甚麼是HSS材質，適合那些用途？

一、HSS材質的定義與由來

HSS材質是「High Speed Steel」的縮寫，中文稱為高速鋼或高速度工具鋼。這種特殊的合金鋼材最初是為了解決傳統高碳鋼在高速切削時容易軟化的問題而開發的。1868年，英國金屬工學者羅伯特·馬謝特（Robert Forester Mushet）發明了馬謝特鋼，被視為HSS材質的原型。到了1899至1900年間，美國的弗雷德里克·泰勒（Frederick Taylor）和曼塞爾·懷特（Maunsell White）進一步改良，發展出現代高速鋼的雛形。

在國際標準化組織（ISO）的表記系統中，使用「HSS」作為標準代號；而在日本工業規格（JIS）中，則採用「SKH」的代號，分別代表Steel（鋼）、Kougu（工具，日文羅馬拼音）、High Speed（高速）三個字首的組合。因此，無論您在產品目錄或技術規格中看到HSS材質或SKH標記，它們實際上指的是同一類材料。

高速鋼的誕生徹底改變了金屬切削加工的效率。傳統的高碳鋼工具在攝氏300度時強度就會大幅下降，而HSS材質卻能在攝氏600度的高溫下仍保持洛氏硬度HRC 40以上，使得切削速度得以大幅提升，這也是「高速」一詞的由來。

二、HSS材質的化學組成與特性

HSS材質之所以具備優異的性能，關鍵在於其獨特的化學組成。與普通碳鋼相比，高速鋼含有多種合金元素，每種元素都扮演著重要的角色。

主要合金元素及其功能

所有HSS材質都含有約4%的鉻元素，這是其基本特徵之一。鎢和鉬是提升高溫性能的關鍵元素，其中鉬的效果約為鎢的兩倍，也就是說1%的鉬大致等同於2%的鎢的作用。釩元素則能形成極為堅硬的碳化物，顯著提高刀具的耐磨性。當需要更高的耐熱性時，會添加鈷元素，使HSS材質能在更嚴苛的切削條件下保持性能。

物理特性

• 密度：約8.1 g/cm³
• 熔點：約1400～1450°C
• 熱傳導率：約23 W/mK
• 彈性模數：約210 GPa
• 硬度：熱處理後可達HRC 63～67

這些優異的物理特性使HSS材質成為切削工具的理想選擇。較低的熱傳導率意味著切削時產生的熱量不易傳遞到刀具內部，有助於保護刀具本體；而高彈性模數則確保工具在加工過程中保持良好的剛性與精度。

三、HSS材質的分類系統

根據主要合金元素的不同，HSS材質主要分為兩大系統：鎢系（W系）和鉬系（Mo系）。在日本工業規格（JIS G4403）中，共規定了15種高速鋼，每種都有其特定的應用場合。

鎢系高速鋼（W系）

鎢系HSS材質含有約18%的鎢，但不含鉬元素。這類材料以優異的耐磨性著稱，特別適合製造需要長時間保持鋒利的切削工具。

鉬系高速鋼（Mo系）

鉬系HSS材質含有約5%的鉬和6%的鎢，這種組合使材料具有更好的韌性，適合承受衝擊負荷的應用。

在實際應用中，SKH51是最受歡迎的HSS材質型號，它在切削性能、韌性和成本之間取得了良好的平衡，廣泛用於製造銑刀、鑽頭、絲攻等各類切削工具。

粉末高速鋼

1970年代以後，粉末冶金技術的發展催生了粉末HSS材質。這種新型材料通過粉末冶金工藝製造，避免了傳統熔煉技術造成的碳化物偏析問題，使材料性能更加均勻，韌性和耐磨性都有顯著提升。粉末高速鋼目前在精密工具領域得到越來越廣泛的應用。

四、HSS材質的主要優勢

相較於其他工具材料，HSS材質具有多項獨特優勢，這些優點使其在眾多應用場合中成為首選材料。

1. 優異的高溫硬度（紅硬性）

HSS材質最顯著的特點就是優異的紅硬性，也就是在高溫下保持硬度的能力。當切削溫度達到600°C時，高速鋼仍能保持HRC 40以上的硬度，而普通高碳鋼在300°C時就已經明顯軟化。這使得高速鋼工具能夠承受高速切削產生的熱量，大幅提升加工效率。

2. 卓越的耐磨性

由於HSS材質含有大量形成硬質碳化物的元素（如鎢、鉬、釩），使得材料表面極為耐磨。在連續切削作業中，高速鋼工具的壽命遠超過普通工具鋼，減少了更換刀具的頻率，提高了生產效率。

3. 良好的韌性

雖然HSS材質具有高硬度，但相較於超硬合金，它保有較好的韌性，不易發生脆性斷裂。這種韌性使高速鋼工具能夠承受一定程度的衝擊負荷，特別適合間斷切削或有振動的加工環境。

4. 良好的可磨削性

相較於超硬合金，HSS材質更容易研磨加工。這意味著工具製造商可以更方便地製作複雜形狀的刀具，而使用者也能較容易地對刀具進行重新研磨，延長使用壽命。

5. 合理的成本效益

雖然HSS材質比普通工具鋼昂貴，但相較於超硬合金等更高級的材料，它的價格更為親民。考慮到其優異的性能和可重磨性，高速鋼在許多應用中提供了最佳的成本效益比。

五、HSS材質的應用領域

HSS材質的應用範圍極為廣泛，幾乎涵蓋了所有需要切削、成形的金屬加工領域。以下是主要的應用類別：

1. 切削工具

這是HSS材質最主要的應用領域，包括：

• 鑽頭：從小型精密鑽頭到大型工業鑽頭，高速鋼是最常用的材料
• 銑刀：端銑刀、立銑刀、成形銑刀等各類HSS材質銑刀廣泛應用於機械加工
• 絲攻（螺紋工具）：用於加工內螺紋，高速鋼的韌性確保絲攻不易折斷
• 鉸刀：用於精加工孔徑，HSS材質能提供優異的表面光潔度
• 車刀：各類車削工具，用於外圓、內孔、螺紋等加工
• 拉刀：用於加工鍵槽等特殊形狀
• 齒輪刨刀：用於齒輪加工的專用工具

2. 金型材料

近年來，HSS材質在金型領域的應用持續增長，特別是在以下類型的金型中：

• 沖壓金型：特別是小型、精密的沖頭，利用高速鋼的高硬度和耐磨性
• 拉伸金型：需要良好耐磨性的拉伸模具
• 精密沖孔模：小孔徑沖孔時，HSS材質比模具鋼更不易折斷
• 粉末成形模具：用於粉末冶金的壓製成形

3. 刀具與刃具

• 工業用裁切刀：紙張、布料、薄板材料的裁切
• 剪切刃：板金加工用的剪刃
• 打孔工具：各類打孔、沖孔作業用刀具
• 木工刀具：高級木工刨刀、鋸片等

4. 其他應用

• 量具：需要高硬度和尺寸穩定性的測量工具
• 耐磨零件：需要承受磨損的機械零件
• 醫療器械：手術刀、牙科工具等精密器械

值得注意的是，隨著技術進步，HSS材質的應用領域仍在不斷擴展。特別是通過表面處理技術（如TiN、TiAlN鍍膜），可以進一步提升高速鋼工具的性能，使其在更多領域發揮作用。

六、HSS材質的熱處理工藝

HSS材質必須經過適當的熱處理才能發揮其優異性能。熱處理工藝對最終產品的硬度、韌性和使用壽命有決定性影響。

1. 退火（Annealing）

退火是HSS材質加工前的預備處理，目的是軟化材料，消除內應力，改善切削加工性。

• 溫度：800～900°C
• 冷卻方式：爐冷（緩慢冷卻）
• 效果：降低硬度至HB 200～250，便於機械加工

2. 淬火（Quenching）

淬火是HSS材質熱處理的核心步驟，通過高溫加熱後快速冷卻，使材料獲得高硬度。

淬火過程中，HSS材質的組織由奧氏體轉變為麻田散鐵（馬氏體），獲得極高的硬度。但此時材料也非常脆，內應力很大，必須立即進行回火處理。

3. 回火（Tempering）

回火是HSS材質熱處理的最後步驟，目的是降低脆性，增加韌性，同時保持足夠的硬度。

• 溫度：550～600°C
• 次數：通常進行2～3次
• 每次保溫時間：1～2小時
• 最終硬度：HRC 63～65

多次回火的原因是每次回火都會析出一部分殘留奧氏體，轉變為麻田散鐵，使硬度略微上升。通過2～3次回火，可以使HSS材質的組織更加穩定，減少後續使用中的尺寸變化。

4. 冷處理（Cryogenic Treatment）

對於要求特別高的HSS材質工具，有時會在淬火後、回火前進行深冷處理：

• 溫度：-70～-196°C（液氮溫度）
• 保持時間：2～24小時
• 效果：減少殘留奧氏體，提高硬度和尺寸穩定性

熱處理注意事項

1. 避免過熱：淬火溫度過高會導致晶粒粗大，降低韌性
2. 均勻加熱：加熱不均會造成應力集中，容易開裂
3. 適當保溫：保溫時間不足會導致硬度不均
4. 及時回火：淬火後應盡快回火，避免延遲開裂
5. 爐溫控制：溫度波動應控制在±5°C以內

正確的熱處理工藝是HSS材質工具性能的保證。專業的熱處理可以使工具壽命提高數倍，而不當的熱處理則可能使昂貴的高速鋼材料失去其應有的性能。

七、如何選擇合適的HSS材質

面對眾多的HSS材質型號，如何選擇最適合的材料是工程師和採購人員經常面臨的問題。以下是選材時需要考慮的主要因素：

1. 根據加工材料選擇

2. 根據加工條件選擇

• 高速切削：選用含鈷的HSS材質（如SKH55、SKH59），以獲得更好的紅硬性
• 重切削：選用鉬系高速鋼（如SKH51），韌性較好，不易崩刃
• 精密加工：選用粉末高速鋼，組織均勻，能獲得更好的表面光潔度
• 間斷切削：選用韌性較好的鉬系HSS材質，能承受衝擊負荷

3. 根據工具類型選擇

• 鑽頭：SKH51是最常用的選擇，平衡了性能和成本
• 銑刀：根據加工材料選擇，一般用SKH51，難削材用SKH55以上
• 絲攻：需要韌性，推薦SKH51或SKH9
• 精密金型：選用粉末HSS材質或高釩含量型號（如SKH10）

4. 成本考量

HSS材質的價格差異可能很大。一般而言：

• 標準型號（SKH51、SKH2）：價格適中，性價比最高
• 含鈷型號（SKH55～SKH59）：價格較高，約為標準型號的1.5～2倍
• 粉末高速鋼：價格最高，可能是標準型號的2～3倍以上

選材時應綜合考慮工具成本和使用壽命。有時選用較貴的HSS材質反而能降低總體成本，因為工具壽命更長，更換頻率降低。

5. 供應鏈因素

考慮材料的可獲得性和供應穩定性。一些特殊型號可能需要較長的交貨期或最小訂購量。對於常用工具，選擇容易採購的標準HSS材質型號更為實際。

八、HSS材質與其他材料的比較

了解HSS材質與其他工具材料的差異，有助於在不同應用場合做出正確的選擇。

HSS材質 vs. 高碳鋼

HSS材質 vs. 超硬合金

HSS材質在韌性和可加工性方面具有明顯優勢，特別適合製作需要複雜幾何形狀的工具，如成形銑刀、絲攻等。而超硬合金則在高速切削和極端耐磨性要求的場合更有優勢。

選擇建議

• 選擇高碳鋼：只有在成本極度敏感且加工要求不高的情況下
• 選擇HSS材質：大多數一般切削工具，需要複雜形狀或可重磨的工具
• 選擇超硬合金：高速切削、自動化生產、極端耐磨要求的場合

實際上，許多現代工具採用複合結構，在HSS材質刀體上鑲嵌超硬合金刀片，結合兩種材料的優點。

九、HSS材質的保養維護

正確的保養維護能大幅延長HSS材質工具的使用壽命，提高生產效率。

使用注意事項

1. 適當的切削參數
   • 切削速度：不要超過HSS材質的推薦範圍
   • 進給率：過大的進給會加速刀具磨損
   • 切削深度：根據工具規格選擇合適的切削深度
2. 充分的冷卻潤滑
   • 使用適當的切削液，降低切削溫度
   • 確保冷卻液流量充足
   • 定期檢查冷卻系統是否正常
3. 避免衝擊負荷
   • 減少間斷切削時的衝擊
   • 工件裝夾要牢固
   • 避免刀具與工件的硬碰撞

刀具研磨

HSS材質工具的一大優勢是可以重複研磨使用。正確的研磨技術包括：

• 使用適當的砂輪：一般使用WA系（白色氧化鋁）砂輪，粉末高速鋼可用CBN砂輪
• 控制研磨溫度：避免過熱造成退火，研磨時使用充足的冷卻液
• 保持正確角度：按照工具的設計角度進行研磨
• 研磨順序：先粗磨後精磨，最後進行刃口鈍化處理

存儲保管

• 防鏽處理：HSS材質工具應塗抹防鏽油，存放在乾燥環境
• 分類存放：不同規格的工具分開存放，避免碰撞損傷
• 定期檢查：檢查工具狀態，及時發現磨損或損壞
• 標識管理：清楚標記工具規格和使用次數

常見問題及解決

通過適當的使用和保養，HSS材質工具可以重複研磨使用多次，大大延長使用壽命，降低生產成本。

十、HSS材質的未來發展趨勢

雖然超硬合金和陶瓷等新型刀具材料不斷發展，但HSS材質仍然在工具材料領域佔有重要地位，並持續演進。

技術發展方向

1. 粉末冶金技術的進步

粉末HSS材質通過更細的粉末粒度和改進的製程，能獲得更均勻的組織和更優異的性能。第三代、第四代粉末高速鋼正在研發中，性能接近超硬合金，但保持了高速鋼的韌性優勢。

2. 表面處理技術

HSS材質工具通過表面鍍膜技術可以大幅提升性能：

• TiN鍍膜：提高硬度和耐磨性
• TiAlN鍍膜：提高耐熱性，適合高速切削
• DLC鍍膜：降低摩擦係數，適合有色金屬加工
• 多層複合鍍膜：結合多種鍍膜的優點

3. 成分優化

通過精確控制合金元素的種類和含量，開發針對特定應用的專用HSS材質。例如，針對鈦合金加工的特殊高速鋼，或適合高速乾切削的新型配方。

應用領域的變化

隨著製造技術的發展，HSS材質的應用領域也在調整：

• 精密工具：在需要複雜形狀的小型精密工具領域，HSS材質仍是首選
• 重磨工具市場：可重磨性使高速鋼在工具重磨服務市場保持競爭力
• 特殊加工：在某些特殊材料（如高溫合金、鈦合金）的加工中，特製HSS材質工具仍有優勢
• 發展中市場：在成本敏感的市場，高速鋼因其良好的性價比仍受歡迎

環境友好趨勢

未來的HSS材質發展也將考慮環境因素：

• 減少稀有元素的使用，降低對環境的影響
• 開發更環保的熱處理工藝
• 提高材料利用率，減少廢料
• 延長工具壽命，減少資源消耗

與其他技術的結合

HSS材質的未來不是孤立發展，而是與其他技術結合：

• 複合工具：HSS刀體配合超硬合金或陶瓷刀片
• 智能監控：結合傳感器技術，實時監控工具狀態
• 增材製造：利用3D打印技術製造複雜形狀的HSS材質工具
• 數字化管理：通過數據分析優化工具使用和維護

結語

HSS材質作為一種經典的工具鋼材料，經過一個多世紀的發展，已經形成了完整的技術體系和豐富的產品系列。從標準型號到粉末冶金高速鋼，從鎢系到鉬系，各種HSS材質能夠滿足不同的應用需求。

在選用HSS材質時，應綜合考慮加工材料、加工條件、工具類型、成本預算等多方面因素，選擇最適合的型號。同時，通過正確的熱處理、合理的使用參數、適當的保養維護，可以充分發揮HSS材質的性能優勢，延長工具壽命，提高生產效率。

雖然新型刀具材料不斷湧現，但HSS材質憑藉其良好的韌性、可加工性和成本效益，在可預見的未來仍將在工具材料領域佔據重要地位。特別是在需要複雜形狀、可重磨性或成本控制的應用中，高速鋼仍是最佳選擇。

隨著粉末冶金技術、表面處理技術和成分優化技術的不斷進步，HSS材質的性能還在持續提升。結合智能製造和數字化技術，高速鋼工具的應用將更加高效和經濟。對於製造業從業者而言，深入了解HSS材質的特性和應用，是提升加工技術和生產效率的重要基礎。