近年粉末冶金高速工具钢研究进展

郑伟 李宗臻 张朋 吴立志

摘 要：本文简要介绍了粉末高速钢国内外的发展历程、特点、优越性及近几年来在热处理、应用、加工新方法及应用的局限性等方面的研究进展情况。

关键词：粉末高速钢;碳化物;热处理

中图分类号：TF125 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0049-02

1 粉末高速钢简介

高速钢俗称锋钢，或莱氏体钢，集耐磨性、硬度及耐热性于一身的合金钢，碳化物（MC）和基体（包覆着碳化物）构成了耐磨性好、韧性高、耐冲击的高速钢材料，其中还包括了非碳化物形成元素，如钴、铝等，增加高速钢的红硬性和二次硬化等。基于上述高速钢的特点，其主要应用在切削刀具、模具、轧辊、耐磨件、油泵油嘴等[1]。根据高速钢冶炼成形时冷却速度或凝固速率的不同，通常可分为铸造高速钢、喷射成形高速钢和粉末冶金高速钢。

粉末冶金高速钢经快速凝固技术避免了碳化物偏析（如图1扫描电镜碳化物分布情况，粉末钢和普通冶炼钢），同时粉末钢合金含量高，且碳化物分布均匀细小，解决了普通高速钢碳化物偏析造成的机械性能低和热处理变形大的问题，从而提升了高速钢的使用寿命。

较早的粉末高速钢工业化生产是美国Crucible厂和瑞典Stora厂（现法国Erasteel公司）。上世纪九十年代瑞典Sderfors厂引入电渣加热新技术提升钢材纯净度，制造出ASP2000系列的粉末高速钢牌号，夹杂物大幅度减少，抗弯强度提升。本世纪初奥地利Bohler厂粉末高速钢生产线建成，抗弯强度甚至可达4200MPa。

我国初期粉末高速钢的制备技术在上世纪70年代，钢研总院制备了FT15和FR71，横向抗弯强度达到3273Mpa，可加工钛合金、高温合金、高强度钢及难加工军工材料。

河冶科技近几年与钢研总院、安泰科技、北京科技大学、航材院和法国Erasteel等公司的合作及研究开发工作，使得粉末冶金高速钢的研究及应用在国内得到迅速发展，目前河冶科技已经形成HOP系列化的粉末高速钢产品，其性能及应用均得到了用户的广泛认可。

虽然粉末冶金高速钢具有着碳化物分布均匀细小的天然优势，但其后续退火处理，淬回火处理包括：奥氏体化温度（淬火）、回火温度等热处理[2]、深冷处理，及应用方向、加工方法对粉末冶金高速钢的性能及使用寿命也有很大的影响。万物有利必有弊，同样，粉末冶金高速钢也存在着其应用的局限性及劣势。

2 粉末高速钢热处理

高速钢的热处理对其后续加工、应用及使用寿命的影响非常重要，尤其高性能粉末冶金高速钢（图2淬回火处理曲线），其性能的发挥与退火、淬火、回火、深冷处理等有着密切的关系。由于粉末高速钢合金含量相对通用高速钢高，且碳化物细小分布均匀，其退火硬度相对要高，选择合理的退火工艺对粉末高速钢后续的火前加工、淬回火处理有着重要的意义，例如，细小的碳化物在奥氏体化温度下更容易溶解到机体，碳化物分布均匀使得复杂工件热处理变形较小等优势，同时如果热处理不当会引起碳化物的长大，影响其使用性能及寿命。

粉末高速钢与通用高速钢有着显著地不同点，其热处理工艺也应有所不同，尤其在淬火前的预热、淬火温度和时间、回火温度及时间等工艺中应区别对待。不同的热处理方式同样影响了粉末高速钢最终的性能，不同的应用方向也决定了热处理选择盐浴热处理、真空热处理及盐浴淬火、气淬火还是油淬火等方式，都会影响到材料的组织性能[4]。通过对样品的分析实验，可以说明淬火温度、回火温度、深冷处理等工艺参数对粉末高速钢机械性能及对其演变机理组织变化加以表征[3]，并可以对实际应用做以参考。粉末高速钢在热处理过程碳化物变化如图3，退火态约占试样质量的28.08%，淬火态约占18.40%，回火态约占24.84%，固溶过程中回溶量为9.68%，二次析出量为6.44%[5]。当然，实际应用中热处理因素影响较多，比如淬火炉控温、温度均匀性、被加工件的形状及要求、温度测量准确度等等，都需要认真考虑及实际试制中摸索，才能更好的发挥粉末高速钢的性能优势。

3 粉末高速钢应用

机加工对刀具的要求越来越高，同时高速钢冶炼及加工工艺也在不断进步，粉末高速钢在机加工领域的应用也越来越广泛，尤其在难加工材料如钛合金、镍基合金、超硬材料等加工领域及复杂刀具上应用越来越多，高速钢刀具应用厂家也越来越关注粉末高速钢的应用及研究工作。

近几年报道的粉末高速钢在螺纹刀具中的应用研究工作，伴随着HOP2030选择越高的淬火温度，碳化物的粘连拖尾现象就会加重，达到1220℃以上会出现角状化，丝锥的淬火温度选择1140-1180℃时，才能表现出粉末高速钢的优势。

粉末高速钢碳化物分布均匀细小，强度和韧性高，在制造如拉刀、齿轮滚刀、铣刀等复杂刀具时优势明显，如果在现有铣床上采用粉末高速钢改善滚刀切削速度及进给量，可以大幅提升其加工效率达到技术降本的可能性。

4 粉末高速钢加工新方法

增材制造亦稱为3D打印，以气雾化粉末为原料，经激光熔覆制备高速钢，研究增材制造的高速钢组织形态，增材制造在粉末高速钢上的应用，大大提高了产品加工的效率和利用率，尤其在近终成型产品上的应用影响意义深远。

除上述通过雾化制粉—热等静压方式生产粉末冶金高速钢外，近年来有报道以铁粉、钴粉和碳化物粉末为原料，通过机械球磨和真空活化烧结制备高性能近净成形粉末冶金高速钢新工艺研究工作，其优点包括成分易调节、流程短、低能耗、材料利用率高、少加工等。如果在烧结过程中引入稀土可进一步细化晶粒、提升冲击及韧性减少烧结的孔隙率。

5 粉末高速钢应用的局限性

粉末高速钢具有着碳化物颗粒细小分布均匀、合金含量高、热处理变形小、二次硬化效果好、韧性高等诸多优势，但由于其加工工艺复杂，价格昂贵，限制了其广泛应用的进展。同时，正是因为其具有均匀细小碳化物，限制了粉末高速钢在某些方面的应用，如不适宜加普通高速钢、冷作模具钢、共析调质钢等。

6 结语

虽然粉末高速钢具有着碳化物颗粒细小分布均匀、合金含量高、热处理变形小、二次硬化效果好、韧性高等诸多优势，但要想充分发挥粉末高速钢的性能及使用寿命，还需选择合理的应用方向，并处理好粉末钢的退火、预热、淬火、回火、热处理方式、深冷处理等成品硬化处理工艺。

参考文献

[1] 吴立志.中国高速钢的发展[J].河北冶金，2015（11）：1-8.

[2] Hanlin Peng， Ling Hu， Tungwai Ngai， Liejun Li， Xianglin Zhang， Heng Xie， Weiping Gong. Effects of austenitizing temperature on microstructure and mechanical property of a 4-GPa-grade PM high-speed steel[J]， Materials Science & Engineering A .719（2018）21-26.

[3] Hanlin Peng， Ling Hu， Liejun Li， Liyun Zhang， Xianglin Zhang. Evolution of the microstructure and mechanical properties of powder metallurgical high-speed steel S390 after heat treatment[J].Journal of Alloys and Compounds.740（2018）766-773.

[4] E P Nikolaeva，D B Vlasov2. Effect of heat treatment conditions on structure and properties of high-speed steel[J].Materials Science and Engineering.177（2017）012113.

[5] 钟海林，陈飞熊，李小明，况春江，王学兵.粉末冶金高速钢AHPT15M中碳化物的变化规律研究[J].粉末冶金工业，2016，26（2）：23-26.