概述

　　高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。因其工艺性能好，强度和韧性配合好，主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。高速钢自19世纪末诞生以来，在钢种系列、钢材品种、冶金质量等方面不断完善、提高(表1)，虽然面临被硬质合金等材料替代的挑战，至今在刀具材料领域仍占有重要地位(图1)。

　　近十年国内高速钢材料的发展

　　生产模式和生产技术

　　高速钢生产特点是多品种、小批量、质量要求高，世界著名高速钢制造商多为专业化生产厂，如Erasteel、Bohler、Nachi等。冶炼多采用电炉+模铸，尽管超高功率电炉+二次精炼+连铸已用于大多数特殊钢种，至今未见采用连铸工艺规模生产高速钢。

　　九十年代后期，国内高速钢生产格局发生巨大变化，大连特钢、重庆特钢、宝钢特钢等国有综合特钢厂调整产品结构，逐步放弃高速钢，河冶科技、江苏天工、江苏福达等专业化生产厂取而代之成为高速钢生产主力军。

　　目前高速钢生产流程有两种，即传统熔炼工艺和粉末冶金工艺。高速钢的品质基础是纯净度和铸态组织，为改善纯净度，冶炼工序广泛采用了精炼技术，如炉外精炼LF、真空脱气VD、电渣重熔ESR和真空感应熔炼VIM;为改善铸态组织，研究了电渣重熔ESR、粉末冶金工艺PM和喷射成型工艺SF。目前国内高速钢生产流程以传统熔炼工艺为主，典型流程有两种：

　　电弧炉冶炼生产工艺流程

　　10-30t电弧炉冶炼(+LF+VD)→模铸下注，300-1000kg钢锭→退火或热送→(快锻机，精锻机，3-5t电液锤，750-850初轧)开坯→一次坯退火，修磨→二次开坯或加工成材→成品退火→精整→检验→包装→入库。

　　电渣重熔生产工艺流程

　　1-5t感应炉冶炼→浇注自耗电极→电渣重熔，50～1000Kg钢锭→退火→开坯→退火修磨→成材→退火→精整→检验→包装→入库。

　　流程1)适于规模化(1万吨以上)生产，流程2)适于小批量生产。关键工序关键技术得到广泛应用和发展，主要有以下几个方面：冶炼工序精炼技术，开坯工序精锻开坯技术和以轧代锻技术;轧制工序精轧技术;精整工序剥皮工艺和检测技术。

　　高速钢产销量

　　正常情况下世界高速钢总产量在13.8-17.3万吨/年(表2)。其中工业发达日本1980年以来高速钢产量基本稳定在1.5-2万吨范围(图2)。受经济危机影响2009年全球高速钢产量大幅度减产，其中日本减产50%以上，仅0.7万吨，欧美减少40%以上，仅3万吨。

　　根据中国特钢行业高速钢专业组统计，2000-2009年中国高速钢产量见表3和图3。受益于制造业向中国转移，2000-2008年我国高速钢产量增加1倍，特别是2002、2003、2006和2007年增速明显。受经济危机影响2009年我国高速钢减产22%，明显低于西方减产比例。中国高速钢产量在世界总量中所占比例已超过50%，预计我国高速钢产量将进一步增加，2015年可望达到10万吨。

　　说明：GB/T9943-2008发布之前，低合金高速钢概念模糊，有部分达不到高速钢低要求的合金工具钢未能全部剔除。

　　鉴于高速钢专业厂增加品种，高速钢钢锭按钢种易于区分，钢材产量按品种统计，难于按钢种区分，因此有修订。

　　钢种和品种

　　高速钢定义：至少含有W、Mo、V中两种，且W+Mo+V≥7%(W+1.8Mo≥6.5%);C≥0.6%;Cr=3-6%。高速钢按生产工艺分为传统高速钢(Conv.HSS)、粉末冶金高速钢(HSS-PM)和铸造高速钢(HSS-CF)，传统高速钢按成分性能差异可分为普通高速钢(HSS)、低合金高速钢(HSS-L)和高性能高速钢(HSS-E)三类(图4、表4)，其中高性能又分为含钴(>4.5%Co)、含铝和高钒(>2.5%V)三种。

　　发展趋势表明，高速钢性能不断提高，高性能高速钢比例逐步提高。由表5可知，美国市场消耗高速钢总量中高性能高速钢已占30%，粉末冶金高速钢约占15%。国产高性能高速钢比例增长虽然缓慢(图5)，但产量成倍增长钢种结构趋于合理(前期以我国自主研发的无Co和低Co高性能高速钢如M2Al、W12V3N、W8Co3N为主，近期以国际通用的M35、M42为主)。低合金高速钢所占比例与合金元素W、Mo、V价格变动有关，2004-2005年国内低合金高速钢所占比例大幅度增长还与家用工具无序出口、社会投机、缺乏监管有关。

　　随着全球经济一体化进展，各国高速钢钢种系列基本与国际标准接轨，虽然各国标准所列钢种众多，实际应用集中在5-7种。传统高速钢常用钢种：西方以EM2(HS6-5-2C)、M3(HS6-5-3)、M35、M42、HS10-4-3-10(T42)和HS3-3-2为主，我国以M2、W9、M2Al、M35、M42、W4Mo3Cr4VSi和HYW3为主。

　　粉末冶金高速钢(HSS-PM)是高速钢中高质量、高性能的代表，HSS-PM无碳化物偏析，抗弯强度是传统高速钢的2倍以上，耐磨性和高温硬度均大幅度提高，对满足机械加工的高难度要求十分有效，用于大模数重载切削滚刀等关键刀具、模具和关键部件，是能源、重大装备、军工、大飞机等“十二.五”期间发展重点行业所需提供的支撑材料。由表6可知，齿轮刀具和拉刀中粉末冶金高速钢比例已超过50%。

　　近十年国内高速钢材料的发展

　　粉末冶金高速钢常用钢种以S390和S590为主。国内粉末冶金高速钢年用量已有200吨以上。HSS-PM是我国亟待重点开发的高速钢产品，河冶科技与航空材料研究院、安泰科技、北京科技大学共同承担了科技部支撑计划项目“粉末冶金高速钢现代工业制备技术的开发”，已完成中试，河冶科技拟安排产业化生产线建设。

　　国产的高速钢品种规格范围见表7，基本满足国内需求，并部分出口。直径20mm以上热轧圆钢多数已实现剥皮或扒皮交货。随市场发展，为用户创造价值，一些高速钢生产厂向用户提供锻制毛坯、空心拉刀坯、缩柄丝锥毛坯等，免除了用户的再变形加工和部分粗加工。此外出现了一些品种专业厂，如高速钢钢板和扁钢生产厂等，丰富了品种和市场。

　　质量

　　以Bohler为代表的西方高速钢制造商由于生产历史悠久，经验丰富，其产品质量优良稳定，1996-2005年我国高速钢生产经历了由综合特钢企业向高速钢专业生产厂转移，高速钢产品质量一度下滑，近十年来特别是2005年以来专业厂逐渐发展并成长，我国高速钢实物质量明显提高，不仅外资企业所用高速钢逐步被国产高速钢替代，还有10%左右的高速钢出口。但国产高速钢在个别品种质量上仍有差距，如3.0mm以下小规格钢丝产品质量不能满足要求，有赖进口，M35、M42棒材质量不稳定，部分依赖进口。

　　我国高速钢面临的挑战和发展机遇

　　高速钢进口和出口

　　2007-2009年进口高速钢总量分别为5486.346吨、6196.409吨和3282.058吨。扣除来料加工后分别为5181.857吨、4707.310吨和2699.429吨。2007-2009年进口高速钢品种见图6，以高速钢棒材、盘条(用于加工钢丝)、钢丝和板材为主;进口货源地(图7-8)主要是瑞典、日本、法国和奥地利。其中进口瑞典产品以盘条为主，其钢种主要是M2、M35和C8。进口日本、法国和奥地利产品则以棒材为主，其钢种主要是高性能高速钢(M35、M42)和粉末冶金高速钢。2009年多数进口量下降，唯有奥地利产品进口量保持增长，可见Bohler产品的品牌地位。

　　2009年我国高速钢出口量为8297吨，占当年高速钢钢材产量的13%，比2008年减少2123吨，减幅20%。出口厂家有河冶科技、江苏天工、江苏飞达、江苏精工和江苏福达。出口品种以冷拉材、剥皮材和热轧棒材为主，钢板和钢板加工后的锯片毛坯也有出口。

　　国内主要差距

　　实物质量

　　从进口和出口高速钢品种结构对比，以及表8对比可以看出国产高速钢产品质量与国外产品尚有一定差距，主要体现在：70mm以上锻材碳化物不均匀度超标，特别是M35、M42和W9钢易出现未变形莱氏体。碳化物组织不良犹如增大了裂纹源尺寸，导致材料淬回火后抗弯强度降低(图9)，大规格刀具易发生崩刃掉齿。冷拉钢丝表面脱渗碳层深度时有超标，特别是直径3.0mm以下钢丝经常发现渗碳现象。高性能高速钢质量不稳定。

　　开发能力和工艺技术水平

　　质量差距的背后是开发能力和工艺技术水平的差距。开发能力体现在拥有研究机构、技术专家和专有技术情况，目前我国高速钢在这些方面差距甚大，我国曾有一批高速钢研究机构和专家，但随着生产主体转移，原有机构削弱，新型专业厂研究开发能力不足、投入不足，长期处于技术落后状态。

　　高速钢生产主体的转移和流程的改变带来我国高速钢制造技术的重新探索，使得我国高速钢制造技术的发展滞后了若干年。应该看到我们在高速钢精炼技术、碳化物改善技术、拉拔技术等方面由于生产主体的转移和流程的改变拉大了与国外的差距。

　　服务

　　我们的服务与国外同行相比差距更大，特别是面对下游客户的多样性、不系统性和依赖性需要我们提供更系统、更具针对性的服务，应该说与其他合金特殊钢相比要求更高。特别要指出很多新型的民营工具企业试图凭借其价格优势很快赢得市场优势，对高速钢质量和价格要求苛刻，但对高速钢的选择与应用缺乏经验，因此高速钢供应商的服务面临严峻挑战。

　　替代产品和技术的挑战

　　硬质合金的发展

　　硬质合金通过超细化技术强度和韧性显著提高，应用面扩大，成为主要的刀具材料。传统硬质合金WC颗粒尺寸为1.0-6.0μm，目前工业生产的硬质合金WC颗粒尺寸已达到0.5-0.8μm(超细颗粒)甚至0.2-0.5μm(超微颗粒)，其抗弯强度与淬回火硬度为65HRC的高速钢相当。整体硬合金刀具，尤其是通用的量大面广的中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具，用来代替传统的高速钢刀具，使切削速度和加工效率提高了数倍，把量大面广的通用刀具带入了高速切削的范围，为切削加工全面进入高速切削阶段奠定了基础。目前硬质合金刀具已成为国内外工具公司的常规产品，并将随着整个切削加工水平的提高获得更为广泛的应用。

　　涂层技术的发展

　　刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用，自从问世以来发展非常迅速，尤其是近几年取得了重大的进展。物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目，在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展，不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层，如超级TiAlN，及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层，而且通过对涂层结构的创新，开发了纳米、多层结构，大幅度提高了涂层硬度和韧性。

　　PVD涂层技术的新进展，向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势：可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层，以满足加工多样性的需要，是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术，有着十分广阔的应用前景。

　　进口刀具的冲击

　　2008年国内刀具消费总额41亿美元，其中国产刀具27亿美元(约190亿人民币)，进口刀具14亿美元(约100亿人民币)，约占总消费的35%，以硬质合金、粉末冶金/高性能高速钢刀具为主。

　　发展机遇

　　制造业发展

　　我国制造业的快速发展带动了工具和工具材料产业的发展。以国外著名汽车品牌企业为代表的国外投资带动了一批著名工/模具品牌企业如YG1、OSG等到中国投资办厂，这些企业的材料供应商曾经主要是国外供应商，材料本土化是必然趋势。

　　高速钢工具及高速钢出口

　　2008年出口刀具85亿元，约11亿美元，以低合金高速钢和刃具钢家用工具为主。受资源影响特别是经济危机影响，世界著名工具制造商纷纷调整经营模式和产品结构，或在中国建厂或通过OEM采购中国产品，甚至放弃高速钢刀具产品。

　　高速钢主要合金元素有钨、钼、铬、钒，其中钨、钼、钒属贵重金属，世界范围内资源有限，各国高速钢发展都受到资源的制约，相比之下我国拥有钨、钼、钒资源优势，高速钢具有价格优势，因此2006年以来吸引了众多欧美、韩国、印度等客户，高速钢出口前景良好。2008年高速钢出口量达到10420吨，受经济危机影响2009年出口量有所减少，但可以预测我国高速钢出口前景良好。

　　产业联合

　　国内高速钢生产模式有两个特点，一是专业化，二是高速钢与高速钢工具联合生产，如大连远东、江苏天工和江苏晶工等，这些企业由生产刀具发展到生产高速钢，2008年消耗高速钢2.5万吨以上，约占全国总量的30%。有的企业还投资矿山，形成钨钼矿产-铁合金-高速钢-工具产品完整的产业链。这种产业联合降低了成本，加快了信息反馈和产品研发，增强了企业竞争力和抗击风险的能力。

　　提高我国高速钢产品质竞争力的几点建议

　　高速钢企业在支持下努力实现重点技术突破，如粉末冶金高速钢制备技术，争取实现50%以上自给;高速钢喷射成型技术，满足装备制造业对高质量大截面高速钢需求;300kg盘重高速钢热轧盘条生产技术;高品质小规格(直径3.0mm以下)高速钢钢丝制备技术。

　　设立级高速钢工程技术研究中心，培养高层次人才;广泛开展产学研用合作研究和开发，广泛开展高速钢生产企业与工具企业高层技术人员互访沟通，广泛开展国内外交流互访;深入研究进口刀具材料和涂层。在高速钢领域扶强放小，重点支持优势企业，打造世界级高速钢品牌。强化服务-选择应用、失效分析、热处理技术支持。