编者按
100年前，美国机械工程师泰勒(F. W Taylor)和冶金工程师怀特(M. White)在经过广泛而系统的切削试验之后，确立了切削用高速钢的最佳成分W18Cr4V(C 0.75%，W 18%，Cr 4.0%，V 1.0%)，当时切削中碳钢速度为30m/min，比之前提高了十几倍。这一成果带来了机械加工的划时代革命，也因此使得刀具材料在进入19世纪后呈现出异乎寻常的发展速度，创造了前所未有的辉煌。100年来，尽管不断出现各种新的刀具材料，但高速钢依然没有被历史所淘汰，一直沿用并发展至今，甚至曾长期占据霸主地位。
今天，我们重新审视高速钢的发展，或许将为刀具材料的进一步发展带来一些有益的启发。在此，也一并将赵炳桢、吴元昌、赵步青、吴立志4位专家在河冶2006高速钢应用技术交流会上的演讲内容整理成文，以飨读者。 |
粉末冶金高速钢（PM HSS）是高速钢中的上品，国内多数工具厂对它只有一个模糊的概念，只知它是一种性能优良的高级高速钢，而不知目前在我国市场上同时存在化学成分相同而质量、性能不同的第1代、第2代和21世纪初才开发的第3代PM HSS。
粉末冶金高速钢发展及近况
上世纪70年代初，PM HSS由瑞典Stora厂(现属法国Erasteel公司)首先投入工业化生产，此为第一代PM HSS，其钢材的非金属夹杂物含量相当电弧炉后LF钢包精炼的水平。
1991年瑞典Soederfors厂采用了ESH技术(电渣加热法)，使钢更为纯净，与第一代PM HSS相比，非金属夹杂物含量可减少90%，抗弯强度可提高20%，采用ESH技术生产的PM HSS称为第2代，该公司产品商标也改变为ASP 2000系列，如：钢种ASP 2030。而其第1代产品称ASP 30，二者化学成分相同。
法国Erasteel公司从2002年起对其第2代ESH PM HSS的生产全程进行了研究，并作了数项改进后，自2004年起其产品商标称DvalinTM，所有生产的及出库产品均按此新标准，是该公司的第3代PM HSS。该公司第2代PM HSS采用ESH技术后，比第一代减少了90%的非金属夹杂物，而第3代DvalinTM PM HSS比第2代又减少了另一个90%的非金属夹杂物。若以每1cm3钢中50μm尺寸非金属夹杂物的数目计，则传统或第1代PM HSS为0.6个，第2代的为0.03个，而第3代DvalinTM的为0.002个。
非金属夹杂物的大量减少，使PM HSS的抗弯强度逐代增加，以从φ100mm钢材上取样测定的横向抗弯强度为例，熔炼铸锭通常M42钢，及第1代到第3代PM HSS 2030(S6.4-5.0-3.1-8.5)的抗弯强度变化见表1。第3代PM HSS DvalinTM ASP2030的强度比第2代ESH ASP2030的相应值又提高20%，这使制成的刀具能承受更大的切削应力和更耐冲击负荷。
工具表面缺陷对工具性能的影响
与其他工具材料如硬质合金相比，ASP钢的一个最显著的优点为其高强度。这使工具制造者不仅可制造锋利的刀具，而且可让他们的用户使用大的进给量及工件材料去除率，在高负荷下使用工具。PM HSS的高强度源于其独特的具有高纯净度与细显微组织的结合，使其内部材料缺陷的水平极低。
因PM HSS中内部缺陷的水平较低及尺寸较小，因此使由于工具的生产过程(非钢“内在”质量)产生的工具表面缺陷有极大的可能性成为较大的缺陷，这意味着由于在工具制造过程中引入的表面缺陷会使因整体材料的高质量而期望得到高强度并不一定总能实现。因工具表面经常为工具承受最高应力部分，工具表面的缺陷也便经常成为工具寿命的制约因素。
一个工具的表面质量是在工具制造中不同加工步骤形成的结果，如热处理、磨削、最后表面制备等。工具最终的性能强弱决定于工具的表面质量。表面质量是从下列组合获得的：
- 表面的“几何性质”：表面粗糙度，存在的表面缺陷如磨削划痕。
- 与材料整体相比，接近表面部分材料的“组织、机械和化学变迁”。如相转变、热影响区、渗碳、脱碳、氧化、残余应力、塑性变形等。
- 其它缺陷如毛刺。高性能PM HSS常因其高合金含量而能热处理到一个较高的硬度水平(66~70HRC)，但一般韧性将较差。工具制造者为使淬硬到高硬度的刀具仍能具有足够的韧性，应十分注意改善刀具刃口的表面粗糙度。硬度65HRC的高速钢，在表面粗糙度为Ra0.5μm时，抗弯强度为5GPa；另一种硬度70HRC的高速钢，在表面粗糙度为Ra0.2μm时，也能达到5GPa的抗弯强度。上述只能在近代PM HSS上实现。
我国PM HSS使用现状
我国是高速钢使用大国，2005年真正高速钢材产量约3.7万吨，按国际高速钢消费情况，我国应使用4500吨PM HSS，但实际上连40吨都不到。可见我国PM HSS用材尚处启蒙阶段。
要改变这种情况，关键在于领导要转变思维，要思进取。最典型的例子是纵树形轮槽铣刀。国外用PM HSS已30多年，近年已换了一轮钢种，以求更高的切削寿命，而国内仍在使用M42钢不变，目前此刀国外产品的切削寿命已2~3倍于国产，2005年该刀进口近1个亿。
只有刀具生产者能瞄准世界品牌，在质量上求进取，在用材上思革新，我们国家在PM HSS刀具的使用及生产上才能良性发展，只有PM HSS使用面及量扩大，才能促进PM HSS的发展。
我国现有下列刀具已应用PM HSS：干切齿轮滚刀(140~180m/min)，纵树形轮槽铣刀，菌形叶根铣刀，双金属带锯齿形滚刀，弧齿伞齿轮铣刀，高速齿轮滚刀(100~120m/min)，插齿刀，航空叶根拉刀等。由于笔者接触有限，必有未述及者。应用的PM HSS钢种有：ASP2052、S390(S10.5-2-5-8)、CPM T15、ASP2015(S12-0-5-5)、CPM M4HC、S690(S6-5-4)、ASP2030、S590(S6.5-5-3.1-8.5)、S790(S6-5-3)等牌号。用户可根据不同PM HSS生产厂的供货条件选用。
笔者不甚了解的PM HSS和PM TS(粉末冶金工具钢)的另一个广大应用领域是模具行业。模具对材料质量要求高，皆选用优质原材料。模具材料供应商财大气粗，会在对PM HSS没有足够了解的条件下，一订就是数吨，牌号以CPM M4和ASP2023为主。乌克兰出口我国的第一批20吨PM HSS，多数订户为深圳模具材料商人。笔者已遇到过必须用粉末冶金冷作模具钢材能满足产品使用寿命的用户。现有冲模使用Cr12MoV钢可获得50万次寿命，而用户要求每次修磨寿命为500万次，只有换用粉末冶金冷作模具钢，和国外用一样的材料才行，模具行业将会成为PM HSS领域比工具行业更强壮的支柱。此外航天用齿轮泵，一旦开发也必须用PM TS为原材料。
我国今年发电装机容量达7500万千瓦，居世界第一，各汽轮机厂任务繁忙。汽车产量将突破400万辆，居世界第四。在这种形势下部分关键汽轮机刀具、小轿车刀具必须采用PM HSS作原材料才能赶上国际水平。因此，树立国际优质刀具水平的概念、破除旧思维已成当务之急。
相关资料
- 刀具材料热处理工艺需要个性化(2006-11-16)
- 中国高速钢的差距与思考(2006-11-16)
- 工具工业的发展及其对刀具材料…(2006-11-16)
- 高速钢刀具一百年(2006-11-16)
声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。
