漫談刀具材料（liào）中的高速鋼

當美（měi）國機械工程師泰勒(F·WTaylor)和（hé）冶金工程師懷特(M·White)發明它時，人們普遍用（yòng）來切削的刀具是合金工具鋼。 1900年（nián）由美（měi）國匹茲堡伯利恒鋼鐵公司生產（chǎn）的W18Cr4V(即ㄙ18，又稱T1，18-4-1，現國際標準（zhǔn）代號為18-0-1)高速鋼在巴黎博覽會上的公開演示，成為高速鋼發展史上第一個無可置疑（yí）的（de）裏程碑。十年後的1910年，一位（wèi）英國人這樣寫道：“在1900年巴（bā）黎博覽會上，一些（xiē）工（gōng）程師看到了一部（bù）高速運轉的車床，上麵（miàn）裝有一（yī）個工具，正用它尖頭的熾熱消除一個暗藍色碎片（piàn），工程師們意識到他們親眼見證了工具鋼和機床方麵的一（yī）個革命的開始。”

　　高速鋼的發明使切削中碳鋼的速度由提高到大約30m/min。拿一個（gè）直徑65mm，長度1000mm的45鋼工件來說，原來的加工時間需要（yào）100分鍾，而應用高速鋼隻需要約25分鍾。因此，人們對它的速度驚歎不（bú）已，稱其為“高速鋼”。W18Cr4V作為一個經（jīng）典的高速鋼牌號，一直延續（xù）使用至今。隻是由於鎢資源的缺乏，以及高鎢高速鋼在熱成（chéng）形工藝性（xìng）方麵的一些不足，在近20年（nián）裏，它的統治地位才逐漸被W6Mo5Cr4V2(即M2)所取代。

　　高速鋼刀具材料主要（yào）由兩（liǎng）種基本成分構成：一種是金屬碳化物(碳化鎢、碳化鉬或碳化釩)，它賦（fù）予刀具（jù）較好的耐磨性；二（èr）是分布在周（zhōu）圍的鋼基體，它使刀具具有較好的韌（rèn）性和吸收衝（chōng）擊、防止碎裂的能力。

　　碳化鎢(WC)在大幅度提高高速鋼的切削速度方麵的貢（gòng）獻是決定（dìng）性的，我個人的看法，是這一發現對於（yú）以後硬（yìng）質合（hé）金的發明也具有奠基石的作用。如今我們大量使用的鎢基硬質合金，其主（zhǔ）要的硬質相(對（duì）刀具硬度、耐磨性其決（jué）定作用的成分)依然是（shì）碳化鎢。

　　高速鋼後來有（yǒu）被稱為“風（fēng）鋼”。我在30年（nián）前進（jìn）入上海工具廠時，絕大多數的（de）工人師傅都是這麽稱呼高速鋼的。在學習有關熱處理的知識時，老師告訴我，其（qí）它許多鋼（gāng）材在進行淬火時，當材料被加（jiā）熱（rè）到完全奧氏體的相變溫（wēn）度以後，必須（xū）放入水或其它介質中急速冷（lěng）卻以得到堅硬（yìng）的（de）“馬氏體”組織，如果（guǒ）冷（lěng）卻速度慢了(例如在空氣中冷卻)，就會變成（chéng）較軟的珠光體、滲碳體等組織，硬度就會比較低；而高速鋼在加熱到“奧氏體”組織後即使在空氣（qì）中冷卻，也會（huì）得到“馬氏體”組織，即高（gāo）速（sù）鋼能夠在“風（fēng）”中淬硬，它“風鋼”的名稱由此而來。

　　實踐發現高（gāo）速（sù）鋼的晶粒大小對高速鋼（gāng）的性能產生著巨大的影響。在網站上（shàng）曾經發過一份資料，是《W18Cr4V鋼奧氏體晶粒度參考（kǎo）圖（tú）》，其中號碼數字較大的高速鋼(如11號)比號碼數字較小的(如8.5號)的性能優越許多（duō）。有資料（liào）稱，製備普通高速鋼時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄（zhù）模，使其緩慢冷卻凝固。此時，金屬碳化（huà）物從溶液中（zhōng）析出，並形成較大的（de）團塊。高速鋼中（zhōng）添加的合金（jīn）含（hán）量越多，碳化物團塊就（jiù）越大。達到某一臨界點時，可形（xíng）成尺寸（cùn）極大的碳化物團塊(直徑可達40μm)。出現大的碳（tàn）化物團塊的（de）臨界點根據鋼錠的尺寸以及其它因素而略有不同，但一般是在碳化（huà）釩（fán）含量達到約4%時發生（shēng）。通（tōng）過對鋼錠進行鍛造、軋（zhá）製（zhì）等後續加工，可以粉碎其中一部分碳化物（wù）團塊，但不可能將（jiāng）其完全消除。雖然增加鋼材中（zhōng）金屬碳化物（wù）顆粒的數量可以改善材料的耐磨性（xìng），但隨著合金含量的增加，碳化物（wù）的尺寸及團塊數量也會隨之增加，這對於鋼材的（de）韌性會（huì）產生極（jí）其不利的影響，因（yīn）為大的碳化物團快可能成為產生裂紋的起始點。因（yīn）此，國外很早就開展研究，追求高速鋼的（de）細晶粒化。