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什麽是（shì）粉（fěn）末冶金高速鋼刀（dāo）具？

2013-5-19 來源：作者：

近年來，隨（suí）著粉末冶金高速鋼(P／M I-ISS)刀具切削（xuē）性能的（de）提高，高（gāo）速鋼（gāng）刀具（jù）的市場占有率有所回升（shēng）。與普通高速鋼刀具相比，粉末冶金高速鋼刀具硬度更高、韌性更好、更（gèng）耐磨損，因此在某些應用領域(如高衝擊性、大切除量的加工場合)，粉末（mò）冶金高速鋼刀具有逐漸取代脆性較大、在切（qiē）削衝（chōng）擊下易發生碎裂的整體硬質（zhì）合金刀（dāo）具的趨勢（shì）。

　　粉末冶金高速（sù）鋼製（zhì）造工藝於（yú）2０世紀60年代後期在瑞典開發成功，並於70年代初期進入市場。該工藝可在高速鋼中加入較多合金元素（sù）而不會損（sǔn）害（hài）材料的強（qiáng）韌性或易磨性，從而可製成（chéng）具有高（gāo）硬（yìng）度、高耐磨性、可吸收切削衝擊、適合高切除率加工和斷續切削加工的刀具。

　　高速鋼刀（dāo）具材料主要由兩種基本成分構成：一種是金屬碳（tàn）化物(碳化鎢、碳化鉬或（huò）碳化釩)，它賦予刀具（jù）較好的耐磨性；二（èr）是分（fèn）布在周圍的鋼基體，它使刀具具有較好（hǎo）的韌性和吸收衝擊、防止碎裂的能力。製備普通高速鋼（gāng）時，是將熔化的鋼水從鋼水包中注入鑄模，使其（qí）緩（huǎn）慢冷卻凝固。此時，金屬碳化物從溶液中析（xī）出，並形成較大的團塊。高速鋼中添加（jiā）的合金含量越（yuè）多，碳（tàn）化圖I 粉末（mò）冶金高速鋼中的碳化物尺寸與碳化（huà）物含量無關；普通高（gāo）速鋼中（zhōng）的碳化物尺寸隨碳化物含量的增加而急劇（jù）增大物團（tuán）塊就越大。達到某一臨界點時，可形成尺寸（cùn）極大的碳化物團塊(直徑可達40mm)。出現大的碳化物團塊的臨（lín）界點根（gēn）據（jù）鋼錠的尺寸以及（jí）其它因素而（ér）略（luè）有不同（tóng），但一般是在碳化釩含量達到約4％時發生。通過對（duì）鋼錠進（jìn）行鍛造、軋製等後（hòu）續加工，可以粉碎其中一部（bù）分碳化物團塊，但不可能將其完（wán）全消除。雖（suī）然增加鋼材中金屬碳（tàn）化物顆粒（lì）的數量可以改善材料的（de）耐磨性，但隨著合金含量（liàng）的增加，碳化物的尺寸（cùn）及團塊數量也（yě）會隨之增（zēng）加，這對於鋼材（cái）的韌性會產生（shēng）極其不利的影響，因（yīn）為大的碳化物團快可（kě）能成為產生裂紋的起始點。

　　粉（fěn）末冶金高速鋼的（de）製備工藝與普通高速鋼的製備工藝（yì）不同，熔化的鋼水不是直接注入鑄模，而是通過一個小噴嘴將其吹入氮氣流中進行霧（wù）化，噴出的霧狀鋼水（shuǐ）迅速冷卻為細小（xiǎo）的鋼粒(直徑小於lmm)。由於鋼水溶液中的碳化物在快（kuài）速冷卻過程中來不及沉澱和形成團（tuán）塊（kuài），因（yīn）此獲得的鋼粒中（zhōng）碳化物顆粒細（xì）小（xiǎo）且分（fèn）布均勻（yún）。將這（zhè）些鋼粉過篩後置入一個鋼桶中，並將鋼粉中間的空氣抽淨形成真空狀（zhuàng）態，然後在高溫、高壓（yā）下將鋼桶中的鋼粉壓製成型，即可得到致密度為100％的粉末冶金高速鋼毛坯。這一製備工藝被稱為熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP—ing)成型。然後可對毛坯進行鍛造、軋製等後續加工。利用熱等靜壓成型工藝（yì）製備的粉末冶金高速鋼中的碳化物顆粒非常細小，而且不管其合金含量（liàng）為多少，這些碳化物顆粒都可均勻分布於（yú）整個高速鋼基體中。

　　雖然不同的生（shēng）產商製備粉末（mò）冶金高速鋼的工藝細節可能略有不（bú）同，但其基本工藝原理(氮氣霧化製（zhì）粒和（hé）熱等靜壓成（chéng）型)都是（shì）相（xiàng）同的。十分重要的一點是不能將這種製備工藝與熱壓（yā）燒結工藝(用加熱到熔點溫度的鋼粉壓（yā）製和燒結工件)相互混淆，雖然（rán）這兩種工藝在名稱上有一（yī）些相似，但其工藝原理卻完（wán）全不同。典型的熱壓燒結工藝是在模具中逐個（gè）壓製出工件，且通常在原材料粉末（mò）中加入了粘結劑，因此燒結後的（de）材料中會形成微孔結構。采用粉末冶金高速鋼製備工藝，鋼材生產商可以充分增加鋼中的金屬碳化物含量，而不會對材料的韌性或易磨性造成有害影響。雖（suī）然一些偏愛粉末冶金高（gāo）速鋼的人喜歡將其譽為高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”，但實際上它隻是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和細化的鋼基體粒子結構的高速（sù）鋼。由於粉末冶金高速鋼中（zhōng）碳化物顆粒（lì）細小且分布均勻，因此與碳化物含量相同的普通高速鋼相比，其強韌性大大提高。憑借這一優（yōu）勢，粉末冶金高速鋼刀具非常適合用於切削衝擊大和金屬切除率高的加工場合(如撓曲切削、斷續切削等)。此外，由於粉末冶金高速鋼的強韌（rèn）性不會因金（jīn）屬碳化物含量的（de）增加而（ér）削弱，因此鋼材（cái）生產商可以在鋼中添加大量合金元素，以（yǐ）提高刀具材料的（de）性能。以絲錐為例，由於攻絲加工中絲錐切削刃不斷與工件接觸和分離，切削衝擊較大，因（yīn）此需要用高強韌牌號的耐碎鋼製造絲錐，同時，為了提高絲錐的耐磨損性能（néng），要求刀具材料中的碳化物含量較高。原來常用的絲錐材（cái）料為普（pǔ）通高速鋼牌號M一2，現（xiàn）在則可用（yòng）粉末冶金高速鋼牌號M_4 替代。這兩種牌號中的中硬碳化物含量大致（zhì）相同(M_4為8％，M一2為7％)，但粉末冶金高速（sù）鋼牌號中的高硬碳化（huà）物含量卻遠遠高於普通高速鋼(M_4為 6％，M一2僅為（wéi）2％)，因此M_4絲錐的耐磨性得到顯著（zhe）增強，加工（gōng）效率和刀（dāo）具壽（shòu）命也得到提高，同時M一（yī）4絲錐的強韌性大大優於M一2絲（sī）錐，在攻絲加工中不易碎裂（liè）。

　　粉末冶金（jīn）高速鋼的缺點是價格較貴，約為普（pǔ）通高速鋼的2—5倍(不同牌號有所差異)。因此，刀（dāo）具製造商必須在刀具性能的提高與額外增加的刀（dāo）具製（zhì）造成本之間（jiān）進行權衡。對小（xiǎo）型複雜刀具而言，由（yóu）於材料（liào）費用隻占刀具總成本的一小部分，因此采用粉末冶金高速鋼十分劃算。而（ér）對於大尺寸的簡單刀具而言，是否選用（yòng）粉（fěn）末冶金高速鋼則（zé）需要仔細斟酌。粉末冶金高速鋼易磨性的顯著改善通常可使增（zēng）加（jiā）的材料費用得（dé）到部分(或全（quán）部)補償。

影響鋼材易磨性的主要因素（sù）是鋼中碳化釩的含量水平，由於碳化釩的硬度要高於磨輪中氧化鋁磨粒的硬度，因此在磨削釩含量較（jiào）高的普（pǔ）通高速鋼時，磨粒容易鈍化，產生磨削熱較多，磨輪磨損較快，所需磨削工（gōng）時也較長。而粉末冶（yě）金（jīn）高速鋼中碳化物細（xì）小且分布均勻，與普通（tōng）高速鋼相比，對磨輪的損耗較小，可大大縮短磨削（xuē）工時，節省磨（mó）削加工費用。小型（xíng）複雜刀具通（tōng）常需要進行大量（liàng）精密（mì）磨削（xuē）加工，即其磨N／材料成本比率較高，因此增加的材料費用支（zhī）出（chū）很容易在磨（mó）削加工環節全（quán）部收回(甚至（zhì）可（kě）有盈餘)。而大規格刀具所需磨削（xuē）加工較少，磨N／材（cái）料成本比率（lǜ）較低，因此材料易磨性的改善（shàn）通常隻能部分（fèn）補償材料成本的提高。雖然采用粉末冶金高速鋼的經濟性因不同刀具製造商的生（shēng）產工藝而異，但一般而言，刀具（jù）材料易磨性的（de）改善可使（shǐ）磨削工時縮短（duǎn）約30％。如今（jīn），粉末冶金高速鋼刀具已成為整體硬質合金刀具的有力競爭者（zhě）。雖然整體（tǐ）硬質合金刀具硬度很高，但脆性也很（hěn）大，因此（cǐ）多用於（yú）車削加工，而不（bú）太適合切（qiē）削衝擊較（jiào）大的加工和粗加工（gōng）。由於粉末冶金高速鋼中含有大量硬質碳化物，因此其（qí）耐磨性可達到與整體硬質合金相當的水平，而其韌性則優於整體（tǐ）硬質合金，更能勝任要求刀具兼具耐磨性和強韌性的切削（xuē）加工。

　　粉（fěn）末冶金高速（sù）鋼製備技術的最新進（jìn）展進一步提高了其競爭力（lì）。電渣加熱精煉工（gōng）藝的應用對於粉末冶金高速鋼具有裏程碑式的（de）重大意義。該工藝（yì）可以去除鋼中幾（jǐ）乎所有雜質，進（jìn）一步提高材料的韌性，顯著改善刀具（jù）的抗（kàng）崩刃能力。此外，由於鋼中雜質減（jiǎn）少，生產商可以進一步增加鋼中的合金含量，例如，某（mǒu）種粉末冶金高速（sù）鋼牌號的碳化釩（fán）含量可達到14％，而普通高速鋼牌號碳化釩的最大含量僅為約4％。雖然鋼中添（tiān）加了大量合金，但並不會影響其韌性和易磨（mó）性。需要注意，有許多粉末冶金高速（sù）鋼生產商為了降低成本，沒有采取提高材（cái）料純度的工藝措施，他們生產的鋼材中可能含有許多會引起刀具微崩刃的雜質。但是，僅僅根據生產商（shāng）提供的產品資料是（shì）很難辯別其（qí）質量優劣（liè）的，用戶必須要求（qiú）生產商說明采取了（le）何種去除雜質（zhì）的工藝措（cuò）施，或進一步（bù）要求其提（tí）供有關鋼中雜質大（dà）小的詳細技術（shù）數據。

　　粉末冶金工藝改變了傳統高速鋼的材料特性，尤其是采（cǎi）用（yòng）新開發的提純技（jì）術，使粉末（mò）冶金高速鋼可以（yǐ）達到極高（gāo）的合金含量而（ér）又能保持其韌性。粉末冶金高速鋼刀具的切削性能在（zài）幾乎所有切削（xuē）加工領（lǐng）域全麵超越了傳統高速鋼刀具，並在高切除率、高（gāo）衝（chōng）擊性切削加工中優於整體硬質合金刀具。雖然其價格高於普通高速鋼，但可以通過刀具性能的提高、壽命的延長（zhǎng）、易磨性的改善而獲得補償。

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