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粉末冶金高速钢的选择与应用
来源:本站 编辑:管理员 更新时间:2020-07-28 点击:16次

切削技术的发展依靠刀具技术和高速机床技术的进步,刀具与机床的正确选用常起着决定性作用。采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层、公道设计刀具结构与几何参数、选择最佳的切削速度是实现切削加工优化的重要保障。在目前高性能刀具材料如硬质合金、金属陶瓷、金刚石、立方氮化硼等超硬材料不断发展的同时,高速钢尤其是粉末冶金高速钢,凭借其在强韧性、 工艺性及可加工性等方面优良的综合性能,在复杂刀具特别是切齿刀具、拉刀和各类铣刀制造中仍占有明显上风,应用相当广泛。

1 高速钢发展及粉末高速钢冶炼工艺特点

以切削刀具为主要用途的高速钢已经历了百年的发展历程。1900 年法国巴黎世界展览会上, 美国人Taylor和White成功进行的高速切削演示标志着高速钢的应用拉开了序幕。多年来,高速钢刀具一直占据着机械加工领域的主导地位,其发展简史见表1。
表1 高速钢发展简史

年代 主要大事记
1870~1898 英国人Mushet发明应用Mn-W自硬工具钢,切削中碳钢速度8m/min
1898~1900 美国人Taylor、White以Cr-W钢取代Mn-W自硬钢,创立了高速钢。切削中碳钢速度达20m/min
1910 确立T1(W18Cr4V)钢成分,切削中碳钢速度达30m/min
1937~ 美国人Breelor发明W-Mo系高速钢M2
1939 ~ 美国发明高碳高钒高速钢,含钒3~5%,淬回火硬度达67~68HRC,耐磨性好,可磨削性差。
1958~1963 平衡碳理论提出与应用,美国发明M40系高速钢,硬度达70HRC,如M41,M42
1965~ 美国Crucible Steels公司发明粉末冶金法生产高速钢
1970~ 瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速钢投产;电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产
1980 ~ 欧、美、日、俄等国开始生产粉末冶金高速钢;氮化钛涂层用于高速钢切削刀具,寿命大幅进步
1990 ~ 粉末冶金高速钢实现高合金冶炼,新钢种热处理硬度达70~72HRC

高速钢传统冶炼制造工艺通常采用大吨位电弧炉冶炼、模铸浇铸成锭。电弧炉冶炼,钢水容量大,成分均匀,可通过炉外精炼、真空脱气等进步钢水质量;但由于钢锭浇铸尺寸较大,钢水冷却缓慢,且高速钢化学成分复杂,合金元素含量高,使其莱氏体组织粗大,碳化物偏析严重。碳化物偏析程度反映了高速钢质量的优劣,严重的偏析降低了高速钢的性能,使钢的锻、轧加工困难,高合金、高性能高速钢的发展受限。

粉末冶金高速钢改变了传统的高速钢浇铸与成锭工艺,采用了雾化制粉及压力加工成形。国际上较先进的粉末高速钢制造基本工艺是将冶炼完、符合化学成分要求的钢水经强力高压氮气雾化,细小液滴瞬间迅速凝固成合金粉末颗粒,其粒度相当于一般铸锭亿万分之一的“超细小钢锭”,形成了极快冷凝固制粉。雾化制粉完成后,合金粉末颗粒经筛分、装包套、摇实、抽真空脱气等工序,再经冷、热等压力加工成锭。粉末冶金高速钢的优点为成分均匀、碳化物无偏析,易实现高合金化;与电炉钢比较,其强韧性大幅度进步,热处理变形小,尺寸稳定性高,可磨削性能好。

2 粉末冶金高速钢主要牌号及成分

传统冶炼生产的高速钢牌号均可运用粉末冶金方法生产,而高钒、高钴等高合金高性能高速钢却是粉末冶金高速钢所独占的牌号(如ASP2060、ASP2080等)。表2为粉末冶金高速钢主要牌号及成分范围。
表2 粉末冶金高速钢主要牌号及成分(wt%)

序号 牌号 C Cr W Mo V Co 其它
1 M2-PM 0.95~1.05 3.75~4.50 5.50~6.75 4.50~5.50 1.75~2.20 max0.50  
2 M3-PM 1.15~1.25 3.75~4.50 5.00~6.75 4.75~6.50 2.75~3.25 max0.50  
3 M4-PM 1.25~1.40 3.75~4.75 5.25~6.50 4.25~5.50 3.75~4.50 max0.50  
4 M7-PM 0.97~1.05 3.50~4.00 1.40~2.10 8.20~9.20 1.75~2.25 max0.50  
5 M35-PM 0.88~0.95 3.80~4.50 6.00~6.70 4.70~5.20 1.70~2.00 4.50~5.00  
6 M42-PM 1.05~1.15 3.50~4.25 1.15~1.85 9.00~10.0 0.95~1.35 7.75~8.75  
7 M48-PM 1.42~1.52 3.50~4.00 9.50~10.50 4.75~5.50 2.75~3.25 8.00~10.00 S≤0.07
8 M50-PM 0.78~0.88 3.75~4.50 max0.20 3.90~4.75 0.80~1.25 max0.50  
9 M61-PM 1.75~1.85 3.50~4.25 12.10~12.9 6.00~6.75 4.50~5.25 max1.00 P≤0.02
10 ASP2015 1.50~1.60 3.75~5.00 11.75~13.0 max1.00 4.50~5.25 4.75~5.25  
11 ASP2017 0.80~0.85 3.80~4.50 2.85~3.25 3.90~4.20 0.95~1.35 7.75~8.75 Nb:1.00
12 ASP2030 1.25~1.35 3.80~4.50 6.00~6.70 4.70~5.20 2.70~3.20 8.10~8.80  
13 ASP2053 2.30~2.60 3.80~4.50 4.00~4.50 2.80~3.50 7.75~8.20 Max0.50  
14 ASP2060 2.15~2.45 3.80~4.50 6.00~6.80 6.70~7.30 6.20~6.80 10.10~10.8  
15 ASP2080 2.30~2.60 3.8~4.30 10.50~11.5 4.80~5.30 5.80~6.20 15.50~16.5  
16 S390-PM 1.55~1.65 4.50~5.00 9.50~11.00 2.00~2.40 4.60~5.20 7.60~8.30  
17 S390-PM-MOD 1.65~1.75 5.95~6.35 10.0~10.75 3.10~3.40 4.00~4.50 7.70~8.30 S≤0.02
18 HS10-4-3-10PM 1.21~1.34 3.80~4.50 9.00~10.00 3.20~3.90 3.00~3.50 9.50~10.5  
19 HS18-1-2-5-PM 0.75~0.83 3.80~4.50 17.5~18.50 0.50~0.80 1.40~1.70 4.50~5.00  
20 HS12-1-4-PM 1.20~1.35 3.80~4.50 11.5~12.50 0.70~1.00 3.50~4.50 max 0.50
21 PM-10V 2.35~2.55 4.75~5.50 max0.50 1.10~1.45 9.3~10.25 max0.50 S≤0.09
22 CPM10V-MOD 2.80~3.00 7.75~8.25 max1.00 1.20~1.60 9.25~10.25 max0.50  
注:上表中一般均要求,P≤0.03%,S≤0.03%,N≤0.08%,O≤0.015%,Ar≤0.05ppm;*为合金工具钢

3 粉末冶金高速钢的选用
高速钢含有大量W、Mo、Cr、V等元素,其与碳形成的合金碳化物进步了钢材性能。由于粉末高速钢冶炼的独特性,合金元素含量更高,尤其是高V、高Co钢的应用较为普遍。高速钢中的W、Mo作用相似,与碳形成的合金碳化物通过溶解及析出强化,使高速钢具有特殊的二次硬化效果,红硬性大大进步;钢中V是强的碳化物形成元素,VC细小弥散,进步了钢的耐磨性,随着V含量的进步,高速钢的抗磨粒磨损性能大幅提升;Co是固溶强化最强的合金元素之一,通过固溶基体强化来进步高速钢的硬度及热硬性,改善了刀具切削性能,使刀具寿命大为进步。图1为几种粉末高速钢与典型高速钢的性能特点对比。

图1 几种粉末高速钢与典型高速钢的性能特点对比
刀具材料的选择需要考虑刀具种别、机床及切削条件、被加工材料及硬度等因素。随着数控机床、中硬材料切削及高强钢的大量应用,对切削刀具的性能要求越来越高,刀具必须具备更高的硬度、红硬性、耐磨性及韧性。一般来讲,对于要求高耐磨、高韧性的刀具,如遐龄命丝锥、拉刀、单齿薄刃刀具等,可选择高碳高钒粉末高速钢,典型牌号有M3-PM、M4-PM、M61-PM等;对于要求高速切削、高热硬性、遐龄命的刀具,如齿轮滚刀、插齿刀、数控机床用各类铣刀,可选择高钒高钴粉末高速钢,典型牌号有ASP2015、ASP2030、ASP2060等。

4 结语

粉末高速钢由于良好的组织一致性和碳化物的无偏析,弥补了普通冶炼高速钢的严重缺陷,使钢材质量和性能全面进步。粉末冶金高速钢刀具在加工铁基高温合金、钛合金、超高强钢等难加工材料时表现出了良好的切削性能及综协力学性能。由于粉末高速钢冶炼及雾化制粉的特殊性,工艺及设备要求相对复杂,钢材制造本钱较高,目前在精密复杂刀具生产中应用较多,还有待进一步推广应用。

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