粉末高速钢的特性及应用

粉末高速钢于20世纪60年代后期开始研制生产，并在70年代投入应用。粉末高速钢特殊而先进的冶炼方法是高速钢冶炼的一种创新，它造就了性能介于硬质合金和普通高速钢之问的新钢种，使机械制造加工业的刀具用材有了新的突破。作为一种性能优异的新铡种，粉末冶金高速钢正逐渐被人们认识和接受，在机械加工业中发挥越来越大的作用。

随着汽车、航天、航空、军工、信息技术产业及机械制造业的迅速发展，现代的饥械加工越来越追求“高精度、高效率、高可靠性和专业化”目标，这就需要工具行业提供高切削性能的刀具，为此开发用于制造刀具的优质材料更显得十分重要。

1.粉末高速钢的冶炼特性

与普通高速钢的冶烁相比，粉末高速钢的冶炼更具有其特殊性和先进性。普通高速钢通过电弧炉或感应熔炼炉熔炼后，直接将钢液浇注成钢锭，然后再通过锻造、轧制加工成钢材，但由于钢液浇注冷凝成钢锭时，凝固速度十分缓慢，从钢液中析出大量的命属碳化物，形成鱼骨状的莱氏体和团块状的粗大共品碳化物，并产生碳化物偏析，直接影响到钢的各种力学性能，特别是钢的韧性。

而粉末高速钢的冶炼则不同，经过电弧炉或感应熔炼炉熔化的钢液不是直接浇注成钢锭，而是将熔化的钢液通过喷嘴，喷入到高压氮气流中，钢液被迅速雾化冷却成细小的钢粒，其直径一般小于1mm。再将这样制成的钢粉装入钢桶，对钢桶抽真窄，使桶中钢粉间的空气抽净成真空状态，然后焊合钢桶，再在高温高压下将钢桶中的钢粉压制成形，形成热等静压烧结制备工艺。由此可生产出致密度几乎为100％的粉末冶金高速钢坯料，然后接F来再锻造、轧制成钢材。

由于粉末冶金在喷雾制粉过程中，钢液冷却速度十分快，避免了普通高速钢铸锭过程中的许多缺陷，雾化的钢液中碳化物来不及聚集长大形成团块状，因此碳化物颗粒细小而均匀，一般为1～3μm(最大尺寸不超过6(μm)，这就大大提高了钢的强度和韧性。

2.粉末高速钢的性能和特点

粉末冶金的特殊冶炼方法与普通高速钢相比，具有更优异的性能和特点(见表一)。

表一

 项目  普通高速钢  粉末高速钢

 碳化物颗粒度  碳化物颗粒粗大，最大直径可达40μm，分布不均匀且有堆集  碳化物颗粒细小，一般为1~3μm，最大直径尺寸6μm，且分布十分均匀

 共晶碳化物不均匀度  较差  消除了共晶碳化物的不均匀性

 成分偏析  严重  无偏析

 合金元素含量  合金元素含量受到限制，合金元素增加，碳化物团块粗大，偏析严重，Cr、Mo、V、W、Co等主要合金元素质量百分比一般为10%~25%,碳化钒含量不超过4%，含碳量最高1.6%  可提高合金元素含量，不会引起碳化物颗粒粗化和成分偏析，Cr、Mo、V、W、Co等主要合金元素质量百分比可高达40%左右,碳化钒含量可高达14%，含碳量最高可达2.45%

 可加工性  合金元素和碳化物含量增加，可加工性差，磨削困难，锻轧加工困难  合金元素和碳化物含量增加，提高钢的硬度和耐磨性，不影响钢的加工性，其车削和磨削性良好，无需锻轧加工

 力学性能  各向性能不同，且比粉末高速钢硬度低、韧性差、耐磨性差，存在一定的脆性，适用于制造一般的切削刀具  各向同性，具有高强度、高硬度、高韧性高、耐磨性，适用于高冲击性和大切削量的切削加工

 热处理硬度  通用高速钢：HRC63~66,高性能高速钢：HRC65~68；  HRC66~72

 

从表一中可看出，粉末高速钢性能十分优越，它具有高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性，以及可加工性好的特点，是一种介于硬质合金和高速钢之间的新材料。由于粉末高速钢制造的刀具的切削性能在所有切削加工领域内全面超越了原来的高速钢，其韧性优于整体硬质合金刀具而越来越受到工具行业的青睐。

3.粉末高速钢的牌号、成分和常规热处理工艺

粉末高速钢由于冶炼工艺十分复杂，制造成本较高，因此至今世界上只有瑞典、美国、奥地利、法国、日本和俄罗斯等少数发达国家生产。由于粉末冶金用量不多，我国尚未有企业生产粉末高速钢，不过随着机械制造业的发展及国际机械制造业向国内的转移，相信我国粉末冶金的生产将会快速到来。表二为几个国家的粉末冶金高速钢牌号、成分及热处理工艺。

表二

 

产

地  牌号  主要成分 盐浴热处理工艺及硬度

预热

℃

预热

℃

加热

℃

冷却

℃

回火3次

℃

硬度HRC

 

瑞

典  ASP2023  W6Mo5Cr4V4  600~650  850  1000~1180  500~550  540~560  58~66

 ASP2030  W6Mo5Cr4V3Co8  600~650  850  1000~1180  500~550  540~560  60~67

 ASP2060  W6Mo7Cr4V6Co10  600~650  850  1000~1180  500~550  540~560  64~69

 

奥

地

利  S390              

 S590              

 S690              

 S790              

 

日

本

日

立

 HAP10              

 HAP20              

 HAP40              

 HAP50              

 HAP70              

 HAP72              

 

日

本

大

同  DEX20              

 DEX40              

 DRM1              

 DRM2              

 DRM3              

 

日

本

不

二

越 FAX18              

 FAX31              

 FAX38              

 FAX40              

 FAX55              

 FAXG1              

 FAXG2              

 

4.粉末高速钢的发展

粉末高速钢自生产以来，由于其制备技术的不断优化和改进，在质量和特性方面不断取得了新进展，已从20世纪70年代的第一代，进化到90年代的第一代，再发展至21世纪初的第三代。

5.粉末高速钢的应用

粉末高速钢因具有极佳的韧性和机加工性能、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性，具有高合金含量、高纯度无偏析、细小的碳化物颗粒和各向同性同质的特点，而得到广泛的应用。它被用作加工钛和铝合金等有色金属的刀具，用作加工齿轮铣刀、滚刀、插齿刀、剃齿刀等刀具，也可用作侧而铣刀、成形铣刀和拉刀，也常用于麻花钻、机用丝锥、铰刀等制造。在锯条行业用作带锯双金属钢带，还用作精密冲切工具和冲头冲模的制造、以及其他模具制造。由于粉末冶金价格较贵(一般是普通高速钢的4～8倍)，所以考虑成本因素，粉末高速钢通常用于制造精密复杂刀具或数控机床用刀具。

粉末高速钢制造的切削刀具性能优于普通高速钢，使用寿命高于普通高速钢(一般2～3倍)，在冲击负荷大的切削场合又可替代硬质合金刀具，因此粉末冶金高速钢在工具行业的应用前景十分看好，越来越受到人们的关注。