高速鋼(HSS)與鎢鋼是目前精密加工行業中，最常見的 2 種兩種刀具母材料。
這篇文章來完整介紹高速鋼(HSS)的特性、優缺點、高速鋼種類。以及高速鋼與鎢鋼作為切削刀具的比較。
HSS 高速鋼是什麼？
高速鋼 （High-Speed Steel, HSS)是由碳鋼為主要材料，加入鐵、鎢、鉬、鉻、釩、鋅和鈷等，燒結製成的高碳合金鋼。HSS又稱爲高速工具鋼或鋒鋼，俗稱白鋼。
HSS 具有高硬度、耐磨、耐高溫與極佳的韌性，用於製造各種切削刀具，如：銑刀、車刀、鑽頭或模具使用。
高速鋼是有多高速？為什麼會叫作「高速」鋼？
高速鋼可以高速切削金屬，比傳統的高碳鋼刀快 3-4 倍。而且在超過200°C 高溫下也能保持硬度。高速鋼就像一輛超級跑車，可以高速行駛而不會過熱。因此，得名高速工具鋼或高速鋼。
高速鋼的種類，有那些？
高速鋼的種類，依照高速鋼材質中所含的主要合金元素分類：
- 鎢系高速鋼：以鎢為主要合金元素，具有高硬度、高耐磨性，適合加工硬度較高的金屬材料。代表鋼種有 M2、M7 等。
- 鉬系高速鋼：以鉬為主要合金元素，增強韌性與耐衝擊性，適合加工韌性要求較高的金屬材料。代表鋼種有 M35、M50等。
| 高速鋼 | 種類 | 特性 | 適用加工 |
| M1 | 鉬系高速鋼 | 含鉬量較高，具有較高的韌性、耐衝擊性和耐磨性 | 加工韌性要求較高的金屬材料，如構造鋼、軸承鋼等 |
| M2 | 鎢系高速鋼 | 含鎢量較高，具有高硬度、高耐磨性 | 適合加工硬度較高的金屬材料，如淬火鋼、高碳鋼、不銹鋼等。 |
| M7 | 鎢鉬系高速鋼 | 兼具鎢系和鉬系高速鋼的優點，具有較高的硬度、耐磨性、韌性和耐衝擊性 | 適用於加工各種金屬材料 |
| M35 | 鈷鉬系高速鋼 | M1 的基礎上添加了鈷，進一步加強韌性 | 高硬度鋼、耐熱鋼 |
| M42 | 鈷鎢系高速鋼 | 鎢系高速鋼 M2 的基礎上添加了鈷 | 加工硬度高、韌性要求高的金屬材料，如航空航天材料、模具鋼等。 |
| M50 | 鈷鎢鉬系高速鋼 | M7 的基礎上添加了鈷，提高了硬度、耐磨性和韌性 | 適用於加工各種難加工材料 |
在實際應用中，要根據具體的加工工件要求選擇合適的高速鋼種類：
- 對於加工硬度較高的金屬材料，應選擇硬度較高的鎢系高速鋼；
- 對於加工韌性要求較高的金屬材料，應選擇韌性較高的鉬系高速鋼；
- 對於加工難加工材料，應選擇硬度、耐磨性、韌性和耐衝擊性都較高的鈷系高速鋼。
HSS 銑刀是什麼？
HSS 銑刀，就是用高速鋼作為母材料製成圓棒，再研磨成為銑刀。
HSS 高速鋼銑刀的 4 大優點
高耐磨
HSS 在精加工和拋光過程中進行了熱處理，晶粒更加細密、均勻，並形成了大量的硬質碳化物，因此具有極高的耐磨性。
HSS 銑刀在使用過程中可以保持鋒利更長時間，從而延長刀具的使用壽命、提高加工效率並降低加工成本。
高切削速度
高速鋼刀切削金屬的速度，比傳統的高碳鋼刀快 3-4 倍。
高硬度
高速鋼的硬度可達 HRC 60-68，遠高於傳統的高碳鋼(HRC 50~60)。使用高速鋼刀具的切削表面更加細緻，不易磨損。
高速鋼的紅硬性可達 650°C，而傳統的高碳鋼在 200°C 左右就會軟化。因此，高速鋼刀具可以在高速切削過程中保持鋒利，不會因高溫而軟化變形。
較低的價格
HSS 的價格與碳化鎢或硬質合金的價格相比，會便宜許多。但比比高碳鋼成本高一些。
高速鋼的5大缺點
高脆性
高速鋼雖然硬，但也很脆。在承受衝擊或彎曲載荷時，就容易斷裂！
抗震性低
當加工條件不佳或刀具不平衡，HSS 刀具在切削過程中容易產生振動。
振動會導致加工表面粗糙、精度降低，甚至造成刀具斷裂。
抗衝擊性低
HSS 刀具不耐衝擊，在受到衝擊時容易斷裂或破損。
因此，在使用 HSS 刀具時，應注意避免振動和衝擊。例如，使用剛性良好的CNC機床或採用合理的切削條件等。
耐腐蝕性低
雖然多數高速鋼工具都具有耐腐蝕性，但如果保養不當高速剛容易生繡與變質，會降低耐磨性。
高溫條件下耐磨性降低
雖然說高速鋼的紅硬性可達 650°C，但切削溫度產生的熱可高達300~900多度。耐熱合金等難切削材料溫度更高。相較於碳化鎢，紅硬性可達1,200°C，高速鋼在高溫下的耐磨是一大缺點。
高速鋼 vs. 鎢鋼 超級比一比
化學成份不同
鎢鋼(硬質合金) 的化學成份：主要以碳、鎢與鈷為主，以少數的鎳、鐵、鈦等金屬碳化物合金粉未。
高速鋼的化學成份：主要是由鐵礦石製成高碳合金，再加入少量碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鉬、鎳、鎢等。
物理特性不同
鎢鋼的物理特性
- 常溫下的硬度爲69～81HRC
- 抗壓强度爲6000MPa
- 當溫度升高到900～1000℃時，硬度仍可保持在60HRC左右
- 耐腐蝕性強
注意：鎢鋼的具體性能指標與其化學成分和原料配比密切相關。
高速鋼的物理特性
- 抗彎强度爲3.0-3.4GPa，
- 衝擊韌性爲0.18-0.32MJ/m2
- 常溫下的硬度爲62-65HRC
- 當溫度上升到600℃時硬度爲48.5HRC。
注意：高速綱的具體性能指標與其等級、化學成分和原料配比密切相關。
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鎢鋼與高速鋼的物理性能比較表
| 物理特性 | 鎢鋼 | 高速鋼 |
| 硬度 | HRC 66~78 | HRC 60~68 |
| 耐磨性 | 極佳 | 高 |
| 韌性 | 中 | 高 |
| 抗衝擊性 | 中 | 高 |
| 紅硬性 | 高，可達1,200°C | 中，600℃以下 |
製造過程不同
鎢鋼的生產流程：配料 => 濕磨 => 摻膠 => 乾燥 => 制粒 => 混合粒 => 成形 => 燒結。
高速綱的生產流程：頻爐冶煉 => 爐外精煉 => 真空脫氣 => 電渣重熔 => 快鍛機 => 鍛錘 => 精機開坯 => 熱軋成材 => 盤元 => 拉拔成材。
應用場景不同
鎢鋼常見用來製造切削刀具、鑿岩工具、測量量具、五金模具、耐磨零件、耐高溫零件等。
高速鋼主要用於製造切削刀具、鑽頭和精密刀具。
鎢鋼與高速鋼的成本比較
根據統計資料，2020 年鎢的平均售價為每噸 270 美元。而製作鋼材的鐵礦石，在同期下降了30%，售價約為每噸 85 美元。
在刀具其他條件都相同的情况下，鎢鋼刀具的成本硬是比高速剛的成本貴了 3 倍以上。
更不用說，大多數碳化鎢切削刀具會加入的鈷 – 每噸的價格超過 53,000 美元。
鎢鋼與高速鋼作為切削刀具的選擇指南
碳化鎢和高速鋼都是切削刀具的流行選擇，但它們具有各別的優缺點。最後，在選擇時依照性能與成本效益作綜合評估：
性能指標比較
| 特點 | 碳化鎢 | 高速鋼 |
| 材質 | 金屬碳化物粉末 | 高碳合金鋼 |
| 硬度(HRC) | 75-80 | 60-68 |
| 紅硬性(℃) | 800-1200℃ | 650℃ |
| 耐磨性 | 優異 | 高 |
| 切削速度 | HSS的4-7 倍 | 中等 |
| 韌性 | 中 | 好 |
| 抗衝擊性 | 中 | 好 |
| 切削應用 | 硬質材料（鋼、鑄鐵） | 一般金屬（鋼、鑄鐵、鋁） |
| 缺點 | 韌性低、價格昂貴 | 硬度較低、刀具壽命較短、切削速度低於鎢鋼 |
成本效益
高速鋼（HSS)製成的刀具，切削速度比傳統碳鋼快上3~4倍，而且價格便宜。
鎢鋼製成的刀具，硬度、耐磨性遠勝過高速鋼，使得刀具的壽命更長，持續加工時間更長，切削的更快。
雖然鎢鋼比高速鋼還要貴，但是當你切削的東西越多，成本就會越少。從長時間的使用來看，使用鎢鋼會比較高速鋼更具有成本效益。
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HSS 高速鋼的重點總結
- 適中的成本與性能：高速鋼在硬度、耐磨性和經濟性之間實現了良好的平衡。在切削速度和刀具壽命方面，它比傳統碳鋼顯著的進步，但仍比鎢鋼刀遜色。
- 比高碳鋼快的加工速度：與碳鋼相比，高速鋼可顯著加快切削速度，達到縮短加工時間並提高生產率。但仍比鎢鋼刀慢上好幾倍。
- 適用於多種材料：高速鋼可以加工各種金屬，包括軟到中等硬度的鋼、鑄鐵和鋁。不過，無法有效的處理高硬度材料或淬硬鋼材質。
- 不適合超過600℃的高溫與高速加工環境。
參考資料
- NN0208 Nano Tungsten Carbide (WC) Powder (CAS No. 12070-12-1)
- High-Speed Steel: Definition, Compositions, Properties, and Uses
- Why Are Tungsten Carbide Prices Higher Than Steel?
- Price of tungsten worldwide from 2018 to 2023
- 硬质合金与高速钢的区别
- 高速鋼銑刀與硬質合金鎢鋼銑刀的區別
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