粉末高速工具钢
杨秋
（(辽宁工程技术大学材料科学与工程学院阜新123000）
摘要:粉末高速钢是通过特殊方法把高速钢微细粉末成形并烧结而制成的高速钢材产品，简称PM HSS。

粉末高速钢具有碳化物颗粒细小、夹杂物含量少、分布均匀等的显微组织特点，使高速钢的抗弯强度、硬度和切削性能得到了显著提高。

关键词:综述；粉末高速钢；研究趋势；进展
1 PM HSS钢种开发
2．1第一代PM HSs
上世纪70年代工业化生产的PM Hss由美国Crucible厂和瑞典Stora厂(现属法国Erasteel公司)相继投产，此为第一代的PM粉末高速工具钢HSS。

第一代PM HSS生产者使用1-2 t的中间钢包，其钢材夹杂物含量相当电弧炉+U'钢包精炼钢的水平，但是第一代PMHSS的抗弯强度较普通熔炼高速钢提高了约1倍。

2．2第二代PM HSS
继第一代PM HSS之后，各生产厂对设备和生产工艺进行了改进和更新，谓ESH技术就是带有电渣加热和吹Ar设备的中间钢包系统，2个石墨电极浸入碱性电渣内。

电流通过钢水表面的活性渣产生热量，可保证3 h内高速钢钢水雾化过程中温度稳定，又可使钢水脱硫、脱氧。

同时自钢包底吹Ar搅拌，使中间钢包钢水温度均匀化，又促进钢水净化反应。

采用ESH方法生产的PM HSS称为第二代PMHSS，其产品商标也改为ASP2000系列(如ASP 2030，以前第一代称ASP 30)，它比第一代的PM HSS钢材更为纯净，非金属夹杂物含量可减少90％，淬回火后的钢材韧性可提高20％。

钢材的质量和性能对化学成分的波动非常敏感，通常要求成分的波动范围愈小愈好。

第二代钢较第一代钢达到了更高的技术水平，成分波动范围比第一代缩小近50％。

此外，第二代PMHSS ASP 2000系列钢材的纵向与横向抗弯强度相差较小约为22％-32％，而普通熔炼HSS(M2、M42)的相应值达200％以上，并随钢材直径而变化，直径愈大，纵向和横向抗弯强度相差值也愈大。

这一点正是大尺寸、高应力刀具使用PM HSS的理由之一。

2.3第三代PM HSS
第三代PM HSS无论是产品质量还是物理化学性能都比前两代PM HSS有很大的提高，它也是目前PM HSS生产厂的主流产品。

第三代PM HSS采用最大的8t中间钢包及ESH技术，利用电磁搅拌来替代吹自炉底的微弱心气流进行钢水搅拌，气雾喷粉装置的喷嘴位置也由紧接钢包渗孔的喷雾室顶部，改到了喷雾室顶侧面。

这些技术的改革大大提高了PM HSS的性能，简化了工艺，提高了生产效率。

2.4新型PM HSS
近几年，一家日本公司开发出了一种新型粉末冶金高速钢，其硬度可达到70-75 HRC。

这种钢于 550-560℃下经多次回火后．在1 170℃的高温下，硬度最低可达到70 HRC。

另外，还具有良好的耐磨性。

这种钢的化学成分(质量分数)为：铬lO．5％、钨 9．5％、钼6．5％、碳3．3％，其余为Fe。

该钢种在刀具和热加工设备方面体现了其特殊用途。

据美刊报道美国Cmeible材料公司研制出一种新的CPM Rex 121含钒钴量较高的粉末冶金高强工具钢，并且已大量面市。

据该公司称，这种新型钢的特点是结合了任何一种高速钢的高耐磨性、可达更高标准的硬度和热硬度值。

据称，这种钢的热硬性优势就在于其切削速度比其含钴高速钢提高25％-50％。

而且在如此高的速度下，具有更大的耐磨性使其仍可保持一种锐利刃口。

据报导，碳含量为1.25％-2．30％的粉末高速钢，用氮置换0．4％-0．6％的碳后，韧性提高约3倍，耐热粘性提高2倍，耐磨损性提高1.2倍，用这种材料制成的切削工具比以往产品寿命提高2-3倍。

3 PM HSS制备技术的发展
PM HSS的制备工艺与普通高速钢的制备工艺不同，熔化的钢水不是直接注入铸模，而是利用高压气体(如氮气)或高压水对其进行雾化，雾化后获得的金属液滴迅速冷却为细小的粉末P41(直径小于1mm)，称为雾化高速钢粉末，由于钢水溶液中的碳化物在快速冷却过程中来不及沉淀和形成团快，因此获得的粉末中碳化物颗粒细小且分布均匀，将雾化高速钢粉末进行成形和固结便制得PM HSS制品，常见的制备技术有：热等静压技术、冷压烧结技术、喷射成形技术等。

3．1热等静压法
热等静压法(HIP)技术【151生产PM HSs工艺是利用氮气雾化制取高速钢粉末，然后将粉末装入钢包套，经脱气、密封成为粉锭，经热等静压机压实成与粉末成分相同、相对密度接近100％的粉末冶金高速钢锭(材)。

其基本工艺流程是：气体雾化法-÷粉末_+配料装套_热等静压_PM Hss。

这种生产工艺设备投资大、技术难度高，且热等静压后视最终尺寸
要求进行锻、轧加工，但产品质量好，也是现在最为成熟的工业生产工艺。

早在20世纪60年代，美国Crucible公司就开始筹建雾化法制粉和热等静压致密化粉末冶金高速钢的车间，并于1971年投产量1200t。

3．2模压烧结技术
这是一种传统的粉末冶金制品生广方法。

该方法采用水雾化法制粉，制得的粉末经筛选分级、还原退火，用冷模压制成形，然后在保护气氛或真空条件下烧结致密化，生产出接近最终形状的粉末冶金高速钢预形坯嗍。

其工艺流程是：水雾化法一粉末_+退火_+冷压成形_+烧结_÷PM HSS。

水雾化粉末的冷凝速度比气雾化快，颗粒呈不规则形状，故其压坯具有良好的保形能力，但氧含量偏高。

这种粉末用冷压成形，经过烧结达到致密化，其技术关键在于粉末的脱氧处理和烧结温度的合理选择及控制。

烧结温度低则达不到高的致密度，温度过高又会引起颗粒界熔化过量，碳化物颗粒长大及晶粒粗化，因此适宜的温度范围很窄，难以准确控制明。

英国Powdrex公司从事水雾化烧结高速钢的生产至少有20年历史，其专利遍及英、美、德、日的许多生产厂家，德国的Krobsoge公司和印度的BISL公司均采用此工艺。

不过，烧结高速钢的品种目前还仅限于AIsL标淮范围内，如M2、M42Si、T15、M42等。

3．3喷射成形技术
该技术的基本原理是：采用高压惰性气体将金属液流雾化成细小弥散的熔滴，熔滴在高速气体的作用下冷却成过冷态，将这些过冷熔滴在完全凝固前沉积到具有一定形状的收集器上，通过改变熔滴射流、沉积器的相对位置和沉积器的形状及运动形式可以得到锭(柱)、管(环)、板(带)等各种形状的半成品坯件嗍。

其工艺示意图如图1所示。

喷射成形工艺具有能制备偏析小、颗粒细小、致密度高的材料，简化工艺，降低成本等的优点。

铸造及粉末冶金等工艺是无法比拟的。

该工艺在多种合金材料的开发上取得了巨大成功，在钢铁材料应用上也取得了重大突破，研究材料范围日益扩大。

喷射成形的发展大致经历了以下几个阶段：学术思想的提出及工艺的初步成形(1968-1974年)；实用合金系统的实验研究(1975-1984年)；工艺优化和雾化沉积机理的研究(1984-1992年)；雾化技术规模的扩大与产业化(1992-1998年)；产业规模和研究材料的进一步扩大拓宽(1998年至今)。

4结束语
从PM HSS的研制进展与研究动向中，可以看出钢种的开发、设备的更新以及工艺的成熟进步是PM HSS进军工具钢领域的资本与支柱。

PM HSS工艺技术随着粉末冶金技术日新
月异的发展，将会涌现出一系列新技术、新工艺，如粉末冶金注射成形、热压成形、流动热压成形、高速压制成形、微波烧结、烧结硬化等。

PM HSS工艺技术正朝着高致密化、高性能化、集成化和低成本化等方向发展。

PM HSS工艺技术在巨大的设备更新投资和科研经费的支持下PM HSS技术在不断发展，促使PM HSS在工具钢领域将占有更大的市场份额。

为机械和冶金等行业解决了部分材料难加工或不可加工的屏障，使其有了更广阔的发展空间和更快的发展速度。

参考文献
[1]吴元昌．粉末冶金高速钢生产工艺的发展叨．粉末冶金工业，2007．17(2)：30．
[2]刘宇．超硬型高速钢发展动态叨．特殊钢，1993，14(3)：17.
[3]吴晓春．粉末冶金的高速钢和冷作模具钢田．国外金属热处理，2000，21(2)：17．
[4]曾巍．热等静压高速钢复合轧辊的特点和性能田．江苏冶金，2008。

36(4)：4—9.
[5]邓玉昆，陈景榕，王世章，等．高速工具钢[M]．北京：冶金工业出版社，2002．
[6]黄伯云，易健宏．现代粉末冶金材料和技术发展现状叨．上海金属，2007，29(3)：1.。