粉末冶金高速钢的应用

粉末冶金高速钢的应用

    粉末冶金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, 也可用作侧面铣刀、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，粉末冶金高速钢通常用于制造精密复杂刀具或数控机床用刀具。

    粉末冶金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刀具在工具行业的应用前景十分看好, 越来越受到人们的关注。

    自20世纪70年代以来，高速钢刀具的市场份额逐渐被硬质合金刀具所蚕食。但近年来，随着粉末冶金高速钢（P/M HSS）刀具切削性能的提高，高速钢刀具的市场占有率又有所回升。与普通高速钢刀具相比，粉末冶金高速钢刀具硬度更高、韧性更好、更耐磨损，因此在某些应用领域（如高冲击性、大切除量的加工场合），粉末冶金高速钢刀具有逐渐取代脆性较大、在切削冲击下易发生碎裂的整体硬质合金刀具的趋势。 

     粉末冶金高速钢制造工艺于20世纪60年代后期在瑞典开发成功，并于70年代初期进入市场。该工艺可在高速钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或易磨性，从而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削冲击、适合高切除率加工和断续切削加工的刀具。 

     高速钢刀具材料主要由两种基本成分构成：一种是金属碳化物（碳化钨、碳化钼或碳化钒），它赋予刀具较好的耐磨性；二是分布在周围的钢基体，它使刀具具有较好的韧性和吸收冲击、防止碎裂的能力。制备普通高速钢时，是将熔化的钢水从钢水包中注入铸模，使其缓慢冷却凝固。此时，金属碳化物从溶液中析出，并形成较大的团块。高速钢中添加的合金含量越多，碳化物团块就越大。达到某一临界点时，可形成尺寸极大的碳化物团块（直径可达40mm）。出现大的碳化物团块的临界点根据钢锭的尺寸以及其它因素而略有不同，但一般是在碳化钒含量达到约4％时发生。通过对钢锭进行锻造、轧制等后续加工，可以粉碎其中一部分碳化物团块，但不可能将其完全消除。虽然增加钢材中金属碳化物颗粒的数量可以改善材料的耐磨性，但随着合金含量的增加，碳化物的尺寸及团块数量也会随之增加，这对于钢材的韧性会产生极其不利的影响，因为大的碳化物团快可能成为产生裂纹的起始点。 

     粉末冶金高速钢的制备工艺与普通高速钢的制备工艺不同，熔化的钢水不是直接注入铸模，而是通过一个小喷嘴将其吹入氮气流中进行雾化，喷出的雾状钢水迅速冷却为细小的钢粒（直径小于1mm）。由于钢水溶液中的碳化物在快速冷却过程中来不及沉淀和形成团快，因此获得的钢粒中碳化物颗粒细小且分布均匀。将这些钢粉过筛后置入一个钢桶中，并将钢粉中间的空气抽净形成真空状态，然后在高温、高压下将钢桶中的钢粉压制成型，即可得到致密度为100％的粉末冶金高速钢毛坯。这一制备工艺被称为热等静压（hot isostatic pressing, HIPing）成型。然后可对毛坯进行锻造、轧制等后续加工.利用热等静压成型工艺制备的粉末冶金高速钢中的碳化物颗粒非常细小，而且不管其合金含量为多少，这些碳化物颗粒都可均匀分布于整个高速钢基体中。 

     虽然不同的生产商制备粉末冶金高速钢的工艺细节可能略有不同，但其基本工艺原理（氮气雾化制粒和热等静压成型）都是相同的。十分重要的一点是不能将这种制备工艺与热压烧结工艺（用加热到熔点温度的钢粉压制和烧结工件）相互混淆，虽然这两种工艺在名称上有一些相似，但其工艺原理却完全不同。典型的热压烧结工艺是在模具中逐个压制出工件，且通常在原材料粉末中加入了粘结剂，因此烧结后的材料中会形成微孔结构。 

     采用粉末冶金高速钢制备工艺，钢材生产商可以充分增加钢中的金属碳化物含量，而不会对材料的韧性或易磨性造成有害影响。虽然一些偏爱粉末冶金高速钢的人喜欢将其誉为高速钢与整体硬质合金的“混血儿”，但实际上它只是一种具有尺寸微小的碳化物颗粒和细化的钢基体粒子结构的高速钢。不过，它确实将高速钢良好的韧性与硬质合金的高耐磨性很好地结合于一身。 

     由于粉末冶金高速钢中碳化物颗粒细小且分布均匀，因此与碳化物含量相同的普通高速钢相比，其强韧性大大提高。凭借这一优势，粉末冶金高速钢刀具非常适合用于切削冲击大和金属切除率高的加工场合（如挠曲切削、断续切削等）。此外，由于粉末冶金高速钢的强韧性不会因金属碳化物含量的增加而削弱，因此钢材生产商可以在钢中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。以丝锥为例，由于攻丝加工中丝锥切削刃不断与工件接触和分离，切削冲击较大，因此需要用高强韧牌号的耐碎钢制造丝锥，同时，为了提高丝锥的耐磨损性能，要求刀具材料中的碳化物含量较高。原来常用的丝锥材料为普通高速钢牌号M-2，现在则可用粉末冶金高速钢牌号M-4替代。这两种牌号中的中硬碳化物含量大致相同（M-4为8％，M-2为7％），但粉末冶金高速钢牌号中的高硬碳化物含量却远远高于普通高速钢（M-4为6％，M-2仅为2％），因此M-4丝锥的耐磨性得到显著增强，加工效率和刀具寿命提高，同时M-4丝锥的强韧性也大大优于M-2丝锥，在攻丝加工中不易碎裂。 

     粉末冶金高速钢的缺点是价格较贵，约为普通高速钢的2～5倍（不同牌号有所差异）。因此，刀具制造商必须在刀具性能的提高与额外增加的刀具制造成本之间进行权衡。对于小型复杂刀具而言，由于材料费用只占刀具总成本的一小部分，因此采用粉末冶金高速钢十分划算。而对于大尺寸的简单刀具而言，是否选用粉末冶金高速钢则需要仔细斟酌。不过，粉末冶金高速钢易磨性的显著改善通常可使增加的材料费用得到部分（或全部）补偿。 

    影响钢材易磨性的主要因素是钢中碳化钒的含量水平，由于碳化钒的硬度要高于磨轮中氧化铝磨粒的硬度，因此在磨削钒含量较高的普通高速钢时，磨粒容易钝化，产生磨削热较多，磨轮磨损较快，所需磨削工时也较长。而粉末冶金高速钢中碳化物细小且分布均匀，与普通高速钢相比，对磨轮的损耗较小，可大大缩短磨削工时，节省磨削加工费用。小型复杂刀具通常需要进行大量精密磨削加工，即其磨削/材料成本比率（grinding-to-material- cost ratio）较高，因此增加的材料费用支出很容易在磨削加工环节全部收回（甚至可有盈余）。而大规格刀具所需磨削加工较少，磨削/材料成本比率较低，因此材料易磨性的改善通常只能部分补偿材料成本的提高。虽然采用粉末冶金高速钢的经济性因不同刀具制造商的生产工艺而异，但一般而言，刀具材料易磨性的改善可使磨削工时缩短约30％。 

     如今，粉末冶金高速钢刀具已成为整体硬质合金刀具的有力竞争者。虽然整体硬质合金刀具硬度很高，但脆性也很大，因此多用于车削加工，而不太适合切削冲击较大的加工和粗加工。由于粉末冶金高速钢中含有大量硬质碳化物，因此其耐磨性可达到与整体硬质合金相当的水平，而其韧性则优于整体硬质合金，更能胜任要求刀具兼具耐磨性和强韧性的切削加工（如攻丝、立铣加工等）。 

     粉末冶金高速钢制备技术的最新进展进一步提高了其竞争力。电渣加热（electro-slag heating, ESH）精炼工艺的应用对于粉末冶金高速钢具有里程碑式的重大意义。该工艺可以去除钢中几乎所有杂质，进一步提高材料的韧性，显著改善刀具的抗崩刃能力。此外，由于钢中杂质减少，生产商可以进一步增加钢中的合金含量，例如，某种粉末冶金高速钢牌号的碳化钒含量可达到14％，而普通高速钢牌号碳化钒的最大含量仅为约4％。虽然钢中添加了大量合金，但并不会影响其韧性和易磨性。 

     需要注意的是，有许多粉末冶金高速钢生产商为了降低成本，没有采取提高材料纯度的工艺措施，他们生产的钢材中可能含有许多会引起刀具微崩刃的杂质。但是，仅仅根据生产商提供的产品资料是很难辩别其质量优劣的，用户必须要求生产商说明采取了何种去除杂质的工艺措施，或进一步要求其提供有关钢中杂质大小的详细技术数据。 

     粉末冶金工艺改变了传统高速钢的材料特性，尤其是采用新开发的提纯技术，使粉末冶金高速钢可以达到极高的合金含量而又能保持其韧性。因此，粉末冶金高速钢刀具的切削性能在几乎所有切削加工领域全面超越了传统高速钢刀具，并在高切除率、高冲击性切削加工中优于整体硬质合金刀具。虽然其价格高于普通高速钢，但可以通过刀具性能的提高、寿命的延长、易磨性的改善而获得补偿。
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