粉末高速钢的应用与推广

作者：东莞市中瑞金属材料有限公司 高一之

欢迎访问e展厅 展厅 7 钢铁/粉末冶金展厅 合金钢, 不锈钢, 高温合金, 模具钢材, 铁... 粉末高速钢的生产制程与优点 粉末高速钢提高高速钢产品质量诸多方面要求，主要包括化学成分、清净度、巨观组织与显微组织、冷热塑性及使用性能等。高速钢的制造方法有两种：一种为传统的冶炼浇铸钢锭方法制造，另一种则为利用粉末冶金方法制造。传统冶炼制造通常又分为二次精炼（EAF+LF+VD）或电渣重熔（ESR）制程。上述方法中由于熔炼的钢水缓慢冷却，会造成合金成分的不均匀偏析和合金碳化物的生长粗大，而影响到高速钢的性能。虽然后续的热加工制程，可将钢锭的铸造组织加以改变及细化，降低不良影响，但却无法消除原先的铸造组织，而对物理及机械性质有负面的影响。人们希望藉由改善传统高速钢的质量，特别是减少大直径高速钢粗大的莱氏体碳化物偏析组织与巨观的偏析产生，使横向及纵向的机械性质没有差别。于1965年在美国开始发展合金粉末制程，就是利用这种全新工艺而得到新型高合金钢的成功先例。粉末冶金工艺不仅解决了传统冶金工艺中存在的碳化物组织质量问题，而且开辟了一条一般铸锻工艺难于或不可能生产的超高合金含量的高速钢的新途径，生产出组织均匀无方向性钢种（如图1所示）。发展至今，粉末冶金生产制程正成为当今制造高性能工具钢的主要方法，在高速钢中占有日益重要的地位，倍受冶金和机械制造等行业青睐。 迄今，粉末高速钢的生产已累积了很多经验，生产技术也不断进步。粉末高速钢的生产大致分为以下工序（见图2所示）。 1、熔炼； 2、钢水净化； 熔炼钢水的净化在中间钢包中进行。中间钢包为特殊设计，以保证钢水的超高纯净度。提高钢的净化程度，可减少钢中的非金属夹杂物含量（见图3），由此可获得较高的强度和韧性以及良好的可抛旋光性（可由2.5级提高到0.2级，见图4）。中瑞公司合作伙伴瑞典Scana公司，利用现代化技术，生产出超洁净钢种，稳定控制钢中非金属夹杂物含量，提供高质量粉末高速钢（见图5）。 3、雾化超细钢粉的制备； 采用高纯氮气将已净化的钢水雾化成钢粉，以生产更细的超细钢粉（见表1）。采用这种超细的钢粉能生产出经热等静压（HIP）后无需在进行锻造或热轧，而可直接供使用者使用的HIP 状态的高强度粉末高速钢，可缩短生产周期，降低生产成本。 4、粉末装罐； 雾化的细钢粉在过筛后装入低碳钢罐中，抽真空后焊接密封。 5、热等静压（HIP）； 利用高功率的加热器，装罐的钢粉无需预热便可在热等静压机的高压容器中同时被加热（1150℃～1180℃）及加压（＞100Mpa）制成钢锭，或再经锻造和热轧成粉末钢材，或直接制成HIP状态的钢材。这种钢材可含有较高的硫含量，从而具有很好的可机械加工性能，特别是铲削加工性。 粉末高速钢在实际使用中的主要优点体现在： ◇ 磨削性好； ◇ 热处理变形小，硬度均压性佳； ◇ 韧性高； ◇ 耐磨耗性佳； ◇ 使用寿命长，且稳定。 由于生产粉末高速钢具有一定之技术门槛，目前全世界粉末高速钢的生产厂家并不多，主要集中在欧洲、日本及美国，代表厂有美国（CRUCLBLE）、欧洲（SCANA、ASSAB、BOHLER、DSS、CARPENTER）、日本(HITACHI、DAIDO、NACHI、KOBE)。中国目前并没有实际商业化生产粉末高速钢，全部由国外进口。因此，在多数中国使用者印象中对粉末高速钢只存有模糊的概念，只知它代表一种性能优良且价格很贵的高级高速钢。其他的了解及如何应用并不清楚。由于粉末高速钢品种牌号相当多，笔者仅就几种本公司经常库存的四类钢种（PM-A23、PM-A60、PM-T15、PM-10V）做如下说明。 高速钢工具钢的分类与性质比较 选择合适的高速钢作为切削工具时及模具时，有三项重要的性质是必须要慎重考虑的，它们分别是耐磨性、韧性及高温硬度。以传统M2为基础，从合金元素的角度来看，三个主要发展方向是： ● 提高钒(V)含量，以增加耐磨耗性； ● 提高钴(Co)含量，以增加热间硬度； ● 同时提高钒及钴的含量，而兼顾耐磨耗性及热间硬度。 下面以表2粉末高速钢与传统高速钢做比较并且分别说明之： （A）PM-A23 PM-A23是目前使用最多的粉末高速钢，它相当于ASP23，是目前所有高速钢中韧性最好材料，具有极佳耐磨性的钢种。一般来说，高速钢中耐磨性会随总合金成份和最高硬度增加而提高，而韧性则随合金量的增加而降低，因此才会在传统高速钢M2的基础上开发出PM-A23。耐磨性好坏取决于热处理后的硬度以及碳化物的形成有关，PM-A23在M2中增加碳及钒，提高耐磨耗性。同时在考虑韧性的前提下，使用粉末冶金制程改善韧性，使粉末PM-A23的韧性高于传统M2高速钢，根据统计其韧性约为传统高速钢的2～3倍，耐磨性为传统高速钢的3～5倍。Scana公司生产之PM-A23具有杰出的可磨性，且适合做不同类型的PVD涂层。使用范围广泛，适用于各种冲压模、嵌入模、粉末成型模，以及刀具中之拉刀、铣刀、丝攻、剪切刀等冷作工具及切削工具使用，任何需耐磨或强韧性的零件均可适用。综合上述两项性质，PM-A23是目前市场上最通用与最佳性能的高速优质钢。使用硬度上则因不同行业而有所不同，视生产需要而定，一般在HRC60-66之间最为合适，太高或太低都不正常。 （B）PM-T15 PM-T15是一种钨基高速钢，具有非常高的硬度及耐磨性，又含有钴，因而具有良好的热间硬度。适用于重切削、高切削效率及大进给高硬度之难加工材料，常常被用来取代碳化钨零件使用，具有很高的评价，耐磨性约为传统高速钢的5～7倍，韧性与M2约略相同。Scana公司生产之PM-T23具有杰出的可磨性，且适合做不同类型的PVD涂层。广泛应用在滚齿刀、拉刀、铣刀、丝锥以及需要耐磨之冲压模具、精密下料等。尤其是在航空工业高温合金涡轮轮盘扁拉刀的首选材料，以及制作加工难切削和调质材的丝锥及模具铣刀。 由于含钨量高，具有很高之耐磨性，特别适合于精密冲模上，特别是使用PM-A23产生易磨损或寿命不够长时，可以PM-T15代替，但建议在冲压件上使用时，工件厚度最好不要超过2.5mm厚度，一般常用硬度约为HRC65-67。 （C）PM-10V PM-10V在国内熟悉程度比较低，但在欧美国家却被广泛应用，其中最具特色的性质就是钒含量的提高以提升它的耐磨性。表3是以磨耗测试的实验数据，将PM-10V与其他几种高速钢的比较。值得一提的是PM-10V由于含有接近10%之钒（V）成份，因此产生最具耐磨性VC碳化物，所以虽然硬度只有HRC60左右，但仍比PM-T15硬度HRC67时有更好的耐磨性，不需要做到更高的硬度就可以达到耐磨的目的。这主要是和碳化物形式及数量有关，PM-10V主要是靠碳化物形成增加耐磨性，一般使用建议硬度为HRC60-62。建议采用PVD/CVD涂层使用。 一般来说，PM-10V耐磨性是传统高速钢的7～10倍。易于线割，对用于取代碳化钨和其他要求高耐磨性材料是最佳的选择，特别是用在切刀片、粉碎机叶片、剪断及剪切之刀口、粉末成型模具及其他要求耐耗之零件。 （D）PM-A60 PM-A60相当于ASP-60，是一种高碳、高钴之粉末高速钢，因为含钴量高（＞10%），因此具有优异的热间硬度及强度，在需兼具热间硬度、耐磨性及韧性的场合，PM-A60便是最佳选择。一般使用硬度可以达到HRC67-69，最高硬度可达HRC 70。适合在高速冲模模具、冲头、铣刀、精加工立铣刀、拉刀上使用。甚至当硬质合金工具过脆不利工作时，可使用PM-60取代。 结语 粉末高速钢，由于良好的组织均匀性和碳化物无偏析特点，弥补了普通高速钢的先天缺陷，使钢材质量和性能得以全面提升。对目前工业提升增加了莫大的推动力，但是因为对粉末高速钢材料特性的不了解，因此一般的使用者无法在付出高价的同时得到相当的回报。这其中主要是与材料选用、热处理以及加工上的专业知识有关。尤其是在热处理工艺上，与传统高速钢有极大的不同，它具有极高的工艺技术。由于国内热处理业者的技术水平参差不齐，目前发现国内粉末高速钢使用者所产生的问题中，其中有超过98%的问题存在于热处理上。这一点与热处理技术开展较为成熟的日本及台湾差异较大，因此，我们建议使用者在使用粉末高速钢时，选择正规及专业化高的供应商。同时要求其提供相对应的配套服务，这样对使用者来说，才能有较好的保障。(end)

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