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粉末高速钢的应用

来源:本站 编辑:管理员 更新时间:2020-07-27 点击:459次

一、粉末高速钢的制程与优点
高速钢的制造方法有两种,一为传统的钢锭浇铸,另一种则为利用粉末冶金方法制造。传统冶炼制造通常又分为二次精炼(EAF+LF+VD)或电渣重熔(ESR)制程两类,上述方法中由于金属液缓慢冷却,会造成合金的不均匀偏析和合金碳化物的生长粗大化,而影响到高速钢的性能。虽然后续的热作制程,可将钢锭的铸造组织加以改变及细化,使不良影响减低,但是却无法消除原先的铸造组织,因而对物理及机械性质有负面的影响。由于人们希望能改善传统高速钢的质量,特别是希望大直径高速钢碳化物颗粒尺寸能够细小且分布均匀,巨观的偏析产生,使得横向及纵向的机械性质没有差别。因而在1965年于美国开始发展合金粉末制程。生产出组织均匀无方向性钢种( 图一)。 发展至今,粉末冶金制程正成为当今制造高性能工具钢的主要方法。
                     

粉末制程         500X             传统制程            500X
此制程主要原理是将已调配合合金成份的高温熔融钢液,流出时加以高压氮体雾化,使其快速凝固成均匀组成之粉末颗料,再经过筛选并充镇至已抽真空且密封的圆柱形钢瓶中,进行热均压(HIP),使钢瓶内的颗粒成为完全密实的材料,再直接经由传统锻造,辊轧成不同形状之产品,如:圆棒、板材、片材和线材料来供应工业界使用。
 
粉末高速钢在实际使用上的主要优点有:

  1. 磨削性好
  2. 热处理变形小及硬度均匀性佳
  3. 韧性高
  4. 耐磨耗性佳
  5. 使用寿命长且稳定

由于生产粉末高速钢具有一定之技术门槛,目前在全世界粉末高速钢的生产厂家并不多,主要集中在欧洲、日本及美国,代表厂有美国Crucible,欧洲(Erasteel、Bohler、DSS、Carpenter),日本(Hitachi、Nachi)。中国目前并没有实际商业化生产粉末高速钢,全部由国外进口。因此在多数中国使用者印象中对粉末高速钢只存有模糊的概念,只知它代表一种性能优良且价格很贵的高级高速钢。其它的了解及如何应用并不清楚。由于粉末高速钢品种牌号相当多,笔者仅就几种本公司经常库存同时较常用到的四类钢种做说明,提供广大使用客户参考及选择。
二、高速钢工具钢的分类与性质比较
选择合适的高速钢作为切削工具及模具时,有三项重要的性质是必须慎重的考虑。分别是耐磨性、韧性及高温硬度,以传统M2为基础,从合金元素的角度来看,三个主要发展方向是:

  1. 提高钒(V)含量,以增加耐磨耗性
  2. 提高钴(Co)含量,以增加热间硬度
  3. 同时提高钒及钴的含量,而兼顾耐磨耗性及热间硬度

以下就以表一四种粉末高速钢与传统高速钢做比较并且分别说明之:
 
表一

化学成份
钢种
C Cr Mo Mn W V Co
M2(传统) 0.90 4.00 5.00 0.30 6.00 2.00 ----
PM23 1.35 4.50 4.50 ---- 5.50 3.00 ----
PM60 2.30 4.00 7.00 ---- 6.50 6.50 10.50
PM-T15 1.50 4.75 ----- ---- 12.00 5.00 5.00
PM-10V 2.45 5.25 1.30 ---- ----- 9.75 -----

 
 (A)  PM23
 PM23是目前使用上最多的粉末高速钢,是目前所有高速钢中韧性最好材料,同时又有极佳之耐磨耗性钢种。一般来说高速钢中耐磨性会随总合金成份和最高硬度增加而提高,而韧性则会随合金量的增加而降低,因此才会在传统高速钢M2的基础上开发出PM23。耐磨性好坏取决于热处理后的硬度以及碳化物的形成有关,PM23在M2中增加碳及钒,提高耐磨耗性。同时在考虑韧性的前提下,使用粉末冶金制程改善韧性,使粉末PM23的韧性高于传统M2高速钢,根据统计其韧性约为传统高速钢的2-2.5倍,耐磨性亦高2-3倍。使用范围颇为广泛,适用于各种冲压模、嵌入模、粉末成型模以及刀具中之拉刀、铣刀、丝攻、剪切刀中,任何需耐磨或强韧性的零件均可适用。综合上述两项性质,PM23是目前市场上最通用与最佳性能的高速优质钢。使用硬度上则因不同行业而有所不同,视生产需要而定,一般在HRC 60-66之间,最为合适,太高或太低都不正常。
(B)PM-T15
PM-T15是一种钨基高速钢,具有非常高的硬度及耐磨性,又含有钴,因而具有良好的热间硬度。适用于重切削,高切削效率及大进给高硬度之难加工材料,常常被用在取代碳化钨零件来使用,具有很高的评价,耐磨性约为传统高速钢的3-5倍,韧性与M2约略相同,广泛应用在滚齿刀、拉刀、铣刀、丝锥、以及需要耐磨之冲压模具,精密下料等。尤其是在航空工业高温合金涡轮盘扁拉刀的首选材料,以及制作加工难切削材和调质材的丝锥及模具铣刀。由于含钨量高,具有很高之耐磨性,特别适合于精密冲模上,如果使用PM23产生易磨损或寿命不够长时,可以PM-T15代替,但建议在冲压件上使用时、工件厚度最好不要超过2.5mm厚度,一般常硬度约为HRC 65-67。


(C) PM-10V
PM-10V在国内熟悉程度较低,但在欧美国家却被广泛应用,其中最具特色的性质就是它的高耐磨性,
 
图三
是以磨耗测试的实验数据,将PM-10V与其它几种高速钢的比值得一提的是PM-10V由于含有接近10%之钒成份,因此产生最具耐磨性VC碳化物,所以虽然硬度只有HRC 60度左右,但仍比 PM-T15 HRC 66度有更好的耐磨性并不需要做到更高硬度就可以达到耐磨的目的。这主要是和碳化物型式及数量有关,表二

品  名 碳化物总量(%) MC(%) M6C(%)
PM23 12.50 6.00 6.50
PM-T15 13.50 9.50 4.00
PM-10V 17.50 17.50 -----
PM60 19.50 14.50 4.50

一般来说PM-10V耐磨性是传统高速钢的7-10倍。对用于取代碳化钨和其它要求高耐磨性材料是最佳的选择。特别是用在切刀片、粉碎机叶片、剪断及剪切之刀口。粉末成型模具及其它要求耐耗之零件。一般使用建议硬度为HRC 60-62。PM-10V 主要是靠碳化物形成增加耐磨性,但有时候在使用时,需要更高的硬度以抵抗不正常之粗粒磨损现象或是需要有更好的抗压降伏强度时,我们会建议使用PM-T15来代替。
(D)PM60
PM60是一种高碳、高钴之粉末高速钢因为含钴量高(>10%)。因此具有优异的热间硬度及强度,在需兼具热间硬度,耐磨性及韧性的场合,此种钢材是最佳选择。一般使用硬度可以达到HRC 67-69适合在高速冲模模具、冲头、铣刀、精加工立铣刀、拉刀上。此种钢种由于合金含量高,因此价格也高,通常在欧企、日企、台企接受程度较高,在美国市场较为少用。
结语
粉末高速钢,由于良好的组织均匀性和碳化物无偏析特点,弥补了普通高速钢的先天缺陷,使钢材质量和性能得以全面提升。对目前工业提升增加了莫大的推动力,但是因为对粉末高速钢材料特性的不了解,因此一般的使用者并无法在付出高价的同时得到相当的回报。这其中主要是在材料选用,热处理以及加工上的专业知识有关。尤其是在热处理工艺上与传统高速钢有极大的不同,具有极高的工艺技术。由于国内热处理业者,程度参差不齐,我们发现目前绝大多数国内粉末高速钢使用者,产生问题中有98%以上是存在于热处理问题,这一点与热处理技术开展较为成熟的日本及台湾差异较多,因此,我们建议使用者在使用粉末高速钢时选择较正规及专业程度化高的供应商。同时要求其提供相对应的配套服务,这样对使用者来说是较有保障的。