粉末冶金高速钢的选择与应用

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切削技术的发展依赖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、合理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优势，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 年法国巴黎世界博览会上，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，寿命大幅提高
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、真空脱气等提高钢水质量；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，其强韧性大幅度提高，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有的牌号(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	CPM10V*	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	9.25～1025	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提高了钢材性能。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，红硬性大大提高；钢中V是强的碳化物形成元素，VC细小弥散，提高了钢的耐磨性，随着V含量的提高，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提高高速钢的硬度及热硬性，改善了刀具切削性能，使刀具寿命大为提高。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类别、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，如高寿命丝锥、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、高寿命的刀具，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提高。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合力学性能。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，钢材制造成本较高，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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