粉末高速钢在刀具制造领域的应用2010/11/10

粉末高速钢在刀具制造领域的应用

虽然从市场的全局而言，和整体硬质合金刀具相比，高速钢刀具的份额在下降，但在某些应用场合中，刀具韧性仍至关重要。所以高速钢刀具仍不失为一种经济实用的选择。
高速钢刀具至今仍在加工业占有一席之地，主要归功于其制造工艺上的一项巨大进步：粉末冶金高速钢诞生。这个方法在1970年开始引入特殊钢工业后，迅速促进了高速钢性能的提高。在保持原有耐磨性的情况下，使其硬度接近硬质合金的水平。
    粉末冶金高速钢的主要工艺过程是：把已加入合金元素的预炼高速钢，用感应炉熔化，然后用气体喷雾制粒。这个过程有点像从瓶里喷香水。但和喷香水不同之处是，钢水喷出后迅速固化成均匀的颗粒。然后把颗粒装入一个大型的可压缩圆桶，进行热等静压，形成致密毛坯，然后进行锻造或轧制。
    这种方法的最大特点是多种合金元素能在钢材内得到均匀分布，从而解决了原来铸锭法炼钢的一个固有难题：合金元素在钢内的偏析。偏析造成产品的不一致性，会影响材料的使用性能。
    此外，粉末冶金方法可以使钢中的合金元素含量大大增加，这在传统的铸锭炼钢工艺是做不到的。
    Carpenten粉末制品公司的技术服务经理BudCarnes指出，该公司生产的一种名为Micro-Melt Maxanet的粉末高速钢，含钨13%，钴10%，钒6%，铬4.75%，含碳量达2.15%。若不采用粉末冶金法，不可能达到如此高的合金含量。他说："也许我们用如此高合金含量的钢铸出了钢锭，也许这个钢锭在冷却和凝固时没有产生裂纹。但是最终内部结构不均匀的问题是无法避免的，钢锭将形成大块碳化物偏析。"
    Crucible材料公司的技术副总裁Jelly Wright同意这种观点，即传统的铸锭工艺限制了合金元素的含量。他说："粉末高速钢工艺的不同之处在于，喷雾制粒时迅速凝固，形成了特别细的碳化物，直径最大3μm，平均1μm。而铸锭工艺中形成的碳化物直径达到40μm。
    高速钢典型的合金元素有：碳、铬、钼、钨、钒和钴。钨、钼、钴的作用是改善材料的"红硬性"，使之能承受刀具和工件摩擦产生的热量。按照美国金属协会的"材料手册"钒形成的碳化物最硬，从而提高了高温耐磨性。
    Griggr Steel公司副总裁兼总经理Mark Mullen指出，该公司粉末高速钢开发中心，在合金元素大量加入高速钢的工艺方面，正在取得一系列具体进展。他说："随着制作方法的不断改进，炼钢人员现在已能炼出含量越来越高的合金材料。而通过这些不同的合金成分，就可针对用途获得不同的特性。"
    Carpenter公司的新型高合金高速钢Micro-Melt Maxanet，在测试温度为1000°F(538℃)时，其红硬性为63.0HRC。热处理参数为：奥氏体转变温度为2250°F(1232℃)，回火温度为1025°F(552℃)。与之对比的T-15常规高速钢，在类似条件下的红硬性为580HRC。
    为了展示Maxamet的耐磨性能，该公司做了一轮Maxamet和M-4常规高速钢的对比试验：在被试材料和旋转的橡胶轮之间，注入一股流砂。经过一段规定时间后，Maxanet被磨耗体积为9mm3，而M-4为12mm3。Cricible公司近来引入一种粉末高速钢新牌号Rex121，其中合金含量为：钨10%，钒9.5%，钴9.0%，钼5.0%，铬4.0%，碳3.4%。该公司报告称，Rex121的耐磨损性能，比老牌号的粉末高速钢(如RexT15 Rex76和10-V)要高出50～100%。此外，Crucible公司称，Rex121的红硬性高于Rex76，即使在1200°F(650℃)高温回火后，室温硬度仍可达60HRC。据报导，Rex121替代常规含钴高速钢时，切削速度可提高25～50%。
粉末高速钢可以通过改变其合金成分来优化材料的内在韧性，或者使高速钢承受应力和磨损的适应范围大大超过硬质合金。看来含碳量最低的工作性能较好，和硬质合金相比，高速钢材料抗弯强度的可变范围较大。按照"国际高速钢研究论坛"提供的数据，粉末高速钢抗弯(抗拉)强度的变化范围约从2500Mpa到6000Mpa，而硬质合金的强度偏低，且变化范围约1250Mpa到2250Mpa。
  Enasteel公司的技术发展部主任Heney Wisell说："低含碳量的高速钢韧性最好。"Carnes同意这个看法。他同时指出，普通高速钢牌号如M-3和M-4，若采用粉末冶金工艺生产，其韧性将大大优于用铸锭工艺生产的同类牌号。
然而，为了改善刀具寿命，炼钢人员还得在另一个方面开展工作，那就是提高合金含量。增加合金成分也能促进材料红硬性的提高，使之能经受高温并在一段时间内不显著软化。Carnes说："随着新的合金成分的开发，我们现在已经能够提供性能接近硬质合金刀具的高速钢。这引起高合金含量的高速钢，可以用于干式切削等普通高速无法胜任的埸合。"Carnes指出，采用粉末高速钢来达到要求的高硬度，比硬质合金价格便宜，所以要经济些。从工具制造的角度来看，高速钢(特别是粉末高速钢)容易磨削。而硬质合金很硬，较难磨，而且要整体磨削。因为你不能把硬质合金象高速钢那样，用退火的办法把硬度降下来，加工完后再淬火，磨削只用在精加工。而硬质合金必须全部采用磨削。
很多工具既可用高速钢也可用整体硬质合金制造。如滚刀、冲头、成形刀具、丝锥、立铣刀、各种铣刀和滚丝轮等。但目前还不能说在高速钢和硬质合金的竞争中，已经决出胜负。
Wright指出，四年前出现了硬质合金滚刀。当时人们认为，制造这种复杂形状的刀具，非硬质合金莫属。这种情况促进了高速钢制造商进一步研发新的牌号，使之能够达到目前使用硬质合金滚刀的加工中心的要求。他进而说："在硬质合金向高速钢的传统领域推进的时候，我们正在发展更多的抗磨损、高红硬性、高速度的新牌号，试图把硬质合金占领的一部分市场夺回来。"
为了在这个市场领域开展竞争，Carpenter公司做了一次滚齿对比试验，齿轮材料为SAE2060钢，滚刀材料为Maxanet粉末高速钢和硬质合金。由于高速钢滚刀能在较高的进给速率下工作，试验结果是：Maxanet滚刀每小时切齿轮105件，硬质合金滚刀每小时切齿85件。
 此外，在成形刀具领域，某螺丝车床加工不锈钢零件，Maxanet刀具每隔12小时重磨一次，每次修磨量为0.508mm，T-15常规高速钢则每8小时需重磨一次，每次修磨量为1.016mm。
总之，Wright强调指出，硬质合金和高速钢之间的竞争，最终受益的除了用户以外，也包括工具制造商和硬质合金生产厂家。他说："什么地方有需求，有竞争，人们就会努力思考开发新的东西，并取得成果。这样会使我们大家都得到进步