從高速鋼的名字談起
高速鋼誕生以來,對現代工業的發展起到了重要的作用。可以說沒有高速鋼,就沒有現代的金屬加工業。盡管硬質合金等材料的崛起對高速鋼形成挑戰,但在特定領域,高速鋼仍然是首選的材料。
高速鋼在材料家族有這么重要的地位,要從它的名字談起。
鋼鐵材料的名字通常相當凝練,多以特性或用途命名:不銹鋼,表明這種鋼的主要特性是不生銹;彈簧鋼,說明這種鋼的特性很適合用來制作彈簧或彈性元件;冷作模具鋼,是用來制作常溫成型的模具用鋼;易切削鋼,說明這種鋼的被切削性能十分優異……
高速鋼也不例外。初次接觸,一定很疑惑,“高速”二字從何而來?解答這個疑惑,需要了解高速鋼的用途和發明背景。
高速鋼,High Speed Steel,一般簡寫作HSS,是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼,它的主要用途是用來制作金屬加工切削刀具。
在高速鋼出現之前,金屬加工業的刀具材料主要是高碳鋼,切削速度比較慢,通常在10m/min以下;高速鋼初被發明并制成刀具,相較碳素工具鋼,切削速度大幅提高,對中碳鋼進行切削,切削速度能達20m/min。1900年的巴黎世博會上,高速鋼一亮相就引起轟動,其吃刀深度和進刀量,尤其是切削速度,給觀眾以強烈的震撼,高速鋼由此得名。
作為刀具,高速鋼在高速切削時,即使溫度達到500℃,仍然能保持高的硬度,HRC在60以上。這種性能稱為紅硬性,是高速鋼最主要的特性。
從高速鋼的材料成分來說,鎢(W)、鉬(Mo)、鈷(Co)是改善其紅硬性的主要功臣,使之能承受刀具和工件摩擦產生的熱量,還能提高高溫耐磨性。
普通碳素工具鋼經熱處理(淬火和低溫回火)后,在室溫下也有很高的硬度,但隨著溫度升高至200℃,這種硬度會急劇下降,當溫度繼續升高到500℃時,硬度已經降到與退火狀態相當的程度,完全喪失了切削金屬的能力。
由于碳素工具鋼有這樣的致命缺點,高速鋼的紅硬性更顯卓爾不群人人向往,自從高速鋼面世后,金屬加工領域,碳素工具鋼迅速被高速鋼淘汰,各種牌號的高速鋼被發明并商用。
1965年,美國Crucible Steels發明了粉末冶金法生產高速鋼,高速鋼的性能及使用壽命得到了更大的提升。直到今天,高速鋼仍然是刀具材料賽場的一線選手。
當然,現在各種刀具材料不斷被發明,硬質合金、陶瓷材料、立方氮化硼(CBN)、人造聚晶金剛石(PCD),這些新材料不但加工速度不遜于高速鋼,而且能在更高的溫度維持切削性能,高速鋼已經失去了初期的明星氣質。但是對于制造形狀復雜、磨削困難的刀具,如拉刀、剃齒刀、插齒刀等,高速鋼始終處于主導地位。而且高速鋼還有它的殺手锏,那就是韌性好,要求刀具具備高韌性時,就非高速鋼莫屬了。
表 高速鋼與其他常用刀具材料性能比較
種類
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硬度
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維持切削性能
最高溫度(℃)
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抗彎強度
(Mpa)
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高速鋼
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62~70HRC
(82~87HRA)
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540~600
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2500~4500
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司太立合金
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60~65HRC
(81~83.6HRA)
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600~650
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1400~2800
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硬質合金
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89~93.5HRA
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800~1000
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900~2500
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陶瓷材料
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91~94HRA
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>1200
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450~850
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熱壓氮化硅
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2000HV
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1300
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750~850
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CBN
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3700~4500HV
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1000~1300
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420
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PCD
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7500~8500HV
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<723
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300
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