干货：高性能高速钢刀具材料及热处理工艺

作者：邢义、宋学全

单位：哈尔滨第一工具制造有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

高速钢自诞生以来，作为机械加工中切削刀具的最基础用材一直被广泛的采用，尤其高性能高速钢、粉末高速钢的大量应用，使精密复杂高速钢刀具仍占据着刀具市场的较大份额。高性能高速钢按最终冶炼方法的不同可分为电弧炉冶炼高速钢、中频感应炉冶炼高速钢、电渣重熔冶炼高速钢、粉末冶金高速钢等种类。相对于高速钢刀具而言，尽管存在高速钢冶炼方式的差异，但刀具的耐用与否及使用寿命高低，更直接地与高速钢的化学成分以及热处理相关。因此，建立起“化学成分—组织结构—力学性能”三者的对应关系，选择适宜的材料及热处理工艺，对于保证高速钢刀具的使用性能尤为重要。

1.高性能高速钢分类及刀具选材

（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，归属于高碳、高合金型的工具钢。其中碳元素含量范围一般在0.7%~1.6%；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%~40%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；Mo-系高速钢；W-Mo系高速钢及含Co、含AL、高V等高性能高速钢；高速钢区别于其他类型钢另一个成分特点为：Cr元素含量固定在wCr=4%左右。

（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，20世纪40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此种牌号为基础展开，材料工作者通过核考W当量、以Mo代W、及添加提高性能的Co、AL、V等元素进行合金化冶炼，使高速钢牌号增加达百余种。M2钢碳化物组织细小，碳化物分布均匀性好，钢材强度及塑、韧性较好。通用型的高速钢，可供制造各类机加工用一般刀具选用，通常被加工件硬度不大于280HBW，切削速度不高于25~40m/min。

（3）高性能高速钢主要牌号及应用

与通用型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力学性能以及提高刀具的切削速度、争取较长的使用寿命，符合现代切削加工发展的高性能需要。高性能高速钢一般泛指材料热处理硬度、抗回火软化能力、耐磨性等显著高于通用型高速钢的钢种。高性能高速钢按合金化特点，可分成无钴、含钴、高钒、含钴高钒等几类高性能高速钢。表1为应用较多的几类高性能高速钢。

表1   几种常用高性能高速钢牌号及特性

类别

主要牌号

成分特点及特性

适合的刀具品种

硬度HRC

无Co

W6Mo5Cr4V2Al(M2Al)

W9Mo3Cr4VAl(W9Al)

W6Mo5Cr4V2 S i (M2Si)

含碳量较高，平衡碳差值小，碳饱和度高易混晶，淬火范围窄

立铣刀、绞刀、车刀、片铣刀、拉刀

65～67

含Co

W6Mo5Cr4V2Co8(M36,C8)  W9Co5、M35、M42

W8Mo5Cr4VCo3N(Co3N)

红硬性高，抗回火软化能力强，可加工性较好，综合性能较好

齿轮滚刀，镶齿铣刀刀齿，剃齿刀，各种拉刀

大于64

高V

W6Mo5Cr4V3(M3、S607)

W9V3 、W6Mo5Cr4V4(M4)

W12Mo3Cr4V3N(V3N)

含碳量高，耐磨性好，

可磨削性差，

丝锥，绞刀，高强钻，滚刀，插齿刀、轮槽铣刀

大于65

含Co

高V

W12Cr4V5Co5(T15)

W12Mo3Cr4V3Co5Si（Co5Si ）

碳含量较高，硬度高，耐磨性好，韧性差

高强车刀，各种齿轮刀具，精密铣刀

66～69

M42（W2Mo9Cr4V2Co8）是工具行业多年以来首选的含Co高性能高速钢，该钢是在通用型高速钢M7（W2Mo9Cr4V2）基础上添加8%Co变化而来，该钢种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。M42钢具有高的硬度、高的耐磨性、高的红硬性，主要用于军品、高强度调质钢及不锈钢、耐热钢的加工。M42钢的不足是，在使用状态下脆性较大，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、M35使用状态下的硬度范围，我公司一般控制在：M42 66~68 HRC， M35 65~67HRC。由于Co高速钢价格较高，多用于精密复杂刀具的制造。

（4）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、热等静压机的问世应用，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韧性，尤其是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变为了现实。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、前苏联等少数发达国家，我国还没有粉末高速钢的生产企业。故开发生产国产粉末高速钢，市场前景广阔。粉末高速钢主要牌号及特点如表2所示。

表2    粉末高速钢主要牌号及特点

代号

对比牌号

主要成分及近似传统冶炼钢的牌号

刀具特点

硬度HRC

ASP2015

瑞典

CPM Rex T15

美国

W12Cr4V5Co5(T15)

精密复杂、高速切削刀具、高耐热

67～69

ASP2023

S790PM奥地利S690PM

W6Mo5Cr4V3(M3) W6Mo5Cr4V4(M4)

高韧性、高抗压、高耐磨

大于65

ASP2030

S590PM

CPM Rex 76

W6o5Cr4V3Co8(M36)

W10Mo5Cr4V3Co9(M48)

高耐磨、高韧性、高热硬性

大于66

ASP2052

S390PM

W10Mo2Cr4V5 Co8

高耐磨、高韧性

66～68

ASP2053

P4M3φ8-MΠ前苏联

W4Mo3Cr4V8

高耐磨、高韧性

66～68

ASP2060

P6M7φ6K10-MΠ

W6Mo7Cr4V6Co10

高耐磨、高热硬性

66～70

2.高性能高速钢刀具热处理工艺选择概述

（1）淬火加热温度选择

高速钢中碳及W、Mo、Cr、V等主要合金元素的含量多少，决定了刀具最终热处理     淬火加热时，加热淬火的温度范围。最终淬火加热温度是刀具热处理工艺过程中最重要的工艺参数，适宜的淬火加热温度可确保刀具获得必要的高硬度（包括二次硬化）、高的红硬性及良好的强韧性，将满足机床和加工件对刀具高切削性能的需求。一般来讲，高速钢平衡碳差值小，碳饱和度高，宜选择较低加热温度淬火，通过研究M2钢发现，每增加0.1%C，晶界出现熔化的温度下降11℃；反之，碳饱和度低，可选择中限以上温度淬火加热，使碳化物能更充分的溶解，获取较高的热硬性，耐磨性。高速钢中大量存在的合金碳化物，其形态与分布、溶解与析出也影响着淬火加热温度的选择，大颗粒碳化物多、碳化物偏析严重，低倍组织级别高、成分偏析大，均应选择中限以下温度淬火。

（2）不同刀具品种淬火温度选择及淬回火组织控制

在不同服役条件下，各种机加工环境对刀具使用性能要求也有所区别。一般情况下，简单形状、连续切削、单刃半成品切削加工类的刀具，热处理可选择较高加热温度淬火；复杂形状、薄厚差大、超大规格、细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产品，对于中小规格的，可选用中上限淬火加热温度，大规格则选用下限淬火温度。表3为以M42钢为例，部分刀具产品淬火加热温度范围及淬火晶粒度、过热程度合格级别要求，各类高速钢刀具产品回火程度要求均需小于2级。

表3  M42钢刀具淬火温度范围及金相组织要求

产品名称

规格

淬火加热温度/℃

淬火晶粒度

过热程度

齿轮滚刀、盘形齿轮铣刀、直柄立铣刀等埋入盐浴加热的产品

全部

1170～1180

9～10.5

≤1级

锥柄立铣刀、锥柄键槽铣刀等局部加热的产品

全部

1175～1185

9～10.5

≤1级

各类钻头、绞刀

≥Φ15全部

1165～1175

9.5～10.5

≤1级

各种拉刀、推刀

中间规格

1170～1180

9.5～11

≤1级

（3）淬火加热时间选择及特大规格刀具热处理

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，淬火加热温度较高，淬火加热时间可相对减少，淬火温度较低，淬火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行计算，加热系数可按8～10s/mm。有效厚度特小的，可取上限，特小件最少加热时间也不得少于2min；有效厚度较大，可取下限，对于超大规格拉刀、滚刀等加热时间选择，可根据现场设备、压温实际情况决定，一般可在高温加热炉指示温度恢复到设定值透烧后，加热保温8～10min。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采取如何措施来保证刀具的热处理硬度要求，并避免刀具产生热处理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：

①对设计不良，加工不当等可引发热处理缺陷的，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，进行高温回火2～4h，以消除加工应力，做好淬火组织准备。

③热处理淬火加热、淬火冷却，均可采用多温度预热、多温度等温工艺；回火可增加等温预热，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.结语

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、高精度切削目标，迫使金属切削刀具的发展必须变得更高、更快、更强，高速钢刀具无疑将面临巨大的挑战。因此，高性能高速钢刀具材料及热处理工艺的生产开发及选择必将成为未来高速钢发展的重要方向。