近年粉末冶金高速工具鋼研究進(jìn)展

鄭偉 李宗臻 張朋 吳立志

摘 要：本文簡要介紹了粉末高速鋼國內(nèi)外的發(fā)展歷程、特點(diǎn)、優(yōu)越性及近幾年來在熱處理、應(yīng)用、加工新方法及應(yīng)用的局限性等方面的研究進(jìn)展情況。

關(guān)鍵詞：粉末高速鋼;碳化物;熱處理

中圖分類號：TF125 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0049-02

1 粉末高速鋼簡介

高速鋼俗稱鋒鋼，或萊氏體鋼，集耐磨性、硬度及耐熱性于一身的合金鋼，碳化物（MC）和基體（包覆著碳化物）構(gòu)成了耐磨性好、韌性高、耐沖擊的高速鋼材料，其中還包括了非碳化物形成元素，如鈷、鋁等，增加高速鋼的紅硬性和二次硬化等?；谏鲜龈咚黉摰奶攸c(diǎn)，其主要應(yīng)用在切削刀具、模具、軋輥、耐磨件、油泵油嘴等[1]。根據(jù)高速鋼冶煉成形時(shí)冷卻速度或凝固速率的不同，通常可分為鑄造高速鋼、噴射成形高速鋼和粉末冶金高速鋼。

粉末冶金高速鋼經(jīng)快速凝固技術(shù)避免了碳化物偏析（如圖1掃描電鏡碳化物分布情況，粉末鋼和普通冶煉鋼），同時(shí)粉末鋼合金含量高，且碳化物分布均勻細(xì)小，解決了普通高速鋼碳化物偏析造成的機(jī)械性能低和熱處理變形大的問題，從而提升了高速鋼的使用壽命。

較早的粉末高速鋼工業(yè)化生產(chǎn)是美國Crucible廠和瑞典Stora廠（現(xiàn)法國Erasteel公司）。上世紀(jì)九十年代瑞典Sderfors廠引入電渣加熱新技術(shù)提升鋼材純凈度，制造出ASP2000系列的粉末高速鋼牌號，夾雜物大幅度減少，抗彎強(qiáng)度提升。本世紀(jì)初奧地利Bohler廠粉末高速鋼生產(chǎn)線建成，抗彎強(qiáng)度甚至可達(dá)4200MPa。

我國初期粉末高速鋼的制備技術(shù)在上世紀(jì)70年代，鋼研總院制備了FT15和FR71，橫向抗彎強(qiáng)度達(dá)到3273Mpa，可加工鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼及難加工軍工材料。

河冶科技近幾年與鋼研總院、安泰科技、北京科技大學(xué)、航材院和法國Erasteel等公司的合作及研究開發(fā)工作，使得粉末冶金高速鋼的研究及應(yīng)用在國內(nèi)得到迅速發(fā)展，目前河冶科技已經(jīng)形成HOP系列化的粉末高速鋼產(chǎn)品，其性能及應(yīng)用均得到了用戶的廣泛認(rèn)可。

雖然粉末冶金高速鋼具有著碳化物分布均勻細(xì)小的天然優(yōu)勢，但其后續(xù)退火處理，淬回火處理包括：奧氏體化溫度（淬火）、回火溫度等熱處理[2]、深冷處理，及應(yīng)用方向、加工方法對粉末冶金高速鋼的性能及使用壽命也有很大的影響。萬物有利必有弊，同樣，粉末冶金高速鋼也存在著其應(yīng)用的局限性及劣勢。

2 粉末高速鋼熱處理

高速鋼的熱處理對其后續(xù)加工、應(yīng)用及使用壽命的影響非常重要，尤其高性能粉末冶金高速鋼（圖2淬回火處理曲線），其性能的發(fā)揮與退火、淬火、回火、深冷處理等有著密切的關(guān)系。由于粉末高速鋼合金含量相對通用高速鋼高，且碳化物細(xì)小分布均勻，其退火硬度相對要高，選擇合理的退火工藝對粉末高速鋼后續(xù)的火前加工、淬回火處理有著重要的意義，例如，細(xì)小的碳化物在奧氏體化溫度下更容易溶解到機(jī)體，碳化物分布均勻使得復(fù)雜工件熱處理變形較小等優(yōu)勢，同時(shí)如果熱處理不當(dāng)會引起碳化物的長大，影響其使用性能及壽命。

粉末高速鋼與通用高速鋼有著顯著地不同點(diǎn)，其熱處理工藝也應(yīng)有所不同，尤其在淬火前的預(yù)熱、淬火溫度和時(shí)間、回火溫度及時(shí)間等工藝中應(yīng)區(qū)別對待。不同的熱處理方式同樣影響了粉末高速鋼最終的性能，不同的應(yīng)用方向也決定了熱處理選擇鹽浴熱處理、真空熱處理及鹽浴淬火、氣淬火還是油淬火等方式，都會影響到材料的組織性能[4]。通過對樣品的分析實(shí)驗(yàn)，可以說明淬火溫度、回火溫度、深冷處理等工藝參數(shù)對粉末高速鋼機(jī)械性能及對其演變機(jī)理組織變化加以表征[3]，并可以對實(shí)際應(yīng)用做以參考。粉末高速鋼在熱處理過程碳化物變化如圖3，退火態(tài)約占試樣質(zhì)量的28.08%，淬火態(tài)約占18.40%，回火態(tài)約占24.84%，固溶過程中回溶量為9.68%，二次析出量為6.44%[5]。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中熱處理因素影響較多，比如淬火爐控溫、溫度均勻性、被加工件的形狀及要求、溫度測量準(zhǔn)確度等等，都需要認(rèn)真考慮及實(shí)際試制中摸索，才能更好的發(fā)揮粉末高速鋼的性能優(yōu)勢。

3 粉末高速鋼應(yīng)用

機(jī)加工對刀具的要求越來越高，同時(shí)高速鋼冶煉及加工工藝也在不斷進(jìn)步，粉末高速鋼在機(jī)加工領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其在難加工材料如鈦合金、鎳基合金、超硬材料等加工領(lǐng)域及復(fù)雜刀具上應(yīng)用越來越多，高速鋼刀具應(yīng)用廠家也越來越關(guān)注粉末高速鋼的應(yīng)用及研究工作。

近幾年報(bào)道的粉末高速鋼在螺紋刀具中的應(yīng)用研究工作，伴隨著HOP2030選擇越高的淬火溫度，碳化物的粘連拖尾現(xiàn)象就會加重，達(dá)到1220℃以上會出現(xiàn)角狀化，絲錐的淬火溫度選擇1140-1180℃時(shí)，才能表現(xiàn)出粉末高速鋼的優(yōu)勢。

粉末高速鋼碳化物分布均勻細(xì)小，強(qiáng)度和韌性高，在制造如拉刀、齒輪滾刀、銑刀等復(fù)雜刀具時(shí)優(yōu)勢明顯，如果在現(xiàn)有銑床上采用粉末高速鋼改善滾刀切削速度及進(jìn)給量，可以大幅提升其加工效率達(dá)到技術(shù)降本的可能性。

4 粉末高速鋼加工新方法

增材制造亦稱為3D打印，以氣霧化粉末為原料，經(jīng)激光熔覆制備高速鋼，研究增材制造的高速鋼組織形態(tài)，增材制造在粉末高速鋼上的應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品加工的效率和利用率，尤其在近終成型產(chǎn)品上的應(yīng)用影響意義深遠(yuǎn)。

除上述通過霧化制粉—熱等靜壓方式生產(chǎn)粉末冶金高速鋼外，近年來有報(bào)道以鐵粉、鈷粉和碳化物粉末為原料，通過機(jī)械球磨和真空活化燒結(jié)制備高性能近凈成形粉末冶金高速鋼新工藝研究工作，其優(yōu)點(diǎn)包括成分易調(diào)節(jié)、流程短、低能耗、材料利用率高、少加工等。如果在燒結(jié)過程中引入稀土可進(jìn)一步細(xì)化晶粒、提升沖擊及韌性減少燒結(jié)的孔隙率。

5 粉末高速鋼應(yīng)用的局限性

粉末高速鋼具有著碳化物顆粒細(xì)小分布均勻、合金含量高、熱處理變形小、二次硬化效果好、韌性高等諸多優(yōu)勢，但由于其加工工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用的進(jìn)展。同時(shí)，正是因?yàn)槠渚哂芯鶆蚣?xì)小碳化物，限制了粉末高速鋼在某些方面的應(yīng)用，如不適宜加普通高速鋼、冷作模具鋼、共析調(diào)質(zhì)鋼等。

6 結(jié)語

雖然粉末高速鋼具有著碳化物顆粒細(xì)小分布均勻、合金含量高、熱處理變形小、二次硬化效果好、韌性高等諸多優(yōu)勢，但要想充分發(fā)揮粉末高速鋼的性能及使用壽命，還需選擇合理的應(yīng)用方向，并處理好粉末鋼的退火、預(yù)熱、淬火、回火、熱處理方式、深冷處理等成品硬化處理工藝。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳立志.中國高速鋼的發(fā)展[J].河北冶金，2015（11）：1-8.

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