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/min1898～1900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/min1910确立T1(W18Cr4V)钢成分，切削中碳钢速度达30m/min1937～美国人Breelor发明W-Mo系高速钢M21939 ～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，M421965～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CCrWMoVCo其它1M2-PM0.95～1.053.75～4.505.50～6.754.50～5.501.75～2.20max0.50 2M3-PM1.15～1.253.75～4.505.00～6.754.75～6.502.75～3.25max0.50 3M4-PM1.25～1.403.75～4.755.25～6.504.25～5.503.75～4.50max0.50 4M7-PM0.97～1.053.50～4.001.40～2.108.20～9.201.75～2.25max0.50 5M35-PM0.88～0.953.80～4.506.00～6.704.70～5.201.70～2.004.50～5.00 6M42-PM1.05～1.153.50～4.251.15～1.859.00～10.00.95～1.357.75～8.75 7M48-PM1.42～1.523.50～4.009.50～10.504.75～5.502.75～3.258.00～10.00S≤0.078M50-PM0.78～0.883.75～4.50max0.203.90～4.750.80～1.25max0.50 9M61-PM1.75～1.853.50～4.2512.10～12.96.00～6.754.50～5.25max1.00P≤0.0210ASP20151.50～1.603.75～5.0011.75～13.0max1.004.50～5.254.75～5.25 11ASP20170.80～0.853.80～4.502.85～3.253.90～4.200.95～1.357.75～8.75Nb:1.0012ASP20301.25～1.353.80～4.506.00～6.704.70～5.202.70～3.208.10～8.80 13ASP20532.30～2.603.80～4.504.00～4.502.80～3.507.75～8.20Max0.50 14ASP20602.15～2.453.80～4.506.00～6.806.70～7.306.20～6.8010.10～10.8 15ASP20802.30～2.603.8～4.3010.50～11.54.80～5.305.80～6.2015.50～16.5 16S390-PM1.55～1.654.50～5.009.50～11.002.00～2.404.60～5.207.60～8.30 17S390-PM-MOD1.65～1.755.95～6.3510.0～10.753.10～3.404.00～4.507.70～8.30S≤0.0218HS10-4-3-10PM1.21～1.343.80～4.509.00～10.003.20～3.903.00～3.509.50～10.5 19HS18-1-2-5-PM0.75～0.833.80～4.5017.5～18.500.50～0.801.40～1.704.50～5.00 20HS12-1-4-PM1.20～1.353.80～4.5011.5～12.500.70～1.003.50～4.50max0.5021CPM10V*2.35～2.554.75～5.50max0.501.10～1.459.3～10.25max0.50S≤0.0922CPM10V-MOD2.80～3.007.75～8.25max1.001.20～1.609.25～1025max0.50 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。
6 R& Z/ k2 V" p$ g& {( V

http://e-cuttech.com/images/gjjs200511p83-1.gif ! e3 F' C6 q4 z2 O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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通用型高速钢
2 W9 ^6 @2 x; m3 N" i( c" N" n标准号及牌号
(简写代号) 化学成分
, Y. v0 l: |3 X! K; v/ B9 m3 JC(碳) W(钨) Mo(钼) Cr(铬) V(钒) Si(硅) Mn(锰) S(硫) P(磷) RE
8 ^# u5 W5 b/ r. c6 {2 m# f" ?! JGB/T9941-1988
. L9 j" K' ], UGB/T9942-1988
GB/T9943-1988 W18Cr4V
(18-4-1) 0.70～0.80 17.5～19.0 ≤0.30 3.80～4.40 1.00～1.40 0.20～0.40 0.10～0.40 ≤0.030 ≤0.030 -
W9Mo3Cr4V
/ E1 w! `: g. P$ O(9-3-4-1) 0.77～0.87 8.50～9.50 2.70～3.30 3.80～4.40 1.30～1.70 0.20～0.40 0.20～0.40 ≤0.030 ≤0.030 -
W6Mo5Cr4V2
  B( w! j+ z3 E( ?( ^" t) D, f( L(6-5-4-2) 0.80～0.90 5.50～6.75 4.50～5.50 3.80～4.40 1.75～2.20 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 -
GB/T9943-1988 CW6Mo5Cr4V2
(高碳6-5-4-2) 0.95～1.05 5.50～6.75 4.50～5.50 3.80～4.40 1.75～2.20 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 -
W2Mo9Cr4V2
(2-9-4-2) 0.97～1.05 1.40～2.10 8.20～9.20 3.50～4.00 1.75～2.25 0.20～0.55 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 -
; j' m5 x" l3 R" K! NYB/T2-1980 9W18Cr4V
8 `! p  H/ Z$ z+ X. }0 s# Q(高碳18-4-1) 0.90～1.00 17.5～19.0 ≤0.30 3.80～4.40 1.00～1.40 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 -
3 O% q* ]. [& N* g: N: AW14Cr4VMnRE 0.80～0.90 13.2～15.0 ≤0.30 3.50～4.00 1.40～1.70 ≤0.50 0.35～0.55 ≤0.030 ≤0.030 0.07
! L* ]: N' J8 \4 S* d; jW12Cr4V4Mo
7 }6 M+ o$ Z! ~3 }$ w, k# v* Q(12-4-4-1) 1.20～1.40 11.5～13.0 0.90～1.20 3.80～4.40 3.80～4.40 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 -

! E3 E7 x) ]0 V4 E0 O$ L高生产率高速钢
6 b" ~5 ^& ?- H7 o' T- b标准号及牌号
(简写代号) 化学成分(质量分数)，
+ T) s' ~/ i6 \4 \. v* gC(碳) W(钨) Mo(钼) Cr(铬) V(钒) Co(钴) Si(硅) Mn(锰) S(硫) P(磷)
GB/T9943-1988 W6Mo5Cr4V3
(6-5-4-3) 1.00～1.10 5.00～6.75 4.75～6.75 3.75～4.50 2.25～2.75 - 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030
CW6Mo5Cr4V3
( [( k; x! ^; J5 W(高碳6-5-4-3) 1.15～1.25 5.00～6.75 4.75～6.75 3.75～4.50 2.75～3.25 - 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030
/ X" v% v. `# \% |, S7 EW6Mo5Cr4V2Co5
(6-5-4-2-5) 0.80～0.90 5.50～6.50 4.50～5.50 3.75～4.50 1.75～2.25 4.50～5.50 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030
4 R% V4 A5 ~  M) A; ZW18Cr4VCo5
(18-4-1-5) 0.70～0.80 17.5～19.0 0.40～1.00 3.75～4.50 0.80～1.20 4.25～5.75 0.20～0.40 0.10～0.40 ≤0.030 ≤0.030
8W18Cr4V2Co8
+ |3 S* ~4 j* l6 w! g+ |9 M6 p% L(18-4-2-3) 0.75～0.65 17.5～19.0 0.50～1.25 3.75～5.00 1.80～2.40 7.00～9.50 0.20～0.40 0.20～0.40 ≤0.030 ≤0.030
W12Cr4V5Co5
(12-4-5-5) 1.50～1.60 11.75～13.00 ≤1.00 3.75～5.00 4.50～5.25 4.75～5.25 0.15～0.40 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030
6 x0 b, x% D  N9 b# D
高生产率超硬型高速钢
! I6 \* h" i5 A6 j" {- `1 V标准号及牌号
(简写代号) 化学成分
C(碳) W(钨) Mo(钼) Cr(铬) V(钒) Si(硅) Mn(锰) S(硫) P(磷) 其他
GB/T9943-1988 W6Mo5Cr4V2Al
(501) 1.05～1.20 5.50～6.75 4.50～5.50 8.80～4.40 1.75～2.20 0.20～0.60 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 Al：0.80～1.20
W2Mo9Cr4VCo8
# z; Z& S# I& O/ z5 P" a- P(2-9-4-1-8) 1.05～1.15 1.15～1.85 9.00～10.00 3.50～4.25 0.95～1.35 0.15～0.65 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 Co：7.75～8.75
W7Mo4Cr4V2Co5
9 J1 [' T0 z) z( u+ j5 R(7-4-4-2-5) 1.05～1.15 6.25～7.00 3.25～4.25 8.75～4.50 1.75～2.25 0.15～0.50 0.20～0.60 ≤0.030 ≤0.030 Co：4.75～5.75
YB/T2-1980 W10Mo4Cr4V3Al
& W% ]2 c9 {3 m. N(5F-6) 1.30～1.45 9.00～10.50 3.50～4.50 3.80～4.50 2.70～3.20 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.030 ≤0.030 Al：0.70～1.20
: {: l. [8 j) b4 L" I+ M: ~W6Mo5Cr4V5Si
# Z! ]+ X5 K7 T4 D* B, ?2 ]  F% `(LB201) 1.55～1.65 5.50～6.50 5.00～6.00 8.80～4.40 4.20～5.20 1.00～1.40 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 Nb：0.2～0.5
Al：0.3～0.7
5 s$ r. [( G7 ~% S  _7 K# CW12Mo3Cr4V3Co5Si
. @6 r  P  z7 A! e(Co5Si) 1.20～1.30 11.50～13.50 2.80～3.40 3.80～4.40 2.80～3.40 0.80～1.20 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 Co：4.70～5.10