粉末冶金高速钢的选择与应用

粉末冶金高速钢的选择与应用

切削技术的发展依赖刀具技术和高速机床技术的进步，刀具与机床的正确选用常起着决定性作用。采用耐热性更好的新型刀具材料及涂层、合理设计刀具结构与几何参数、选择最佳的切削速度是实现切削加工优化的重要保障。在目前高性能刀具材料如硬质合金、金属陶瓷、金刚石、立方氮化硼等超硬材料不断发展的同时，高速钢尤其是粉末冶金高速钢，凭借其在强韧性、工艺性及可加工性等方面优良的综合性能，在复杂刀具特别是切齿刀具、拉刀和各类铣刀制造中仍占有明显优势，应用相当广泛。 1 高速钢发展及粉末高速钢冶炼工艺特点

以切削刀具为主要用途的高速钢已经历了百年的发展历程。1900 年法国巴黎世界博览会上，美国人Taylor和White成功进行的高速切削演示标志着高速钢的应用拉开了序幕。多年来，高速钢刀具一直占据着机械加工领域的主导地位，其发展简史见表1。 表1 高速钢发展简史 年代 主要大事记

1870～1898 英国人Mushet发明应用Mn-W自硬工具钢，切削中碳钢速度8m/min

1898～1900 美国人Taylor、White以Cr-W钢取代Mn-W自硬钢，创立了高速钢。切削中碳钢速度达20m/min

1910 确立T1(W18Cr4V)钢成分，切削中碳钢速度达30m/min 1937～ 美国人Breelor发明W-Mo系高速钢M2

1939 ～ 美国发明高碳高钒高速钢，含钒3～5%，淬回火硬度达67～68HRC，耐磨性好，可磨削性差。

1958～1963 平衡碳理论提出与应用，美国发明M40系高速钢，硬度达70HRC，如M41，M42

1965～ 美国Crucible Steels公司发明粉末冶金法生产高速钢

1970～ 瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速钢投产；电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产 1980 ～ 欧、美、日、俄等国开始生产粉末冶金高速钢；氮化钛涂层用于高速钢切削刀具，寿命大幅提高

1990 ～ 粉末冶金高速钢实现高合金冶炼，新钢种热处理硬度达70～72HRC

高速钢传统冶炼制造工艺通常采用大吨位电弧炉冶炼、模铸浇铸成锭。电弧炉冶炼，钢水容量大，成分均匀，可通过炉外精炼、真空脱气等提高钢水质量；但由于钢锭浇铸尺寸较大，钢水冷却缓慢，且高速钢化学成分复杂，合金元素含量高，使其莱氏体组织粗大，碳化物偏析严重。碳化物偏析程度反映了高速钢质量的优劣，严重的偏析降低了高速钢的性能，使钢的锻、轧加工困难，高合金、高性能高速钢的发展受限。 粉末冶金高速钢改变了传统的高速钢浇铸与成锭工艺，采用了雾化制粉及压力加工成形。国际上较先进的粉末高速钢制造基本工艺是将冶炼完、符合化学成分要求的钢水经强力高压氮气雾化，细小液滴瞬间迅速凝固成合金粉末颗粒，其粒度相当于一般铸锭亿万分之一的“超细小钢锭”，形成了极快冷凝固制粉。雾化制粉完成后，合金粉末颗粒经筛分、装包套、摇实、抽真空脱气等工序，再经冷、热等压力加工成锭。粉末冶金高速钢的优点为成分均匀、碳化物无偏析，易实现高合金化；与电炉钢比较，其强韧性大幅度提高，热处理变形小，尺寸稳定性高，可磨削性能好。 2 粉末冶金高速钢主要牌号及成分

传统冶炼生产的高速钢牌号均可运用粉末冶金方法生产，而高钒、高钴等高合金高性能高速钢却是粉末冶金高速钢所独有的牌号(如ASP2060、ASP2080等)。表2为粉末冶金高速钢主要牌号及成分范围。 表2 粉末冶金高速钢主要牌号及成分(wt%) 序号 牌号 C Cr W

1

Mo V Co 其它

1 M2-PM 0.95～1.05 3.75～4.50 5.50～6.75 4.50～5.50 1.75～2.20 max0.50 2 M3-PM 1.15～1.25 3.75～4.50 5.00～6.75 4.75～6.50 2.75～3.25 max0.50 3 M4-PM 1.25～1.40 3.75～4.75 5.25～6.50 4.25～5.50 3.75～4.50 max0.50 4 M7-PM 0.97～1.05 3.50～4.00 1.40～2.10 8.20～9.20 1.75～2.25 max0.50 5 M35-PM 0.88～0.95 3.80～4.50 6.00～6.70 4.70～5.20 1.70～2.00 4.50～5.00 6 M42-PM 1.05～1.15 3.50～4.25 1.15～1.85 9.00～10.0 0.95～1.35 7.75～8.75 7 M48-PM 1.42～1.52 3.50～4.00 9.50～10.50 4.75～5.50 2.75～3.25 8.00～10.00 S≤0.07

8 M50-PM 0.78～0.88 3.75～4.50 max0.20 3.90～4.75 0.80～1.25 max0.50

9 M61-PM 1.75～1.85 3.50～4.25 12.10～12.9 6.00～6.75 4.50～5.25 max1.00 P≤0.02

10 ASP2015 1.50～1.60 3.75～5.00 11.75～13.0 max1.00 4.50～5.25 4.75～5.25 11 ASP2017 0.80～0.85 3.80～4.50 2.85～3.25 3.90～4.20 0.95～1.35 7.75～8.75 Nb:1.00

12 ASP2030 1.25～1.35 3.80～4.50 6.00～6.70 4.70～5.20 2.70～3.20 8.10～8.80 13 ASP2053 2.30～2.60 3.80～4.50 4.00～4.50 2.80～3.50 7.75～8.20 Max0.50 14 ASP2060 2.15～2.45 3.80～4.50 6.00～6.80 6.70～7.30 6.20～6.80 10.10～10.8

15 ASP2080 2.30～2.60 3.8～4.30 10.50～11.5 4.80～5.30 5.80～6.20 15.50～16.5

16 S390-PM 1.55～1.65 4.50～5.00 9.50～11.00 2.00～2.40 4.60～5.20 7.60～8.30

17 S390-PM-MOD 1.65～1.75 5.95～6.35 10.0～10.75 3.10～3.40 4.00～4.50 7.70～8.30 S≤0.02

18 HS10-4-3-10PM 1.21～1.34 3.80～4.50 9.00～10.00 3.20～3.90 3.00～3.50 9.50～10.5

19 HS18-1-2-5-PM 0.75～0.83 3.80～4.50 17.5～18.50 0.50～0.80 1.40～1.70 4.50～5.00

20 HS12-1-4-PM 1.20～1.35 3.80～4.50 11.5～12.50 0.70～1.00 3.50～4.50 max 0.50

21 CPM10V* 2.35～2.55 4.75～5.50 max0.50 1.10～1.45 9.3～10.25 max0.50 S≤0.09

22 CPM10V-MOD 2.80～3.00 7.75～8.25 max1.00 1.20～1.60 9.25～1025 max0.50

注：上表中一般均要求，P≤0.03%，S≤0.03%，N≤0.08%，O≤0.015%，Ar≤0.05ppm；*为合金工具钢

3 粉末冶金高速钢的选用

高速钢含有大量W、Mo、Cr、V等元素，其与碳形成的合金碳化物提高了钢材性能。由于粉末高速钢冶炼的独特性，合金元素含量更高，尤其是高V、高Co钢的应用较为普遍。高速钢中的W、Mo作用相似，与碳形成的合金碳化物通过溶解及析出强化，使高速钢具有特殊的二次硬化效果，红硬性大大提高；钢中V是强的碳化物形成元素，VC细小弥散，提高了钢的耐磨性，随着V含量的提高，高速钢的抗磨粒磨损性能大幅提升；Co是固溶强化最

2

强的合金元素之一，通过固溶基体强化来提高高速钢的硬度及热硬性，改善了刀具切削性能，使刀具寿命大为提高。图1为几种粉末高速钢与典型高速钢的性能特点对比。

图1 几种粉末高速钢与典型高速钢的性能特点对比

刀具材料的选择需要考虑刀具类别、机床及切削条件、被加工材料及硬度等因素。随着数控机床、中硬材料切削及高强钢的大量应用，对切削刀具的性能要求越来越高，刀具必须具备更高的硬度、红硬性、耐磨性及韧性。一般来讲，对于要求高耐磨、高韧性的刀具，如高寿命丝锥、拉刀、单齿薄刃刀具等，可选择高碳高钒粉末高速钢，典型牌号有M3-PM、M4-PM、M61-PM等；对于要求高速切削、高热硬性、高寿命的刀具，如齿轮滚刀、插齿刀、数控机床用各类铣刀，可选择高钒高钴粉末高速钢，典型牌号有ASP2015、ASP2030、ASP2060等。 4 结语

粉末高速钢由于良好的组织一致性和碳化物的无偏析，弥补了普通冶炼高速钢的严重缺陷，使钢材质量和性能全面提高。粉末冶金高速钢刀具在加工铁基高温合金、钛合金、超高强钢等难加工材料时表现出了良好的切削性能及综合力学性能。由于粉末高速钢冶炼及雾化制粉的特殊性，工艺及设备要求相对复杂，钢材制造成本较高，目前在精密复杂刀具生产中应用较多，还有待进一步推广应用。

高速工具钢牌号及化学成分

通用型高速钢 标准号及牌号

(简写代号) 化学成分

C(碳) W(钨) Mo(钼) Cr(铬) V(钒) Si(硅) Mn(锰) S(硫) P(磷) RE GB/T9941-1988 GB/T9942-1988

GB/T9943-1988 W18Cr4V

(18-4-1) 0.70～0.80 17.5～19.0 ≤0.30 3.80～4.40 1.00～1.40 0.20～0.40 0.10～0.40 ≤0.030 ≤0.030 - W9Mo3Cr4V

(9-3-4-1) 0.77～0.87 8.50～9.50 2.70～3.30 3.80～4.40 1.30～1.70 0.20～0.40 0.20～0.40 ≤0.030 ≤0.030 - W6Mo5Cr4V2

(6-5-4-2) 0.80～0.90 5.50～6.75 4.50～5.50 3.80～4.40 1.75～2.20 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 -

GB/T9943-1988 CW6Mo5Cr4V2

(高碳6-5-4-2) 0.95～1.05 5.50～6.75 4.50～5.50 3.80～4.40 1.75～2.20 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 - W2Mo9Cr4V2

(2-9-4-2) 0.97～1.05 1.40～2.10 8.20～9.20 3.50～4.00 1.75～2.25 0.20～0.55 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 - YB/T2-1980 9W18Cr4V

(高碳18-4-1) 0.90～1.00 17.5～19.0 ≤0.30 3.80～4.40 1.00～1.40 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 -

3

W14Cr4VMnRE 0.80～0.90 13.2～15.0 ≤0.30 3.50～4.00 1.40～1.70 ≤0.50 0.35～0.55 ≤0.030 ≤0.030 0.07 W12Cr4V4Mo

(12-4-4-1) 1.20～1.40 11.5～13.0 0.90～1.20 3.80～4.40 3.80～4.40 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 -

高生产率高速钢 标准号及牌号

(简写代号) 化学成分(质量分数)，

C(碳) W(钨) Mo(钼) Cr(铬) V(钒) Co(钴) Si(硅) Mn(锰) S(硫) P(磷) GB/T9943-1988 W6Mo5Cr4V3

(6-5-4-3) 1.00～1.10 5.00～6.75 4.75～6.75 3.75～4.50 2.25～2.75 - 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 CW6Mo5Cr4V3

(高碳6-5-4-3) 1.15～1.25 5.00～6.75 4.75～6.75 3.75～4.50 2.75～3.25 - 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 W6Mo5Cr4V2Co5

(6-5-4-2-5) 0.80～0.90 5.50～6.50 4.50～5.50 3.75～4.50 1.75～2.25 4.50～5.50 0.20～0.45 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 W18Cr4VCo5

(18-4-1-5) 0.70～0.80 17.5～19.0 0.40～1.00 3.75～4.50 0.80～1.20 4.25～5.75 0.20～0.40 0.10～0.40 ≤0.030 ≤0.030 8W18Cr4V2Co8

(18-4-2-3) 0.75～0.65 17.5～19.0 0.50～1.25 3.75～5.00 1.80～2.40 7.00～9.50 0.20～0.40 0.20～0.40 ≤0.030 ≤0.030 W12Cr4V5Co5

(12-4-5-5) 1.50～1.60 11.75～13.00 ≤1.00 3.75～5.00 4.50～5.25 4.75～5.25 0.15～0.40 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030

高生产率超硬型高速钢 标准号及牌号

(简写代号) 化学成分

C(碳) W(钨) Mo(钼) Cr(铬) V(钒) Si(硅) Mn(锰) S(硫) P(磷) 其他 GB/T9943-1988 W6Mo5Cr4V2Al

(501) 1.05～1.20 5.50～6.75 4.50～5.50 8.80～4.40 1.75～2.20 0.20～0.60 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 Al：0.80～1.20 W2Mo9Cr4VCo8

(2-9-4-1-8) 1.05～1.15 1.15～1.85 9.00～10.00 3.50～4.25 0.95～1.35 0.15～0.65 0.15～0.40 ≤0.030 ≤0.030 Co：7.75～8.75 W7Mo4Cr4V2Co5

(7-4-4-2-5) 1.05～1.15 6.25～7.00 3.25～4.25 8.75～4.50 1.75～2.25 0.15～0.50 0.20～0.60 ≤0.030 ≤0.030 Co：4.75～5.75 YB/T2-1980 W10Mo4Cr4V3Al

(5F-6) 1.30～1.45 9.00～10.50 3.50～4.50 3.80～4.50 2.70～3.20 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.03

4

0 ≤0.030 Al：0.70～1.20 W6Mo5Cr4V5Si

(LB201) 1.55～1.65 5.50～6.50 5.00～6.00 8.80～4.40 4.20～5.20 1.00～1.40 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 Nb：0.2～0.5 Al：0.3～0.7

W12Mo3Cr4V3Co5Si

(Co5Si) 1.20～1.30 11.50～13.50 2.80～3.40 3.80～4.40 2.80～3.40 0.80～1.20 ≤0.40 ≤0.030 ≤0.030 Co：4.70～5.10

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