童具刃具专家，探秘日新月异的特种钢

第一节　童具刃具最在行

汉武帝在讨伐匈奴时，发现匈奴士兵所用刀剑锋利无比，削铁如泥，大为惊讶。于是派人调查，发现此刀系“精钢”打造，于是下令让工匠研制，却始终无法成功。直到后来，张骞出使西域，带回一些特殊的配料（史书记载精钢粉），于是在这种神奇的粉末帮助下大汉也能够造出削铁如泥的刀剑来，使部队战斗力上了新的台阶。这神奇的粉末是什么呢？这正是合金元素。匈奴所用之刀（图14）正是合金钢，是汉武帝心神向往的制敌兵器。当然，在这里，神奇的粉末、能工巧匠以及刀具的制作方法都是不可或缺的成功因素，这些因素也正是工具钢质量性能的决定性因素，即材料、工人技术和生产条件。

图14

在切削加工中，刃具（图15）与工件发生相对运动，会产生强烈的摩擦作用，并且各种类型的刃具还要承受不同程度的冲击和振动而产生的压应力、弯曲应力、扭转应力等。如果刃具质量不高，就会出现刃口变钝甚至刃具断裂的情况，这就像是我们在家庭厨房中最常用的菜刀一样。刃具与工件之间的强烈摩擦会产生大量的热，使工件和刃具的温度同时升高。由于刃具的热量一般都集中在刃口部分，因而造成刃口处温度较高。切削的速度越快，刃口的温度越高，过高的温度会使刃具的切削能力下降，造成刃具磨损严重，因此对于刃具所用的钢材有着特殊的要求。

图15

那么什么样的钢材才能满足这样的使用条件呢？首先，硬度高是这类工具钢必备的条件。当然，加工轻金属材料和木工用的刃具，对于硬度的要求就没有那么苛刻了。其次，由于切削过程中存在着刃具与工件的相对运动，而且这种运动有很高的重复性，因此，刃具用钢最好还要具有高的耐磨性，这样可以延长刃具的使用寿命。高的强度和足够的塑性可以保证刃具在工作时不易断裂，这一点在一些工具尤其是细长形状的工具身上显得尤为重要，因为细长的工具常常是由于断裂而不是磨损而遭到损坏。足够的塑性和韧性对于工具钢而言是一个较为重要的性能指标。

刃具的工作条件不同，对其要求也不同，我们应当根据刃具的工作条件来选择合适的刃具钢。例如，手用锯条、锉刀、丝锥等切削速度低的工具，主要是要求有足够的硬度和塑性，而对热硬性没有要求，因此可以选用碳素工具钢和低合金工具钢；对于高速切削的车刀，主要要求热硬性与耐磨性，因此可以选择高速工具钢。

图16(www.xing528.com)

图17

量具（图16）是实物量具的简称，它是一种在使用时具有固定形态、用以复现或提供给定量的一个或多个已知量值的器具。例如砝码（图17）、标准电池、色温灯、电阻器（图18）、量块、信号发生器以及（单值或多值的、带或不带标尺的）量器等都是量具。量具应具有良好的尺寸稳定性、高耐磨性、高硬度和一定的韧性。因此，量具用钢应具有硬度高、组织稳定、耐磨性好以及良好的研磨和加工性能、热处理变形小、膨胀系数小和耐蚀性好等特性。这类钢材一般属于过共析钢，加入的合金元素有铬、锰、钨、钼等。常用的钢类有铬钢、铬钨锰钢、锰钒钢等。

图18

量具是机械加工工业中的测量工具，如块规、塞规等。量具在使用过程中经常与被测工件接触，易受到摩擦与碰撞，因而要求量具应具有高的硬度及耐磨性，保证量具在使用过程中不致因经常与工件接触而很快被磨损。此外，量具还应具有较高的尺寸稳定性，保证量具在使用与存放过程中形状和尺寸不会发生变化，以保持其精确性。量具还应具有足够的韧性，避免在使用过程中，因受到冲击而损坏。其中，尺寸稳定性是主要的。

为了满足量具的硬度要求，可将钢材淬火成高碳马氏体组织。但是，淬火后得到马氏体组织的间隙总会留有残余奥氏体及内应力，这些是不稳定因素，随着时间的延长，它们会发生变化，从而引起尺寸的改变。残余奥氏体向马氏体的转化引起体积涨版。马氏体分解，析出细小分散的碳化物，马氏体正方度减小，使体积收缩。残余应力引起的弹性变形，部分地转变为塑性变形，引起量具最长边尺寸减小。这种由时间延长而引起外形尺寸变化的现象称为淬火钢的“时效效应”。这三个过程中任何一个过程的发生，都可能引起量具出现微小尺寸的变化。这种变化似乎是微不足道的，但对高精度量具来说却是不允许的。

由于量具是用来计量尺寸的，必须具有精确而稳定的尺寸，对量具用钢在硬度、耐磨性和尺寸的稳定性方面有较高的要求，量具钢没有专门用钢，工具钢、滚动轴承钢均可用来制作量具，但应针对上述原因采用必要的热处理措施。