粉末冶金在刀具上的应用
性能优异的粉末冶金高速钢刀具
随着汽车、航天、航空、军工、信息技术产业及机械制造业的迅速发展，现代的机械加工越来越追求“高精度、高效率、高可靠性和专业化”目标，这就需要工具行业提供高切削性能的刀具，为此开发用于制造
刀具的优质材料更显得十分重要。
粉末冶金高速钢于20世纪60年代后期开始研制生产，并在70年代投入应用。粉末冶金高速钢特殊
而先进的冶炼方法是高速钢冶炼的一种创新，它造就了性能介于硬质合金和普通高速钢之间的新钢种，使机械制造加工业的刀具用材有了新的突破。作为一种性能优异的新钢种，粉末冶金高速钢正逐渐被人们认识和接受，在机械加工业中发挥越来越大的作用。
1. 粉末冶金高速钢的冶炼特性
与普通高速钢的冶炼相比，粉末冶金高速钢的冶炼更具有其特殊性和先进性。普通高速钢通过电弧炉或感应熔炼炉熔炼后，直接将钢液浇注成钢锭，然后再通过锻造、轧制加工成钢材，但由于钢液浇注冷凝成钢锭时，凝固速度十分缓慢，从钢液中析岀大量的金属碳化物，形成鱼骨状的莱氏体和团块状的粗大共晶碳化物，并产生碳化物偏析，直接影响到钢的各种力学性能，特别是钢的韧性。
而粉末冶金高速钢的冶炼则不同，经过电弧炉或感应熔炼炉熔化的钢液不是直接浇注成钢锭，而是将熔化的钢液通过喷嘴，喷入到高压氮气流中，钢液被迅速雾化冷却成细小的钢粒，其直径一般小于1
mm。再将这样制成的钢粉装入钢桶，对钢桶抽真空，使桶中钢粉间的空气抽净成真空状态，然后焊合钢桶，再在高温高压下将钢桶中的钢粉压制成形，形成热等静压烧结制备工艺。由此可生产岀致密度几乎为100 % 的粉末冶金高速钢坯料，然后接下来再锻造、轧制成钢材由于粉末冶金在喷雾制粉过程中，钢液冷却速度十分快，避免了普通高速钢铸锭过程中的许多缺陷，雾化的钢液中碳化物来不及聚集长大形成团块状，因此碳化物颗粒细小而均匀，一般为1〜3卩m （最大尺寸不超过6卩m），这就大大提高了钢的强度和韧性。
2. 粉末冶金高速钢的性能和特点
粉末冶金高速钢性能十分优越，它具有高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性，以及可加工性好的特点，是
一种介于硬质合金和高速钢之间的新材料。由于粉末冶金高速钢制造的刀具的切削性能在所有切削加工领域内全面超越了原来的高速钢，其韧性优于整体硬质合金刀具而越来越受到工具行业的青睐。
3. 粉末冶金高速钢的应用
粉末冶金高速钢因具有极佳的韧性和机加工性能、良好的红硬性、较高的抗压强度和高的耐磨性，具有高合金含量、高纯度无偏析、细小的碳化物颗粒和各向同性同质的特点，而得到广泛的应用。它被用作加工钛和铝合金等有色金属的刀具，用作加工齿轮铣刀、滚刀、插齿刀、剃齿刀等刀具，也可用作侧面铣刀、成形铣刀和拉刀，也常用于麻花钻、机用丝锥、铰刀等制造。在锯条行业用作带锯双金属钢带，还用作精密冲切工具和冲头冲模的制造、以及其他模具制造。由于粉末冶金价格较贵（一般是普通高速钢的
4〜8倍），所以考虑成本因素，粉末冶金高速钢通常用于制造精密复杂刀具或数控机床用刀具。
粉末冶金高速钢制造的切削刀具性能优于普通高速钢，使用寿命高于普通高速钢（一般2〜3倍），
在冲击负荷大的切削场合又可替代硬质合金刀具，因此粉末冶金高速钢刀具在工具行业的应用前景十分看好，越来越受到人们的关注。
亘］自20世纪70年代以来，高速钢刀具的市场份额逐渐被硬质合金刀具所蚕食。但近年来，随着粉末冶金高速钢（P/M HSS ）刀具切削性能的提高，高速钢刀具的市场占有率又有所回升。与普通高速钢刀具相比，粉末冶金高速钢刀具硬度更高、韧性更好、更耐磨损，因此在某些应用领域（如高冲击性、大切除量的
加工场合），粉末冶金高速钢刀具有逐渐取代脆性较大、在切削冲击下易发生碎裂的整体硬质合金刀具的趋势。
粉末冶金高速钢制造工艺于20 世纪60 年代后期在瑞典开发成功，并于70 年代初期进入市场。该工
艺可在高速钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或易磨性，从而可制成具有高硬度、高耐磨性、可吸收切削冲击、适合高切除率加工和断续切削加工的刀具。
高速钢刀具材料主要由两种基本成分构成：一种是金属碳化物（碳化钨、碳化钼或碳化钒），它赋予刀具较好的耐磨性；二是分布在周围的钢基体，它使刀具具有较好的韧性和吸收冲击、防止碎裂的能力。制备普通高速钢时，是将熔化的钢水从钢水包中注入铸模，使其缓慢冷却凝固。此时，金属碳化物从溶液中析出，并形成较大的团块。高速钢中添加的合金含量越多，碳化物团块就越大。达到某一临界点时，可形成尺寸极大的碳化物团块（直径可达40mm ）。出现大的碳化物团块的临界点根据钢锭的尺寸以及
其它因素而略有不同，但一般是在碳化钒含量达到约4％时发生。通过对钢锭进行锻造、轧制等后续加工，
可以粉碎其中一部分碳化物团块，但不可能将其完全消除。虽然增加钢材中金属碳化物颗粒的数量可以改善材料的耐磨性，但随着合金含量的增加，碳化物的尺寸及团块数量也会随之增加，这对于钢材的韧性会产生极其不利的影响，因为大的碳化物团快可能成为产生裂纹的起始点。
粉末冶金高速钢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，而是通过一个小喷嘴将其吹入氮气流中进行雾化，喷出的雾状钢水迅速冷却为细小的钢粒（直径小于1mm ）。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，因此获得的钢粒中碳化物颗粒细小且分布均匀。将这些钢粉过筛后置入一个钢桶中，并将钢粉中间的空气抽净形成真空状态，然后在高温、高压下将钢桶中的钢粉压制成型，即可得到致密度为100％的粉末冶金高速钢毛坯。这一制备工艺被称为热等静
压（hot isostatic pressing, HIPing ）成型。然后可对毛坯进行锻造、轧制等后续加工.利用热等静压成型工艺制
备的粉末冶金高速钢中的碳化物颗粒非常细小，而且不管其合金含量为多少，这些碳化物颗粒都可均匀分布于整个高速钢基体中。
虽然不同的生产商制备粉末冶金高速钢的工艺细节可能略有不同，但其基本工艺原理（氮气雾化制粒和热等静压成型）都是相同的。十分重要的一点是不能将这种制备工艺与热压烧结工艺（用加热到熔点温度的钢粉压制和烧结工件）相互混淆，虽然这两种工艺在名称上有一些相似，但其工艺原理却完全不同。典型的热压烧结工艺是在模具中逐个压制出工件，且通常在原材料粉末中加入了粘结剂，因此烧结后的材料中会形成微孔结构。
采用粉末冶金高速钢制备工艺，钢材生产商可以充分增加钢中的金属碳化物含量，而不会对材料的韧性或易磨性造成有害影响。虽然一些偏爱粉末冶金高速钢的人喜欢将其誉为高速钢与整体硬质合金的“混血儿”，但实际上它只是一种具有尺寸微小的碳化物颗粒和细化的钢基体粒子结构的高速钢。不过，它确实将高速钢良好的韧性与硬质合金的高耐磨性很好地结合于一身。
由于粉末冶金高速钢中碳化物颗粒细小且分布均匀，因此与碳化物含量相同的普通高速钢相比，其强韧性大大提高。凭借这一优势，粉末冶金高速钢刀具非常适合用于切削冲击大和金属切除率高的加工场合（如挠曲切削、断续切削等）。此外，由于粉末冶金高速钢的强韧性不会因金属碳化物含量的增加而削弱，因此钢材生产商可以在钢中添加大量合金元素，以提高刀具材料的性能。以丝锥为例，由于攻丝加工中丝锥切削刃不断与工件接触和分离，切削冲击较大，因此需要用高强韧牌号的耐碎钢制造丝锥，同时，为了提高丝锥的耐磨损性能，要求刀具材料中的碳化物含量较高。原来常用的丝锥材料为普通高速钢牌号M-2 ，现在则可用粉末冶金高速钢牌号M-4 替代。这两种牌号中的中硬碳化物含量大致相同（M-4 为8％，M-2 为7％），但粉末冶金高速钢牌号中的高硬碳化物含量却远远高于普通高速钢（M-4 为6％，M-2 仅为2％），因此M-4 丝锥的耐磨性得到显著增强，加工效率和刀具寿命提高，同时M-4 丝锥的强韧性也大大优
于M-2 丝锥，在攻丝加工中不易碎裂。
粉末冶金高速钢的缺点是价格较贵，约为普通高速钢的2〜5倍（不同牌号有所差异）。因此，刀具
