什么是粉末冶金高速鋼刀具？
2013-5-19 來源： 作者：
近年來，隨著粉末冶金高速鋼(P／M I-ISS)刀具切削性能的提高，高速鋼刀具的市場占有率有所回升。與普通高速鋼刀具相比，粉末冶金高速鋼刀具硬度更高、韌性更好、更耐磨損，因此在某些應用領域(如高沖擊性、大切除量的加工場合)，粉末冶金高速鋼刀具有逐漸取代脆性較大、在切削沖擊下易發生碎裂的整體硬質合金刀具的趨勢。
粉末冶金高速鋼制造工藝于2０世紀60年代后期在瑞典開發成功，并于70年代初期進入市場。該工藝可在高速鋼中加入較多合金元素而不會損害材料的強韌性或易磨性，從而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削沖擊、適合高切除率加工和斷續切削加工的刀具。
高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構成：一種是金屬碳化物(碳化鎢、碳化鉬或碳化釩)，它賦予刀具較好的耐磨性；二是分布在周圍的鋼基體，它使刀具具有較好的韌性和吸收沖擊、防止碎裂的能力。制備普通高速鋼時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模，使其緩慢冷卻凝固。此時，金屬碳化物從溶液中析出，并形成較大的團塊。高速鋼中添加的合金含量越多，碳化圖I 粉末冶金高速鋼中的碳化物尺寸與碳化物含量無關；普通高速鋼中的碳化物尺寸隨碳化物含量的增加而急劇增大物團塊就越大。達到某一臨界點時，可形成尺寸極大的碳化物團塊(直徑可達40mm)。出現大的碳化物團塊的臨界點根據鋼錠的尺寸以及其它因素而略有不同，但一般是在碳化釩含量達到約4％時發生。通過對鋼錠進行鍛造、軋制等后續加工，可以粉碎其中一部分碳化物團塊，但不可能將其完全消除。雖然增加鋼材中金屬碳化物顆粒的數量可以改善材料的耐磨性，但隨著合金含量的增加，碳化物的尺寸及團塊數量也會隨之增加，這對于鋼材的韌性會產生極其不利的影響，因為大的碳化物團快可能成為產生裂紋的起始點。
粉末冶金高速鋼的制備工藝與普通高速鋼的制備工藝不同，熔化的鋼水不是直接注入鑄模，而是通過一個小噴嘴將其吹入氮氣流中進行霧化，噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細小的鋼粒(直徑小于lmm)。由于鋼水溶液中的碳化物在快速冷卻過程中來不及沉淀和形成團塊，因此獲得的鋼粒中碳化物顆粒細小且分布均勻。將這些鋼粉過篩后置入一個鋼桶中，并將鋼粉中間的空氣抽凈形成真空狀態，然后在高溫、高壓下將鋼桶中的鋼粉壓制成型，即可得到致密度為100％的粉末冶金高速鋼毛坯。這一制備工藝被稱為熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP—ing)成型。然后可對毛坯進行鍛造、軋制等后續加工。利用熱等靜壓成型工藝制備的粉末冶金高速鋼中的碳化物顆粒非常細小，而且不管其合金含量為多少，這些碳化物顆粒都可均勻分布于整個高速鋼基體中。
雖然不同的生產商制備粉末冶金高速鋼的工藝細節可能略有不同，但其基本工藝原理(氮氣霧化制粒和熱等靜壓成型)都是相同的。十分重要的一點是不能將這種制備工藝與熱壓燒結工藝(用加熱到熔點溫度的鋼粉壓制和燒結工件)相互混淆，雖然這兩種工藝在名稱上有一些相似，但其工藝原理卻完全不同。典型的熱壓燒結工藝是在模具中逐個壓制出工件，且通常在原材料粉末中加入了粘結劑，因此燒結后的材料中會形成微孔結構。采用粉末冶金高速鋼制備工藝，鋼材生產商可以充分增加鋼中的金屬碳化物含量，而不會對材料的韌性或易磨性造成有害影響。雖然一些偏愛粉末冶金高速鋼的人喜歡將其譽為高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”，但實際上它只是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細化的鋼基體粒子結構的高速鋼。由于粉末冶金高速鋼中碳化物顆粒細小且分布均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比，其強韌性大大提高。憑借這一優勢，粉末冶金高速鋼刀具非常適合用于切削沖擊大和金屬切除率高的加工場合(如撓曲切削、斷續切削等)。此外，由于粉末冶金高速鋼的強韌性不會因金屬碳化物含量的增加而削弱，因此鋼材生產商可以在鋼中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。以絲錐為例，由于攻絲加工中絲錐切削刃不斷與工件接觸和分離，切削沖擊較大，因此需要用高強韌牌號的耐碎鋼制造絲錐，同時，為了提高絲錐的耐磨損性能，要求刀具材料中的碳化物含量較高。原來常用的絲錐材料為普通高速鋼牌號M一2，現在則可用粉末冶金高速鋼牌號M_4 替代。這兩種牌號中的中硬碳化物含量大致相同(M_4為8％，M一2為7％)，但粉末冶金高速鋼牌號中的高硬碳化物含量卻遠遠高于普通高速鋼(M_4為 6％，M一2僅為2％)，因此M_4絲錐的耐磨性得到顯著增強，加工效率和刀具壽命也得到提高，同時M一4絲錐的強韌性大大優于M一2絲錐，在攻絲加工中不易碎裂。
粉末冶金高速鋼的缺點是價格較貴，約為普通高速鋼的2—5倍(不同牌號有所差異)。因此，刀具制造商必須在刀具性能的提高與額外增加的刀具制造成本之間進行權衡。對小型復雜刀具而言，由于材料費用只占刀具總成本的一小部分，因此采用粉末冶金高速鋼十分劃算。而對于大尺寸的簡單刀具而言，是否選用粉末冶金高速鋼則需要仔細斟酌。粉末冶金高速鋼易磨性的顯著改善通常可使增加的材料費用得到部分(或全部)補償。
影響鋼材易磨性的主要因素是鋼中碳化釩的含量水平，由于碳化釩的硬度要高于磨輪中氧化鋁磨粒的硬度，因此在磨削釩含量較高的普通高速鋼時，磨粒容易鈍化，產生磨削熱較多，磨輪磨損較快，所需磨削工時也較長。而粉末冶金高速鋼中碳化物細小且分布均勻，與普通高速鋼相比，對磨輪的損耗較小，可大大縮短磨削工時，節省磨削加工費用。小型復雜刀具通常需要進行大量精密磨削加工，即其磨N／材料成本比率較高，因此增加的材料費用支出很容易在磨削加工環節全部收回(甚至可有盈余)。而大規格刀具所需磨削加工較少，磨N／材料成本比率較低，因此材料易磨性的改善通常只能部分補償材料成本的提高。雖然采用粉末冶金高速鋼的經濟性因不同刀具制造商的生產工藝而異，但一般而言，刀具材料易磨性的改善可使磨削工時縮短約30％。如今，粉末冶金高速鋼刀具已成為整體硬質合金刀具的有力競爭者。雖然整體硬質合金刀具硬度很高，但脆性也很大，因此多用于車削加工，而不太適合切削沖擊較大的加工和粗加工。由于粉末冶金高速鋼中含有大量硬質碳化物，因此其耐磨性可達到與整體硬質合金相當的水平，而其韌性則優于整體硬質合金，更能勝任要求刀具兼具耐磨性和強韌性的切削加工。
粉末冶金高速鋼制備技術的最新進展進一步提高了其競爭力。電渣加熱精煉工藝的應用對于粉末冶金高速鋼具有里程碑式的重大意義。該工藝可以去除鋼中幾乎所有雜質，進一步提高材料的韌性，顯著改善刀具的抗崩刃能力。此外，由于鋼中雜質減少，生產商可以進一步增加鋼中的合金含量，例如，某種粉末冶金高速鋼牌號的碳化釩含量可達到14％，而普通高速鋼牌號碳化釩的最大含量僅為約4％。雖然鋼中添加了大量合金，但并不會影響其韌性和易磨性。需要注意，有許多粉末冶金高速鋼生產商為了降低成本，沒有采取提高材料純度的工藝措施，他們生產的鋼材中可能含有許多會引起刀具微崩刃的雜質。但是，僅僅根據生產商提供的產品資料是很難辯別其質量優劣的，用戶必須要求生產商說明采取了何種去除雜質的工藝措施，或進一步要求其提供有關鋼中雜質大小的詳細技術數據。
粉末冶金工藝改變了傳統高速鋼的材料特性，尤其是采用新開發的提純技術，使粉末冶金高速鋼可以達到極高的合金含量而又能保持其韌性。粉末冶金高速鋼刀具的切削性能在幾乎所有切削加工領域全面超越了傳統高速鋼刀具，并在高切除率、高沖擊性切削加工中優于整體硬質合金刀具。雖然其價格高于普通高速鋼，但可以通過刀具性能的提高、壽命的延長、易磨性的改善而獲得補償。
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