[科普中国]-粉末冶金高速钢

简介

熔炼高速钢容易出现碳化物偏析，硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，而且晶粒粗大(8～20μm)，对高速钢刀具的耐磨性、韧性和切削性能会产生不利影响。

粉末冶金高速钢是20世纪70年代开发的新型刀具材料，它是将高频感应炉炼出的钢液用高压氩气或纯氮气使钢水雾化得到细小均匀的结晶组织（高速钢粉末），再将粉末在高温、高压下制成刀具毛坯，也可先制成钢坯，再经锻造、轧制成刀具。1

粉末冶金高速钢改变传统的熔铸工艺，采用粉末冶金技术生产的高性能高速钢或直接成型的刀具材料。成分可与一般高速钢接近。工艺过程包括雾化制粉、粉末真空脱氧、制坯及烧成三个环节。雾化制粉是依靠高速惰性气体或高压水冲击熔融的钢液流，随即雾化成细小液滴并凝固成粉。粉经脱氧、制坯后在高温下烧结成材料或刀具。组织特点是不存在化学成分的偏析，碳化物颗粒很细，分布均匀，使韧性明显改善，从而允许增加碳化物的体积分数，提高耐磨性。热处理温度范围宽，能在很高温度下加热而不出现过热。热处理变形小，锻造、轧制和磨削性得到改善，常用来生产常规方法难以制造的含钒、铌较高的高速钢。还可在粉末中添加耐磨的超硬微粉，获得介于高速钢和硬质合金之间的高性能特种高速钢。2

工艺流程这个工艺主要由雾化制粉和热致密化成材两部分组成。

雾化制粉就是将熔融的高速钢水通过中间漏包，流经专门喷嘴，使用高压高纯惰性气体（Ar或N2）喷射钢水流，使其雾化成细小液滴，冷却后收集起来，由于液滴很细，热容量小，故冷却速度极快，可达一千～十万℃/s。在高速冷却下，一次共晶碳化物来不及长大，从而可得到无宏观碳化物偏折的高速钢粉末。

热致密化就是把高速钢粉末装入软钢薄壁容器（包套），抽真空脱氧密封后装入热等静压机。在高温高压下，把粉末“热固结"成完全致密的压实体，即粉末冶金高速钢。由于在热固结过程中不产生液相，因此粉末冶金高速钢完全保留了粉颗粒无宏观碳化物偏析的特征，从而使各项性能得到明显提高和改善。3

优点与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢，具有以下优点：

(1)粉末冶金高速钢能解决碳化物偏析的问题。粉末冶金高速钢碳化物晶粒为2～3μm，清除了碳化物偏析，从而提高了钢的强度、韧性和硬度，而且由于碳化物颗粒均匀分布的表面积较大，使耐磨性提高了20%～30%。这一特点使粉末冶金高速钢适合制造在强力断续切削时容易产生崩刃或要求刀尖锋利且强度和韧性高的刀具，如插齿刀，立铣刀等，特别适合制造大尺寸刀具，其寿命可比熔炼高速钢刀具提高2～3倍。

(2)磨削加工性好。由于碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢磨削加工性好，钒质量分数为5%的粉末冶金高速钢的磨削加工性相当于钒质量分数为2%的熔炼高速钢，磨削效率比熔炼高速钢高2～3倍，磨削表面粗糙度显著减小。

(3)能制造超硬高速钢。在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高1～1.5HRC，热处理后硬度可达67~70HRC，600℃时的高温硬度比熔炼高速钢高2～3HRC。应用粉末冶金高速钢的新工艺，可在现有高速钢中加入高碳化物（TiC和NbC），制造出超硬高速钢新材料。

(4)能保证物理、力学性能各向同性。由于粉末冶金的工艺特点，保证了粉末冶金高速钢的各向同性，减少了热处理内应力和变形，适合制造钻头、拉刀、螺纹刀具、滚刀、插齿刀等各种复杂刀具。

(5)能节约钢材和工时。用粉末冶金高速钢直接压制刀坯，可减少加工余量，节约钢材和工时。1

应用粉末冶金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间的新钢种。粉末冶金高速钢的崛起，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钢种，逐渐被人们认识、接受和喜爱，正在机械行业发挥越来越大的作用。

粉末冶金高速钢具有极佳的韧性和机加工性、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性，还具有合金含量高、纯度高、无偏析、碳化物颗粒细小和各向同性同质等特点，因而得到了广泛的应用。可用作加工钛和铝合金等有色金属的刀具，用作加工齿轮的铣刀、滚刀、插齿刀、剃齿刀等刀具，也可用作侧面铣刀、成型铣刀和拉刀，还常用于麻花钻、机用丝锥、铰刀等；在锯条行业粉末冶金高速钢用作带锯双金属钢带，还用作精密冲切工具及冲头冲模和其他模具。粉末冶金高速钢一般是普通高速钢价格的4～8倍，所以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（一般为2~3倍），在冲击负荷大的切削加工场合可替代硬质合金刀具，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。4