，仍能保持高的硬度和良好的紅硬性。碳素工具鋼和合金工具鋼一般在180℃~250℃、高速工具鋼在600℃左右的工作溫度下，仍能保持較高的硬度。紅硬性對熱變形模具和高速切削刀具用鋼是非常重要的性能。

耐磨性

工具鋼具有良好的耐磨性，即抵抗磨損的能力。工具在承受相當大的壓力和摩擦力的條件下，仍能保持其形狀和尺寸不變。

強度和韌性

工具鋼具有一定的強度和韌性，使工具在工作中能夠承受負荷、衝擊、震動和彎曲等複雜的應力，以保證工具的正常使用。

高速鋼

其他性能

由於各種工具的工作條件不同，工具用鋼還具有一些其他性能，如模具用鋼還應具有一定的高溫力學性能、熱疲勞性、導熱性和耐磨腐蝕性能等。

工藝性能

工具鋼除了具有上述使用性能外，還應具有良好的工藝性能。

⑴ 加工性

工具鋼應具有良好的熱壓力加工性能和機械加工性能，才能保證工具的製造和使用。鋼的加工性取決於化學成分、組織的質量。

⑵ 淬火溫度寬泛性

工具鋼的淬火溫度應足夠寬，以減少過熱的可能性。

⑶ 淬硬性和淬透性

淬硬性是鋼在淬火後所能達到最高硬度的性能。淬硬性主要與鋼的化學成分特別是碳含量有關，碳含量越高，則鋼的淬硬性越高。

淬透性表示鋼在淬火後從表面到內部的硬度分布狀況。淬透性的高低與鋼的化學成分、純潔度、晶粒度有關。

根據用於製造不同的工具，對這兩種性能各有一定的要求。

⑷ 脫碳敏感性

工具表面發生脫碳，將使表面層硬度降低，因此要求工鋼的脫碳敏感性低。在相同的加條件下，鋼的脫碳敏感性取決於其化學成分。

⑸ 熱處理變形性

工具在熱處理時，要求其尺寸和外形穩定。

⑹ 耐削性

對於製造刀具和量具用鋼，要求具有良好的磨削性。鋼的磨削性與其化學成分有關，特別是釩含量，如果釩質量分數不小於0.50%則磨削性變壞。

組成結構

高速工具鋼是一種高碳高合金工具鋼,wC=0.70～1.25%，常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V等,W、Mo、V是提高熱硬性的主要元素,V可形成高硬度的碳化物，顯著提高鋼的硬度及耐磨性,Cr可提高淬透性。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V為較常用的高速鋼，這三個鋼號的產量占目前國內生產和使用的95 %以上。

主要有碳、鎢、鉬、鉻、釩、鈷等，其作用分述如下：

碳一般含碳量為0.70～1.65%，以保證足夠的碳與各種碳化物形成元素相配合。通常採用平衡碳(Cs)近似計算公式求得最佳的二次硬化效果的含碳量：

Cs%=0.033W%+0.063Mo%+0.060Cr%+0.200V%

式中Cs是假設W、Mo、Cr、V與C形成W2C（或Fe4W2C)、Mo2C（或Fe4Mo2C)、Cr26C6、V4C3時碳與各元素的定比關係而定出的。隨著鋼中含碳量逐漸接近Cs,二次硬化效果（硬度和紅硬性）也逐步上升到最高值，而韌性則隨之下降。因此只在超硬高速鋼中含碳量採用接近Cs的成分，為了保持通用型高速鋼的高韌性，含碳量一般比Cs低0.15～0.30%。至於用於載荷較低的低合金高速鋼，實際含碳量可能還超過Cs。

高速工具鋼

鎢和鉬高速鋼回火時產生二次硬化最基本的合金元素。鎢和鉬作用相似,Mo的原子量約為W的一半，一般可用 1%Mo取代2%W。高速鋼中最主要的碳化物M6C(M代表金屬）是以Fe、Mo、W為主的複合碳化物，它在淬火時部分固溶，回火時又以M2C碳化物彌散析出，使鋼強化，提高硬度和耐磨性，剩下未溶的M6C碳化物（主要來自共晶碳化物）可阻止淬火加熱時的晶粒長大和增加耐磨性。含鉬的高速鋼鑄態共晶碳化物網較細薄，易於加工破碎，分布較均勻，顆粒較小，熱塑性和韌性也較高；但含鉬的鋼易脫碳，淬火過熱敏感性也較大，而鎢鋼在此方面正與之相反。因此鎢和鉬適當配合，能獲得綜合性能更好的鋼種。

鉻為保證鋼的高淬透性，各種高速鋼都含鉻4%左右。鋼中形成以鐵鉻為主的M26C6碳化物，鉻也可溶於M6C與MC中形成合金碳化物，促使這些難溶碳化物淬火時較多地固溶。使淬火馬氏體具有足夠的碳和合金元素，有利於回火時大量析出 M2C與MC。所以鉻對二次硬化也有間接作用。此外，含 4%鉻對高速鋼的抗氧化性起重要作用。

釩所有高速鋼都含釩 1%以上。碳化釩淬火加熱時可部分固溶，回火時析出彌散的MC型碳化釩，有力地增強二次硬化作用；未溶的碳化釩有助於阻止淬火加熱時晶粒長大，而且由於硬度極高，能顯著提高鋼的耐磨性；但降低了可磨削性。高釩鋼中如能採取措施細化一次碳化物MC的顆粒，可改善磨削性。最有效的辦法是用霧化法快速冷卻鋼液得到合金粉末，製成粉末冶金高速鋼，使一次碳化物得到細化。

鈷鈷本身不形成碳化物，其作用主要是增加回火時析出 MC、M2C的形核率，減緩其聚集長大速度。此外，鈷可提高高速鋼晶界熔化溫度，因而提高鋼的淬火溫度，使奧氏體內的合金度增大。這些作用都有效地提高了高速鋼的耐熱性，但鈷含量過高時也會降低鋼的韌性。

套用場合

高速鋼主要用來製造中、高速切削刀具，如車刀、銑刀、鉸刀、拉刀、麻花鑽等。

製備方法

W18Cr4V鋼的最終熱處理為高溫淬火和多次回火。W18Cr4V鋼的淬火溫度高達1270～1280℃，淬火冷卻後得到馬氏體、碳化物和殘餘奧氏體(20%～30%）。回火採用560℃三次回火，多次回火的主要目的是消除淬火組織中較多的殘餘奧氏體，使其轉變成馬氏體；三次回火還能使馬氏體中析出更多的碳化物，產生二次硬化，提高熱硬性。熱處理後高速鋼的硬度可達63~65HRC。

高速鋼屬於萊氏體鋼，鑄態組織中有粗大魚骨狀的合金碳化物，這種碳化物硬而脆，若不消除這種碳化物的不均勻性，製成刀具後將出現早期損壞，使刀具易出現“崩刃”，故必須用反覆鍛打的方法將其擊碎，使碳化物細化並均勻分布在基體上。W18Cr4V鋼鍛造後進行退火，以消除內應力，降低硬度改善切削加工性能，並為淬火做好組織準備。

鋼鐵工業運行情況

(一)產量創歷史最高水平。2013年1-6月，全國累計生產粗鋼3.9億噸，同比增長7.4%，增速較去年同期提高5.6個百分點。前6個月，粗鋼日均產量215.4萬噸，相當於年產粗鋼7.86億噸水平。其中，2月份達到歷史最高的220.8萬噸，3-6月份雖有回落，但仍保持在210萬噸以上較高水平。分省區看，1-6月，河北、江蘇兩省粗鋼產量同比分別增長6.8%和13.2%，兩省合計新增產量占全國2694萬噸增量的42.4%，另有山西、遼寧、河南和雲南等省增產也在100萬噸以上。分企業類型看，1-6月，重點大中型鋼鐵企業粗鋼產量同比增長5.5%，低於全國平均增幅2個百分點，但仍有60%的增產來自重點大中型鋼鐵企業。

(二)鋼材價格低位運行。2013年1-6月，國內鋼材市場整體表現低迷。隨著粗鋼產能大幅釋放，市場供需陷入失衡狀態，鋼材價格步入下降通道，已弱勢下跌4個多月。截止2013年7月26日，鋼材價格指數降到100.48點，低於年初6.6點。鋼鐵工業協會重點統計的八個鋼材品種價格比年初均有不同程度的下降，平均跌幅5.7%。分品種來看，占我國鋼材產量比重較大的建築用線材、螺紋鋼價格跌幅分別達4.9%和6.7%，中厚板和熱軋卷板價格跌幅分別達5.7%和9.7%。

(三)鋼材出口增長較快。國內鋼材市場供需失衡刺激企業出口。1-6月，我國累計出口鋼材3069萬噸，同比增長12.6%;進口鋼材683萬噸，下降1.8%，進口鋼坯和鋼錠32萬噸，增長50%。將坯材折合粗鋼，累計淨出口2506萬噸，同比增長17.3%，占我國粗鋼產量的6.4%。從出口價格看，1-6月出口棒線材均價624.3美元/噸，同比下降18%;板材835.2美元/噸，同比下降2.8%。

(四)鋼廠及社會庫存高位運行。市場供需矛盾向流通領域蔓延，國內鋼材庫存延續上年末增長態勢。3月15日達到歷史最高的2252萬噸，比上年最高點增加351萬噸，其中建築鋼材庫存1432萬噸，占庫存總量的63.6%。之後，隨著季節性消費增加，庫存逐漸回落，7月26日降至1540萬噸。市場供大於求也推高鋼廠庫存，3月中旬重點企業鋼材庫存創歷史記錄，達到1451萬噸，同比增長29.7%，6月下旬降至1268萬噸，仍比年初增長29.9%，比2012年同期增長11.4%。

(五)鋼廠盈利水平逐月下滑。2013年上半年，冶金行業實現利潤736.9億元，同比增長13.7%，其中黑色金屬冶煉和壓延加工業實現利潤454.4億元，同比增長22.7%。1-5月份重點大中型鋼鐵企業的盈利狀況遠不如行業總體水平，並呈逐月下降態勢，儘管實現利潤增長34%，但也僅有28億元，銷售利潤率為0.19%。5月當月，86家重點大中型鋼鐵企業僅實現利潤1.5億元，連續5個月環比下滑，其中34家虧損，虧損面高達40%。

(六)鋼鐵行業固定資產投資增幅明顯回落。2013年1-6月，鋼鐵行業固定資產投資3035億元，同比增長4.3%，其中黑色金屬冶煉及壓延投資2356億元，同比增長3.3%，比2012年同期回落6.1個百分點;黑色金屬礦採選投資679億元，同比增長7.8%，增速大幅回落15個百分點。

國家標準

基本信息

標準號StandardNo：GB/T 9943-2008

中文標準名稱StandardTitlein Chinese：高速工具鋼

英文標準名稱：High-speedtool steels

發布日期IssuanceDate： 2008-05-13

實施日期ExecuteDate：2008-11-01

首次發布日期FirstIssuanceDate ：1984-06-05

標準狀態StandardState：現行

複審確認日期ReviewAffirmanceDate ：

計畫編號Plan No：20060825-T-605

代替國標號ReplacedStandard：GB/T4462-1984,GB/T 9942-1988,GB/T 9943-1988

被代替國標號ReplacedStandard:

廢止時間RevocatoryDate:

採用國際標準號AdoptedInternationalStandard No：ISO 4957：1999

采標名稱AdoptedInternationalStandard Name：工具鋼

採用程度ApplicationDegree：NEQ

採用國際標準AdoptedInternationalStandard ：

國際標準分類號(ICS) ：77.140.35

中國標準分類號(CCS) ：H40

標準類別StandardSort：產品

標準頁碼NumberofPages:

標準價格（元）Price（￥） :

主管部門Governor ：中國鋼鐵工業協會

歸口單位TechnicalCommittees：全國鋼標準化技術委員會

起草單位DraftingCommittee：東北特殊鋼集團有限責任公司、河冶科技股份有限公司、重慶東華特殊鋼有限公司等

範圍

本標準規定了高速工具鋼的訂貨內容、分類、尺寸、外形及其允許偏差、技術要求、試驗方法、檢驗規則、包裝、標誌及質量證明書等。

本標準適用於截面尺寸（直徑、邊長、厚度或對邊距離）的不大於250mm的熱軋、鍛制、冷拉等高速工具鋼棒（圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼等的總稱，以下簡稱鋼棒），盤條及銀亮鋼棒，其化學成分同樣適用於錠、坯。

規範性引用檔案

下列檔案中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用檔案，其隨後所有的修改單（不包括勘誤的內容）或修訂版均不適用於本標準，然而，鼓勵根據本標準達成協定的各方研究是否可適用這些檔案的最新版本。凡是不注日期的引用檔案，其最新版本適用於本標準。

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