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什麽是粉末冶金高速（sù）鋼刀具（jù）？

2013-5-19 來源：作者：

近年來，隨著（zhe）粉末冶金（jīn）高速鋼(P／M I-ISS)刀具切削性能的提高，高速鋼刀具的市場占有（yǒu）率有所回升。與普通高速鋼刀具（jù）相（xiàng）比，粉末冶金高速鋼刀具硬度更高、韌性更好、更耐磨損，因此在某些應用領域(如高衝擊性（xìng）、大切除量的加工場合)，粉末冶金高（gāo）速（sù）鋼刀具有逐漸取代脆性（xìng）較大、在切（qiē）削衝擊下易發生碎裂的整體硬質合金刀具的（de）趨（qū）勢。

　　粉（fěn）末冶金高速鋼製造工藝於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（duō）合（hé）金元素而不會損害材料的強韌性或易磨性，從而可製成具有高硬度、高耐磨性、可吸（xī）收切削衝擊、適合高切除率（lǜ）加工和斷續（xù）切削加（jiā）工的刀具。

　　高速鋼刀具（jù）材料主（zhǔ）要由兩種基本成分構成：一種是金屬（shǔ）碳化物(碳化鎢、碳化鉬或碳化釩（fán）)，它賦予刀具較好的耐磨性；二（èr）是分布在周圍的鋼基體（tǐ），它使刀具具有（yǒu）較好的韌性和吸收衝擊、防止碎裂的能力。製備普通高速鋼時，是（shì）將熔化的鋼水從鋼水包中（zhōng）注入鑄模（mó），使其緩慢冷卻凝固。此時，金屬碳化物從溶液中析出，並形（xíng）成較大的（de）團塊。高速鋼中添加的合（hé）金含量越多，碳化圖I 粉末冶金高速鋼中的碳化物（wù）尺寸與碳化物含量無關；普通高速（sù）鋼中的碳化物尺寸隨碳化物含（hán）量的（de）增加而急劇增大物團塊就（jiù）越大。達到某一臨界點時，可形成尺寸極大的碳化物團塊(直徑可達40mm)。出現大的碳化物團（tuán）塊的臨界點根據鋼（gāng）錠的尺寸以及其它（tā）因素而略有不同，但一般是在碳化釩含量達到約4％時發生。通過對鋼錠進行（háng）鍛造、軋製等後續加工，可以粉碎其中一部分碳化物團塊，但不可能將其完全消除。雖然增加鋼材中金屬碳化物（wù）顆粒的數量可以改善材料的耐磨性，但（dàn）隨著合金含量的增加，碳化物的尺寸及團塊數量也會隨之增（zēng）加，這對（duì）於鋼材的韌性會產生極（jí）其不利的影響，因為大的碳化物團快可能成為產生（shēng）裂紋的起始點。

　　粉（fěn）末冶金高速鋼的製備工藝與普通高（gāo）速鋼的製（zhì）備工藝不同，熔化的鋼水不是直接注入鑄模，而（ér）是（shì）通過一個小噴嘴將其吹入氮氣（qì）流中進行霧化，噴出的霧狀鋼水迅速冷卻為細小的鋼粒(直徑小於lmm)。由於鋼（gāng）水（shuǐ）溶液中的碳化物在快速冷卻過程（chéng）中來不（bú）及沉澱和形成團塊，因此獲得的鋼粒中碳化（huà）物顆粒細小且分布（bù）均勻。將這些鋼粉過篩後置入一個鋼桶（tǒng）中，並將鋼粉中間（jiān）的空氣抽淨形成真空狀態，然後在高溫、高壓下將鋼（gāng）桶中的鋼粉壓製成型，即（jí）可得到致（zhì）密度為100％的粉末冶金高速鋼毛坯。這一製備工藝被（bèi）稱（chēng）為熱等靜壓(hot isostatic pressing，HIP—ing)成型。然後（hòu）可對毛坯進行鍛造、軋製等後續加工。利用熱等靜壓（yā）成型工藝（yì）製（zhì）備的粉末冶金（jīn）高（gāo）速鋼中的（de）碳化（huà）物顆粒非常（cháng）細小，而且不管其合金含量為多少，這些碳化物顆粒都可均勻分布於整個高速鋼基體中。

　　雖然不（bú）同的生產商製備（bèi）粉末冶金高速（sù）鋼的工藝細（xì）節可能略有不同，但其基本（běn）工藝原理(氮氣霧化製（zhì）粒和熱等靜（jìng）壓（yā）成型)都是相同的。十分重要的一點是（shì）不能將這種製備工藝與熱壓燒結工藝(用加熱到熔點溫度的鋼粉壓製和燒結工件)相互混淆，雖然（rán）這兩種工藝在名稱上有一些相似，但其工藝原理卻完全不同。典型的熱壓燒結工藝是在模具中逐個壓製（zhì）出工件，且通（tōng）常在原材料粉末中加入了粘結劑，因（yīn）此燒結（jié）後的材料中會形成微孔結構。采用（yòng）粉末冶金高速鋼製備工藝，鋼材生（shēng）產商可以充分增加鋼中的金（jīn）屬碳化物含量（liàng），而不會對材（cái）料的韌性或易磨性造成有害影響。雖然一些偏愛粉末冶金高速鋼的（de）人喜歡將（jiāng）其譽（yù）為（wéi）高速鋼與整體硬質合金的“混血兒”，但（dàn）實際上它隻是一種具有尺寸微小的碳化物顆粒和（hé）細化的鋼基體粒子（zǐ）結構（gòu）的（de）高速鋼。由於粉末冶（yě）金高速鋼（gāng）中碳化物顆粒細小且分布均勻，因此與碳化物含量相同的普通（tōng）高速鋼相比，其強韌性大大提高。憑借這一優勢，粉末冶金高速鋼刀具非常（cháng）適合用於切削衝擊大和金屬切除率高的加工場合(如撓（náo）曲切削、斷續切削等)。此外，由於粉末冶金高速（sù）鋼的強（qiáng）韌性不會因金屬（shǔ）碳化物含（hán）量的增加而削弱，因此鋼材生產商可以在鋼中添加大量合金元（yuán）素，以提高刀具材料的（de）性能。以絲錐為例，由於攻絲加工中絲錐切（qiē）削（xuē）刃不斷（duàn）與工（gōng）件接（jiē）觸（chù）和分離，切削衝擊較大，因此需要用高強韌牌（pái）號的耐碎鋼製造絲錐，同時，為了提高絲錐的耐磨損性（xìng）能，要求刀具材料中的碳（tàn）化物含（hán）量較高（gāo）。原來常用的絲（sī）錐材料為普通（tōng）高速鋼（gāng）牌號M一2，現在則可用粉末冶金（jīn）高速鋼牌號M_4 替代。這兩種（zhǒng）牌號中的（de）中硬（yìng）碳（tàn）化物含量大致相同(M_4為8％，M一2為7％)，但粉末冶（yě）金高速鋼牌號中的高硬碳化（huà）物含（hán）量卻遠遠高（gāo）於普通高速鋼（gāng）(M_4為 6％，M一2僅為2％)，因此（cǐ）M_4絲錐的耐磨性得到顯著增（zēng）強，加工效率和刀具壽（shòu）命也得到提高（gāo），同時M一4絲錐的強韌性大大優於M一2絲錐，在攻絲（sī）加工中不易碎裂。

　　粉末冶金高速（sù）鋼的缺點是價格較貴，約為普通高速鋼的2—5倍(不同牌號有所（suǒ）差（chà）異)。因（yīn）此，刀具製造商必須在刀具（jù）性（xìng）能的提高與額外增（zēng）加的刀具製造成本之間進行權衡（héng）。對小型複雜刀具而言，由於材料（liào）費用隻占刀具總成本的（de）一（yī）小部分，因此采用粉末冶（yě）金高速鋼十（shí）分劃算。而對於大尺寸的簡（jiǎn）單刀具而（ér）言，是否選用粉末（mò）冶金高速（sù）鋼（gāng）則需要仔細斟酌。粉末冶金高速（sù）鋼易磨性的顯著改善通常可使（shǐ）增加的材料費用得到部（bù）分(或全部)補償。

影響鋼材易磨性的主要因素是鋼中碳（tàn）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（yìng）度，因此在磨削釩含量較高的（de）普通高速鋼時，磨粒（lì）容易（yì）鈍（dùn）化，產生磨削熱較多（duō），磨輪磨損（sǔn）較（jiào）快，所需磨削工時也較長（zhǎng）。而（ér）粉（fěn）末冶金高速鋼中碳（tàn）化物細小且分布均勻，與普通高速鋼相比，對（duì）磨輪的損耗較小，可大大縮短磨削工（gōng）時（shí），節省磨削加工費用。小型複雜刀具通常需要進行大（dà）量精密磨（mó）削加工，即其磨N／材料成本比率較高，因此增加的材料費用支出很容易在磨削（xuē）加工環節全（quán）部收回（huí）(甚至可有盈（yíng）餘)。而大規格刀具所需磨削加工較少，磨N／材料成本比（bǐ）率較低，因此材料易磨性的改（gǎi）善通常隻能部分補（bǔ）償材料（liào）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（zào）商的（de）生產工藝而（ér）異，但一般而言，刀（dāo）具材料易磨性的改善可使磨削工時縮短約30％。如今，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。雖（suī）然整體硬質合金刀具硬度很高，但脆性（xìng）也很大（dà），因此（cǐ）多用於車削加工（gōng），而不太適合切（qiē）削衝（chōng）擊較（jiào）大的加（jiā）工（gōng）和粗加工。由於粉（fěn）末冶金高速鋼中（zhōng）含有大量硬質碳化（huà）物，因此其耐磨性可達到（dào）與整體硬質合金相當的水平（píng），而其韌性則優於（yú）整體硬質合金，更（gèng）能勝任要求刀具兼具耐磨性和強韌性的切削加工（gōng）。

　　粉末冶金高速鋼製備技術的最新進展進一步提高（gāo）了其競爭力。電渣加熱精煉工（gōng）藝的應用對於粉末（mò）冶金高速鋼具（jù）有（yǒu）裏程碑式的重大意（yì）義（yì）。該工（gōng）藝（yì）可（kě）以去除鋼中幾（jǐ）乎所有雜質，進一步提高材料的韌性，顯著改（gǎi）善刀具的抗（kàng）崩（bēng）刃能力。此外，由於（yú）鋼中雜質減（jiǎn）少，生產商（shāng）可以進一步增（zēng）加鋼中的合金含量，例如，某種粉末冶金（jīn）高速鋼牌號的碳（tàn）化釩（fán）含（hán）量可達到14％，而普通高速鋼牌（pái）號碳化釩的最大含量僅為約4％。雖然鋼中添加了大量合金，但並不會影響其（qí）韌性和易磨性。需要注（zhù）意，有許多粉末冶金（jīn）高速鋼生產商為了降低成本，沒有采取提高材料純度的工藝措施，他們生產的鋼材中可能（néng）含有許多（duō）會引起刀具微崩刃的雜（zá）質。但是，僅僅根據生產商提供（gòng）的產品資料是（shì）很難辯別其（qí）質量優劣的（de），用戶必須要求生產商說明采取（qǔ）了何種去除雜質的（de）工藝措施，或進一步要求其提供有關（guān）鋼（gāng）中雜質大小（xiǎo）的詳細技術數據。

　　粉末冶金工藝（yì）改變了傳統高（gāo）速鋼的材料特性，尤其是采用新（xīn）開發的提（tí）純技（jì）術，使粉末冶金高（gāo）速鋼可（kě）以達到極高的合金（jīn）含量（liàng）而又能保持其韌性。粉末冶金高速鋼刀具的切削性能在幾乎所有切削加工領域全麵超越了傳統高速鋼刀具，並在高切除（chú）率、高衝擊性切削（xuē）加工中優於整體硬質合金刀具。雖然其價格高於（yú）普通高速鋼，但（dàn）可以通過刀具性能的提高、壽（shòu）命（mìng）的延長、易磨性的改善（shàn）而獲得（dé）補（bǔ）償。

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