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高速鋼的制造方法有兩種,一為傳統(tǒng)的鋼錠澆鑄,另一種則為利用粉末冶金方法制造。傳統(tǒng)冶煉制造通常又分為二次精煉(EAF+LF+VD)或電渣重熔(ESR)制程兩類,由于金屬液緩慢冷卻,會造成合金的不均勻偏析和合金碳化物的生長粗大化,而影響到高速鋼的性能。雖然后續(xù)的熱作制程,可將鋼錠的鑄造組織加以改變及細化,使不良影響減低,但是卻無法消除原先的鑄造組織,因而對物理及機械性質有負面的影響。由于人們希望能改善傳統(tǒng)高速鋼的質量,特別是希望大直徑高速鋼碳化物顆粒尺寸能夠細小且分布均勻,巨觀的偏析產生,使得橫向及縱向的機械性質沒有差別。因而在1965年于美國開始發(fā)展合金粉末制程。生產出組織均勻無方向性鋼種。發(fā)展至今,粉末冶金制程正成為當今制造高性能工具鋼的主要方法。此制程主要原理是將已調配合合金成份的高溫熔融鋼液,流出時加以高壓氮體霧化,使其快速凝固成均勻組成之粉末顆料,再經(jīng)過篩選并充鎮(zhèn)至已抽真空且密封的圓柱形鋼瓶中,進行熱均壓(HIP),使鋼瓶內的顆粒成為完全密實的材料,再直接經(jīng)由傳統(tǒng)鍛造,輥軋成不同形狀之產品,如:圓棒、板材、片材和線材料來供應工業(yè)界使用。
粉末高速鋼在實際使用上的主要優(yōu)點有:
1.磨削性好
2.熱處理變形小及硬度均勻性佳
3.韌性高
4.耐磨耗性佳
5.使用壽命長且穩(wěn)定
由于生產粉末高速鋼具有一定之技術門檻,目前在全世界粉末高速鋼的生產廠家并不多,主要集中在歐洲、日本及美國,代表廠有美國Crucible,歐洲(Scana、ASSAB、Soderfors、Erasteel、Bohler、DSS、Carpenter),日本(Hitachi、Daido、Nachi、Kobe)。中國目前并沒有實際商業(yè)化生產粉末高速鋼,全部由國外進口。因此在多數(shù)中國使用者印象中對粉末高速鋼只存有模糊的概念,只知它代表一種性能優(yōu)良且價格很貴的高級高速鋼。其它的了解及如何應用并不清楚。由于粉末高速鋼品種牌號相當多,在此僅就幾種較常用到的鋼種做說明,提供廣大使用客戶參考及選擇。
PM23是目前使用上最多的粉末高速鋼,它相當于ASP23 是目前所有高速鋼中韌性最好材料,同時又有極佳之耐磨耗性鋼種。一般來說高速鋼中耐磨性會隨總合金成份和最高硬度增加而提高,而韌性則會隨合金量的增加而降低,因此才會在傳統(tǒng)高速鋼M2的基礎上開發(fā)出PM23。耐磨性好壞取決于熱處理后的硬度以及碳化物的形成有關,PM23在M2中增加碳及釩,提高耐磨耗性。同時在考慮韌性的前提下,使用粉末冶金制程改善韌性,使PM23的韌性高于傳統(tǒng)M2高速鋼,根據(jù)統(tǒng)計其韌性約為傳統(tǒng)高速鋼的2-3倍,耐磨性亦為了3-5倍。使用范圍頗為廣泛,適用于各種沖壓模、嵌入模、粉末成型模以及刀具中之拉刀、銑刀、絲攻、剪切刀中,任何需耐磨或強韌性的零件均可適用。綜合上述兩項性質,PM23是目前市場上最通用與最佳性能的高速優(yōu)質鋼。使用硬度上則因不同行業(yè)而有所不同,視生產需要而定,一般在HRC60-66之間,最為合適,太高或太低都不正常。
PM10在國內熟悉程度較低,但在歐美國家卻被廣泛應用,其中最具特色的性質就是它的高耐磨性,是以磨耗測試的實驗數(shù)據(jù),將PM10與其它幾種高速鋼的比值得一提的是PM10由于含有接近10%之釩成份,因此產生最具耐磨性VC碳化物,所以雖然硬度只有HRC60左右,有很好的耐磨性并不需要做到更高硬度就可以達到耐磨的目的。這主要是和碳化物型式及數(shù)量有關,一般來說PM10耐磨性是傳統(tǒng)高速鋼的7-10倍。對用于取代碳化鎢和其它要求高耐磨性材料是最佳的選擇。特別是用在切刀片、粉碎機葉片、剪斷及剪切之刀口。粉末成型模具及其它要求耐耗之零件。一般使用建議硬度為HRC60-62。
PM60相當于ASP60是一種高碳、高鈷之粉末高速鋼因為含鈷量>10%。因此具有優(yōu)異的熱間硬度及強度,在需兼具熱間硬度,耐磨性及韌性的場合,此種鋼材是最佳選擇。一般使用硬度可以達到HRC67-69適合在高速沖模模具、沖頭、銑刀、精加工立銑刀、拉刀上。此種鋼種由于合金含量高,因此價格也高,通常在日資、臺資商接受程度較高,在美國市場較為少用。
粉末高速鋼,由于良好的組織均勻性和碳化物無偏析特點,彌補了普通高速鋼的先天缺陷,使鋼材質量和性能得以全面提升。對目前工業(yè)提升增加了莫大的推動力,但是因為對粉末高速鋼材料特性的不了解,因此一般的使用者并無法在付出高價的同時得到相當?shù)幕貓。這其中主要是在材料選用,熱處理以及加工上的專業(yè)知識有關。尤其是在熱處理工藝上與傳統(tǒng)高速鋼有極大的不同,具有極高的工藝技術。由于國內熱處理業(yè)者,程度參差不齊,我們發(fā)現(xiàn)目前絕大多數(shù)國內粉末高速鋼使用者,產生問題中有98%以上是存在于熱處理問題,這一點與熱處理技術開展較為成熟的日本及臺灣差異較多,因此,我們建議使用者在使用粉末高速鋼時選擇較正規(guī)及專業(yè)程度化高的供應商。同時要求其提供相對應的配套服務,這樣對使用者來說是較有保障的。