高速钢制品—刀具、模具、轧辊等，是资源、技术和劳动密集型的产品。扩大高速钢制品产量适应国情，符合可持续发展战略方针。
    对高速钢的发展而言，包括量的增长和质的提高。就当前而言，中国已经是世界{zd0}的高速钢生产国，质的提高是当务之急。

我国拥有丰富的钨、钼、钒资源，怎样用高新技术生产优质工具钢—高速钢、模具钢、基体钢，进而深加工成刀具、量具、模具和轧辊等成品，满足国内需要，进入国际市场取代资源出口，这不仅是当务之急，而且是一个具有深远意义的战略发展问题。

    我国钨钼钒的资源优势

    1　钨资源的形势

    我国金属钨储量180万t(基础储量420万t)，占世界总储量的62%（美国地质局2005年数据），产量及出口量均居世界{dy}，具有举足轻重，左右世界钨市场的能力，但近年来由于无序开采，盲目资源出口，低价倾销，使钨业陷入困境，环境破坏严重。

    2　钼资源的形势

    我国金属钼储量高达184万t(基础储量330万t)，产量居世界第二，陕西金堆城、河南滦川钼矿床之大是世界所罕见的。我国用于钢铁工业的钼占总产量的77%。我国钨钼矿很多系共生矿，要采用湿法冶金方法分离殊为困难，对于钢铁工业生产高速钢和模具钢，钨和钼均为有价合金元素，可部分替换，不必致力于分离。

    3　钒资源形势

    我国钒资源丰富，仅攀枝花钒钛磁铁矿区就有V2O5资源储量达2500万t，近年攀枝花钢铁公司在转炉提钒上应用新技术、提高钒渣的品位，成为世界三大产钒企业之一。湖南、湖北、四川和安徽4省石煤伴生钒资源储量达2000万t之多，正待开发。

    钒的主要用途在钢铁工业，在低合金钢、工具钢和其他合金钢中用量占87%。在钛合金中用作合金元素，如Ti6Al4V，Ti6Al6V2Sn，Ti8AlMoV合金用于驱动装置构件、飞机船舶骨架结构及反应堆材料。

    4　钨铁、钼铁的出口是变相资源出口

    仲钨酸铵由于执行了国家出口配额制，1997年以来出口量受控制，而价格逐渐回升。鉴于外经贸部解除了对铁合金配额限制，误将钨铁、钼铁视为一般铁合金，钨铁出口量剧增，由1996年656t到2003年达6028.6t，7年的时间增长了9.2倍。

    全部用新料1tW75的钨铁可以供冶炼12tM2高速钢，而通常电炉用40%返回料，1tW75的钨铁可冶炼20tM2高速钢。那么，6000t钨铁可冶炼12万t高速钢。                                                  现在国家对铁合金出口进行征税政策，钨铁钼铁征收20%的出口关税。

   1t钨铁冶炼综合电耗大于4000kW·h，排放大量CO2(300m3/t)，SO2，NOx。环境负荷ELV很重。因此钨铁、钼铁大量低价出口，不仅使资源优势丧失，又使我国沦为西方发达国家转移污染的场所。

高速钢及模具钢的重要性

    1　高速钢刀具

    根据世界工具协会统计，以切削刀具为例，我国高速钢刀具占总销售额的70%(含W、Mo)左右，硬质合金刀具(含WC、Mo2C及WSi2、MoSi2)占30%左右，而各类陶瓷刀具(氧化铝陶瓷、氮化硅-氧化铝陶瓷、立方氮化硼聚晶)仅占0.5%。高速钢问世至今已有近百年历史，合金化与制造工艺不断有发展，但材料基本成分变化不大，高速钢长盛不衰基于以下4点原因：

    (1)韧性和加工塑性比硬质合金刀具高一档次。硬质合金多用于车刀刃头形状简单刀具，而高速钢可用于铣刀、拉刀、丝锥、带锯锯条等复杂刀具；

    (2)高速钢制备工艺日益完善：为提高材料纯净度和均匀性方面采用电渣重熔精炼、微合金化、粉末冶金及表面涂层等新技术的发展；

    (3)价格低廉；

    (4)可回收再利用。

    钨系高速钢如美国ASTMT1钨的质量分数为18%，日本JISSKH3钨的质量数为18%，德国DINS18-1-2-5钨的质量分数为18%。钨钼系高速钢如美国ASTMM2w(W+Mo)=11%，日本JISSKH53w(W+Mo)=11%，德国DINS7-4-2-5w(W+Mo)=11%。

    高速钢热处理后有大量碳化物相析出(MC、M6C、M2C、M23C6等)，制成刀具在600℃左右红热温度下具有较高硬度(HRC>60)，保持良好的切削性能。因此，高速钢广泛应用于钻头、铣刀、拉刀、滚刀、绞刀、丝锥和锯条。
    根据OECD统计，2006年全世界高速钢钢材产量达25万t，我国产量居世界{dy}。

    2　高速钢模具

    目前家用电器零件约80%用模具加工；机电工业中70%零件用模具加工；塑料制品、陶瓷制品、橡胶制品、建材、耐火材料大量采用模具成型。一种中型载重汽车改型即需4000多套模具，净重2000多吨。20世纪80年代，日本、德国、美国等发达国家模具工业总产值已超过机床总产值。日本称“模具是促进社会繁荣的动力”；德国称“模具是工业发展的基石”。

    模具钢普遍含钼、钒等金属元素。特种热作模具钢含较高的钨：国产3Cr2W8Vw(W)7.5%～9.0%，美国ASTMH21w(W)8.5%～10.0%，日本热作模具钢JISSKD5w(W)9%～10%，英国热作模具钢BH26w(W)17.5%～18.5%，法国热作模具钢Z30WCV9w(W)8.5%～9.5%。

   
    3　高速钢作构件基体

    要求高硬度，高耐磨性的冷挤压冲头，冷轧轧辊曾采用高速钢来制造，但往往又由于其韧性差而过早失效。近年来为提高它的韧性而研究发展了基体钢，基体合金化学成分及淬火后基体组织与高速钢近似，但碳的质量分数减少，钢中共晶碳化物量少，碳化物尺寸细小，分布均匀。我国发展6W18Cr4V及6W6Mo5Cr4V等半碳高速钢。

    高级航空用轴承一直采用W18高速钢。近年由于温室效应，地球变热，空调制冷设备飞速发展。因此，空压机叶片用高速钢叶片的需求逐年上升，世界潜在市场达4万t/a。

我国高速钢的生产现状与存在问题

    1　我国高速钢产量

   根据统计，2007年世界高速钢钢材达27万t，我国实产钢材超过10万t，占世界总产量的30%以上，居世界xx。这是与我国国民经济快速增长的大好形势相适应，制造业的发展，切削加工零部件的增长，特别是我国丰富的钨、钼、钒资源，促进高速钢材产量的稳定增长。

   2　我国高速钢生产品存在问题

    目前我国虽然是高速钢生产大国，但与世界生产先进国家，如法国、日本，奥地利等国相比，在生产技术与产品实物质量上有较大差距，我国原有国有特殊钢企业，如上海第五钢厂、辽宁特殊钢厂与重庆特殊钢厂等的产品质量处于世界中上水平，与俄罗斯、捷克大体相当。但原特钢厂产量现在仅占国内9.36%。新兴的民营企业占较大份额，但相对来说，这些企业工艺装备、检测手段、技术水平参差不齐，具体表现如下。

    1)　表面质量差
   大部分黑皮交货，含裂纹比例高，尤其是小型材和线材表面脱碳层深度常超过标准允许范围。近年一度表面不合格比例占交货量3.1%。

    2)　尺寸精度低

    高速钢专业厂生产的热轧小型材，普遍采用横列式轧机，尺寸精度只能达到国标GB9943-88 的水平，实物尺寸公差比美国ASTMA600标准大1倍，比国外产品实物公差大2～3倍。

    3)　化学成分不均匀

    国外M42的化学成分为：w(S)≤0.01%；w(P)≤0.02%；w(As)+w(Pb)+w(Sn)≤0.045%。国产高速钢w(P)、w(Cu)常超标。

    4)　碳化物颗粒度与不均度的差距

    进口M2小型材热扭轧废品率<3%，国产约4%。进口M2碳化物颗粒度≤11μm。进口的M42与M35含Co高速钢硬度波动范围ΔHRC≤1。表2列出了进口M42高速钢中碳化物不均度的统计。
   
    表2　进口与国产高速钢中碳化物不均度比较
   

    从表2中可以看出，进口材1/4D处碳化物与国产M42相当，但1/8D处即刀具刃口部分碳化物比国产M42低1.5～2.0个级别，这有利于提高刀具寿命。

    5)　国产M42高速钢在夹杂物上的优势

    进口M42基本没有C类和D类夹杂，A粗0.5级、细1.0级，B类粗≤1.5级。国产M42系电渣重熔钢比进口M42钢夹杂低0.5～1.0级。

    6)　品种规格不全

    粉末冶金高速钢尚属空白，M42钢丝基本上属空白。国外高速钢板材可供厚为0.6～65mm的规格，法国Erasteel年产板4000t，主要是0.63mm薄板，为手用锯条提供原材料。

    我国河冶、天工等主要高速钢产品为M2、W4、W9、W18、M2Al、M42、M35，7个品种。法国Erasteel主有高速钢品种50多个，其中含粉末冶金高速钢产品ASP2030、2060等13个牌号。

    7)　缺少xx次产品

目前我国xx次的高性能高速钢(有含铝，含钴，含钒三种，并且含铝的M2Al为主)2003年仅占9.29%，国外含Co的高性能高速钢大致占20%～30%，以光亮材交货。

    8)　缺乏严格的国家标准与厂控标准

    美国ASTMA600标准比较完整、全面、要求较严，可作为制定我国新标准的参考。
    高速钢标准随冶金技术水平提高成分范围缩小，日本JISG4403～2000标准较JISG-83在原有13个钢号中，竟有10个缩小了成分范围，特别是C、Mo、W、V4个元素。更靠近国际标准ISO。国内高速钢标准沿袭前苏联标准，显然落后于发展。

发展我国高速钢及其制品的对策

  1　采用先进技术

    1)　熔融还原法冶炼高速钢

    狭义的熔融还原为“无焦炭炼铁”；广义的熔融还原即“在熔融状态下用还原剂(固态、液态或气态)还原矿石或精矿粉，以获得纯金属、合金、金属间化合物或合金钢”。将氧化矿直接还原时合金化率未超过8%的工业过程称为“直接还原”，合金化率超过8%的工艺过程称为合金钢的熔融还原。

    前期工作存在的问题是：1直接合金化量少，w(W)+w(Mo)≤5%；2合金收得率低，钨和钼的收得率低于88%；3不能使用低品位矿；4需用金属铝或工业硅等昂贵的还原剂，经济效益差。

    前期国内外利用氧化物矿直接还原冶炼含钨、钼钢存在的问题：

    (1)热力学研究落后。多数论文及专业书对反应物及反应产物的状态不清楚，自由能变化ΔG°不准确。很少用等温式计算实际自由能变化ΔG；

    (2)反应动力学研究不足。菲克{dy}定律适用于稳定扩散。而实际冶金过程是在各种物理场下进行的，存在对流、搅拌等运动；

    (3)挥发问题未解决。WO3在冶炼过程中有发挥损失，MoO3挥发尤为严重；

    (4)还原条件下的脱磷效果差；

    (5)反应器未配套；

    (6)电化学效应未得到应用。

    钢铁研究总院自1994年开始研究“熔融还原冶炼高速钢，对用白钨矿、氧化钼和钒渣冶炼高速钢进行热力学和动力学的计算与分析。在熔融还原过程中，CaWO4、MoO3、V2O5将被CaC2、Si-Fe、SiC所还原。反应过程包括：固-固反应、液-固反应、铁浴反应和液-液反应。开发了低温快速还原、控制渣量、抑制沸腾等技术。发现还原WO3的限制性环节是WO3在熔渣中的扩散，采取提高渣流动性，扩大反应界面能加快WO3的还原，并使用阻尼剂能有效抑制钼的挥发。在20t的AC电弧炉上用氧化物矿工业化生产高速钢M2成功，质量优异，具有缩短工序、节约资源、降低能耗，提高成品率和改善环境等优点。综合上述功效，每吨M2钢节约成本2780元。应用这一新技术，重庆特钢公司等企业累计生产M2钢8981t。

    实践证明熔融还原工艺与传统工艺比较在技术经济和环保方面上有显著优越性。

    (1)合金收得率高。

    (2)低倍组织及碳化物不均度与世界xxISORAPID2000相当。因国内电渣浇注锭型较小，结晶器冷却水保持紊流，抽锭有二冷体系，故碳化物不均度方面略具优势。具体性能比较见表4。

    表3　合金收得率  %
   

    表4　低倍组织及碳化物的比较
   

    表5　非金属夹杂物评级
  

    表6　钢的纯净度
   

    表7　能耗和冶炼时间
   

    (3)钢中非金属夹杂物评级符合美国ASTMA56标准。

    (4)钢纯净度高。

    (5)能耗低、冶炼时间缩短。

    (6)环境负荷减轻。比较传统生产工艺与熔融还原工艺的环境负荷系数(WG=wCO2+wSO2+wNOx，t/t)得到如下结果：铁合金+电弧炉工艺的WG=6.047t/t，熔融还原工艺的WG=2.014t/t，后者比前者减少2/3。此项工作列入国家863项目，2002年通过国家鉴定，获国家发明专利(ZL00129982.4)。2004年被列为xxxx成果推广项目，在江苏、江西推广。

    2)　电渣重熔与电渣连续浇注

    电渣重熔高速钢与同钢种电炉钢制成铣刀切削寿命比较提高45%。制成轴承疲劳强度提高35%。美国Carpenter公司，捷克Polid联合冶金公司证实因电渣钢提高成材率、降低废品率足以低偿全部重熔费。日本特殊钢公司生产的高速钢{bfb}采用电渣生产。世界上公认大断面高速钢(80～320mm)应采用电渣重熔生产。奥地利1998年Breitenfeld采用四流立式连铸机生产高速钢100mm方坯，但产能难于平衡及连铸缺陷未解决，不能稳定生产。

    3)　加孕育剂
     高速钢在凝固前加孕育剂，细化晶粒，缩小莱氏体网距，是改善钢的碳化物不均度，减少碳化物颗粒度，经研究证实是行之有效的方法，见表8。
   
    表8　高速钢加孕育剂对莱氏体网距的影响
   

2　因地制宜地发展高速钢的资源对策

    1)　国外发展高速钢密切结合本国资源

    (1)巴西铌的储量与产量居世界xx，致力于用Nb作为高速钢合金元素，并引发了奥地利、德国进行系列探索性研究，揭示出铌的碳化物稳定性较高，使高速钢刀具可在较高温度工作。巴西Villares集团开发含Nb高速钢(w(Nb)=1%～2%)，相应提高C，减少Mo，不用W，开发高速钢(1.1C-4Cr-3Mo-2V-2Nb-0.1Ti)，制成9mm钻头，切削寿命与M2(W6Mo5Cr4V2)钢相当。

    (2)南斯拉夫发展钼高速钢南斯拉夫缺乏钨资源，但钼资源较丰富，致力于发展Mo系高速钢，生产AISIM7、JISSKH58，Mo质量分数均约9%。

    (3)美国开发含Al、Si的高速钢美国TeledyneVasco公司研究成功在高速钢中加入廉价合金元素Al和Si，以节约昂贵稀缺元素钨、钼、钴。研究表明，在高速钢中同时加入适量的Al和Si，可提高回火温度，避免单独加硅时所引起的回火脆性，从而提高使用性能，并提出Al和Si相互作用提高刀具寿命的机理。

    2)　我国的资源对策

    (1)发展节约钼的钢

    我国钼资源77%用于钢铁材料，尚有难熔合金及特种合金亦要用钼，在国际市场上钼价格比钨贵4～5倍。为节约钼，钢铁研究总院王世章教授研制成W9Mo3Cr4V。2003年占总产量27.16%，它改善了M2(W6Mo5Cr4V)高速钢易脱碳、淬火过热敏感与磨削性较差的缺点。它与W18Cr4V比较不仅节约W，而且碳化物不均度得到改善，热塑性较好，能满足四辊扭钻头加工要求。从技术上分析，W9Mo3Cr4V应占约40%左右产量，因我国工具行业沿用欧美技术条件，发展受限制。

    (2)发展节约钴的Co3N高速钢及V3N

    国外M42钴的质量分数为8%，我国Co稀缺，海洋开发深海采Co尚属远景。我国自行研究的W8Mo5Cr4VCo3N、W12Mo3Cr4VCo3N及W12Mo3Cr4V3N、W9Mo3Cr4V3。可部分代替高Co钢M42。近来乌克兰与保加利亚工作证实，氮的质量分数为0.1%的高速钢可使二次硬度提高，红硬性提高HRC1～2，xx粗棒状M2C，提高钢的韧性。

3　集中生产

    国外工模具钢的生产从分散趋向集中，工业发达国际一般都有1～3家工模具钢专业生产厂，其产量往往占全国总产量的70%～80%。如法国Erasteel公司，德国蒂森公司(TEW)、奥地利百乐公司(Bohler)、美国卡彭特公司(Carpenter)、钒合金钢公司(Vasco)、日本大同及日立公司、日本安来(Yasugi)等。这些公司设备精良，科研开发费占销售总额的2%～4%。

4　按国际标准生产

    按国际标准化组织ISO-4957-1980(E)标准生产

5　深加工产品

    日本大同特殊钢公司大力开展产品深加工和经淬火、回火处理的模块，销售6个通用型模具钢种2500多种尺寸模块。模具厂可以采购标准模块，进行模具型腔和刃部精加工，组装交货，生产效率高，模具制造周期缩短。

    我国民营企业2006年用高速钢材3万多t，生产的钻头远销欧洲、美国。若生产成精密的大型铣刀、插齿刀、铰刀，拉刀效益可倍增。工具行业是一个技术密集和劳动密集产业，我国具有优势。

经过调研，结论是：出售钨铁效益是1，出售优质高速钢效益是3，出售精密复杂刀具效益是21。

对于不同应用领域，不同产品形态选用高速钢见表9。

    表9　高速钢应用领域、产品形态及主要钢种选择
   

  结 论

    (1)高速钢是资源密集型产品，我国的钨、钼、钒资源丰富，发展高速钢具有潜在优势。

    (2)钨铁、钼铁、钒铁出口实质上是资源廉价出口，不仅影响我国高速钢的生产原料与销售市场，而且使我国沦为发达国家转移污染场所。

    (3)我国生产高速钢材居世界{dy}位，但技术上仍落后于发达国家，粉末冶金高速钢，含Co的M42丝尚属空白。

    (4)发展我国高速钢当务之急是采用先进的熔融还原冶炼、电渣连续浇铸、加孕育剂形核，粉末冶金等技术。