粉末冶金高速鋼的選擇與應用 粉末冶金高速鋼的選擇與應用作者：哈爾濱第一工具有限公司 宋學全切削技術的發展依靠刀具技術和高速機床技術的進步，刀具與機床的正確選用常起著決定性作用。采用耐熱性更好的新型刀具材料及涂層、公道設計刀具結構與幾何參數、選擇最佳的切削速度是實現切削加工優化的重要保障。在目前高性能刀具材料如硬質合金、金屬陶瓷、金剛石、立方氮化硼等超硬材料不斷發展的同時，高速鋼尤其是粉末冶金高速鋼，憑借其在強韌性、工藝性及可加工性等方面優良的綜合性能，在復雜刀具特別是切齒刀具、拉刀和各類銑刀制造中仍占有明顯上風，應用相當廣泛。 1 高速鋼發展及粉末高速鋼冶煉工藝特點以切削刀具為主要用途的高速鋼已經歷了百年的發展歷程。1900 年法國巴黎世界展覽會上，美國人Taylor和White成功進行的高速切削演示標志著高速鋼的應用拉開了序幕。多年來，高速鋼刀具一直占據著機械加工領域的主導地位，其發展簡史見表1。 表1 高速鋼發展簡史年代主要大事記18701898英國人Mushet發明應用Mn-W自硬工具鋼，切削中碳鋼速度8m/min18981900美國人Taylor、White以Cr-W鋼取代Mn-W自硬鋼，創立了高速鋼。切削中碳鋼速度達20m/min1910確立T1(W18Cr4V)鋼成分，切削中碳鋼速度達30m/min1937美國人Breelor發明W-Mo系高速鋼M21939 美國發明高碳高釩高速鋼，含釩35%，淬回火硬度達6768HRC，耐磨性好，可磨削性差。19581963平衡碳理論提出與應用，美國發明M40系高速鋼，硬度達70HRC，如M41，M421965美國Crucible Steels公司發明粉末冶金法生產高速鋼1970瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速鋼投產；電渣重熔高速鋼開始用于大截面材生產1980 歐、美、日、俄等國開始生產粉末冶金高速鋼；氮化鈦涂層用于高速鋼切削刀具，壽命大幅進步1990 粉末冶金高速鋼實現高合金冶煉，新鋼種熱處理硬度達7072HRC高速鋼傳統冶煉制造工藝通常采用大噸位電弧爐冶煉、模鑄澆鑄成錠。電弧爐冶煉，鋼水容量大，成分均勻，可通過爐外精煉、真空脫氣等進步鋼水質量；但由于鋼錠澆鑄尺寸較大，鋼水冷卻緩慢，且高速鋼化學成分復雜，合金元素含量高，使其萊氏體組織粗大，碳化物偏析嚴重。碳化物偏析程度反映了高速鋼質量的優劣，嚴重的偏析降低了高速鋼的性能，使鋼的鍛、軋加工困難，高合金、高性能高速鋼的發展受限。 粉末冶金高速鋼改變了傳統的高速鋼澆鑄與成錠工藝，采用了霧化制粉及壓力加工成形。國際上較先進的粉末高速鋼制造基本工藝是將冶煉完、符合化學成分要求的鋼水經強力高壓氮氣霧化，細小液滴瞬間迅速凝固成合金粉末顆粒，其粒度相當于一般鑄錠億萬分之一的“超細小鋼錠”，形成了極快冷凝固制粉。霧化制粉完成后，合金粉末顆粒經篩分、裝包套、搖實、抽真空脫氣等工序，再經冷、熱等壓力加工成錠。粉末冶金高速鋼的優點為成分均勻、碳化物無偏析，易實現高合金化；與電爐鋼比較，其強韌性大幅度進步，熱處理變形小，尺寸穩定性高，可磨削性能好。2 粉末冶金高速鋼主要牌號及成分傳統冶煉生產的高速鋼牌號均可運用粉末冶金方法生產，而高釩、高鈷等高合金高性能高速鋼卻是粉末冶金高速鋼所獨占的牌號(如ASP2060、ASP2080等)。表2為粉末冶金高速鋼主要牌號及成分范圍。 表2 粉末冶金高速鋼主要牌號及成分(wt%)序號牌號CCrWMoVCo其它1M2-PM0.951.053.754.505.506.754.505.501.752.20max0.502M3-PM1.151.253.754.505.006.754.756.502.753.25max0.503M4-PM1.251.403.754.755.256.504.255.503.754.50max0.504M7-PM0.971.053.504.001.402.108.209.201.752.25max0.505M35-PM0.880.953.804.506.006.704.705.201.702.004.505.006M42-PM1.051.153.504.251.151.859.0010.00.951.357.758.757M48-PM1.421.523.504.009.5010.504.755.502.753.258.0010.00S0.078M50-PM0.780.883.754.50max0.203.904.750.801.25max0.509M61-PM1.751.853.504.2512.1012.96.006.754.505.25max1.00P0.0210ASP20151.501.603.755.0011.7513.0max1.004.505.254.755.2511ASP20170.800.853.804.502.853.253.904.200.951.357.758.75Nb:1.0012ASP20301.251.353.804.506.006.704.705.202.703.208.108.8013ASP20532.302.603.804.504.004.502.803.507.758.20Max0.5014ASP20602.152.453.804.506.006.806.707.306.206.8010.1010.815ASP20802.302.603.84.3010.5011.54.805.305.806.2015.5016.516S390-PM1.551.654.505.009.5011.002.002.404.605.207.608.3017S390-PM-MOD1.651.755.956.3510.010.753.103.404.004.507.708.30S0.0218HS10-4-3-10PM1.211.343.804.509.0010.003.203.903.003.509.5010.519HS18-1-2-5-PM0.750.833.804.5017.518.500.500.801.401.704.505.0020HS12-1-4-PM1.201.353.804.5011.512.500.701.003.504.50max0.5021CPM10V*2.352.554.755.50max0.501.101.459.310.25max0.50S0.0922CPM10V-MOD2.803.007.758.25max1.001.201.609.251025max0.50注：上表中一般均要求，P0.03%，S0.03%，N0.08%，O0.015%，Ar0.05ppm；*為合金工具鋼3 粉末冶金高速鋼的選用高速鋼含有大量W、Mo、Cr、V等元素，其與碳形成的合金碳化物進步了鋼材性能。由于粉末高速鋼冶煉的獨特性，合金元素含量更高，尤其是高V、高Co鋼的應用較為普遍。高速鋼中的W、Mo作用相似，與碳形成的合金碳化物通過溶解及析出強化，使高速鋼具有特殊的二次硬化效果，紅硬性大大進步；鋼中V是強的碳化物形成元素，VC細小彌散，進步了鋼的耐磨性，隨著V含量的進步，高速鋼的抗磨粒磨損性能大幅提升；Co是固溶強化最強的合金元素之一，通過固溶基體強化來進步高速鋼的硬度及熱硬性，改善了刀具切削性能，使刀具壽命大為進步。圖1為幾種粉末高速鋼與典型高速鋼的性能特點對比。 圖1 幾種粉末高速鋼與典型高速鋼的性能特點對比刀具材料的選擇需要考慮刀具種別、機床及切削條件、被加工材料及硬度等因素。隨著數控機床、中硬材料切削及高強鋼的大量應用，對切削刀具的性能要求越來越高，刀具必須具備更高的硬度、紅硬性、耐磨性及韌性。一般來講，對于要求高耐磨、高韌性的刀具，如遐齡命絲錐、拉刀、單齒薄刃刀具等，可選擇高碳高釩粉末高速鋼，典型牌號有M3-PM、M4-PM、M61-PM等；對于要求高速切削、高熱硬性、遐齡命的刀具，如齒輪滾刀、插齒刀、數控機床用各類銑刀，可選擇高釩高鈷粉末高速鋼，典型牌號有ASP2015、ASP2030、ASP2060等。 4 結語粉末