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第 l 4卷第 4期 2 0 0 4年 8月 粉 末 冶 金 工 业 P OW DE R M咆TALLURGY I NDUSI 1 R Y V0 1 ． 1 4 No． 4 Au g ． 2 0 0 4 近年国外粉末冶金工具钢的进展 吴元 昌 成都工具研究所， 成都 6 1 0 0 5 1 摘要 本文叙述粉末冶金 工具钢 自1 9 9 7年以来在 生产技术、 主要装备的进展 、 钢种的增加及 非金属夹杂物的检验方法， 同时报导 了主要 生产厂的产量 变化。 关键词 粉末 冶金 高速钢 ； 耐磨冷作 工具钢 中图分类号 TF 1 2 5 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 66 5 4 3 2 0 0 4 0 4 0 0 2 40 5 REC ENT P RoGRES S oF F oREI GN P OW DER ME TALL URGI CAL ToOL S TEEL W U Yu a n c h a ng C h e n g d u T o o l R e s e a r c h I n s t i t u t e 。 C h e n g d u 6 1 0 0 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e p r o g r e s s o f p r o d u c t i o n t e c h n i q u e ， ma i n p r od u c t i o n e q u i p me n t ，k i n d s o f s t e e l g r a d e s a n d i n s p e c t i o n o f n o n - me t a l l i c i n c l u s i o n s o f f o r e i g n p o wd e r me t all u r g i c a r l t o o l s t e e l we r e d e s c r i b e d ． Th e o u t p u t o f p o wd e r me t a l l u r g i c a l t oo l s t eel f o r ma i n p r od u c e r s wa s r e p o r t e d als o ． Ke y wo r d s P o wd e r me t a l l u r g y ；h i g h s p e e d s t e e l ； c o l d wo r k e d we a l “ 一 r esi s t a n t t oo l s t e e l 粉末冶金工具钢 P M T S 包括粉末冶金高速钢 P M H s S 、 粉末冶金冷作工具钢和粉末冶金塑料 模具钢等三大类。在 P M T S的总消耗量中， P M H S S约占7 5％， 主要用作高性能的切削工具。 兹以 其为代表进行论述。 近年世界上机械加工工艺的进步， 对所使用的 刀具要求提高加工效率、 几何尺寸精度和稳定的可 预期刀具寿命。尽管硬质合金刀具在取代高速钢刀 具方面取得很大的进展， 特别在整体硬质合金立铣 刀和麻花钻 P C B钻 方面； 但从整体刀具看， 在刀 具用材中， 各种高速钢刀具仍 占世界刀具总销售值 的4 5％⋯。为满足上述3点对高速钢刀具的要求， 主要 出路在刀具原材料性能的提高 。普通熔铸高速 钢的钢种和性能 已趋于稳定无太大发展 ， 唯有粉末 冶金高速钢不论在钢种和性能上均还有发展的余 地 ， 这是近年来西 方高速 钢厂均投 资于这个领域进 行研究和开发的原因。1 9 9 8年以前 的情况见文 献 ， 本文着重探讨 1 9 9 8年以后 的变化 。 1 几个主要 P M T S 生产厂产量的变化 近年来由于P M T S生产技术及设备的发展， 几 个主要 P M TS生产厂的产量发生变化 ， 兹将其年产 量列于下 美 国 C r u c i b l e厂 已具有 1 2 0 0 0 t ／ a的生产 能 力。业内人士估计该厂约年产 P M H S S 7 2 0 0 ～ 8 4 0 0 t ， 在美 国 P M HS S的用量 已超过普通熔炼高 速钢。 法 国 E r a s t eel公 司 属 瑞 典 s 6 e d e r f 0 r S厂 在 2 0 0 2年约产棒丝材 2 7 0 0 t ， 粉末 8 0 0 t 。 奥地利 B o e h l e r 厂 2 0 0 2年约产 P M H S S 1 8 0 0 t 。 日本 日立金 属安 来钢 厂在 2 0 0 1年 P M HS S 年产量已萎缩到约 6 0 0 t 。已完全丧失美国市场， 只 在国内销售 。 收稿 日期 2 0 0 4一O 2 一l 7 作者简介 吴元 昌 1 9 2 7一 男 汉 ， 上海 市人 ， 教授级 高级 工程 师 ， 主要从事刀具材料应用的研究 。 维普资讯 第 4 期 吴元昌 近年国外粉末冶金工具钢的进展 2 5 2 在研究和开发上的投资 1 奥地利伯乐一乌得尔霍姆集 团在伯 乐钢厂 B o e h l e r 内， 投资 1 ． 9亿人民币于 1 9 9 9年底建成 1 条完整的现代化 P M T S生产线 ， 其主要生产工艺是 在新设计 的先进设备上进行 。该 厂 1 9 9 8年 的研究 开发费用为 3 4 0 0万人 民币 ， 约 占当年钢材 总销 售 值 的 1 ． 1％。 2 法国高速钢公司 E r a s t e e 1 在 2 0 0 1 年的研 究开发费用为 3 6 0 0万人民币。估计 主要用于其在 瑞典 S 6 e d e r f o r s P M H S S生产厂 的科研上。 3 P M T S制造工艺的研究 1 1 9 9 4年法国高速钢公司的瑞典 S 6 e d e r f o r s 厂对制备气雾化前钢液的熔炼工艺作 了改进 ， 称 E S H法 E l e c t r oS l a gHe a t i n g 。其产品也改称为 AS P 2 0 0 0系列 。E S H 法沿用 至今 ， 为 当今世 界生 产高质量 P M T S的主要方法， 故需再作叙述。 E S H法为钢包精炼 法的一种 ， 其 目的在 于有效 去除钢液 中的非 金属夹 杂物。E S H 法在喷 粉装 置 的上方有一个 9 t 的大 中间钢包 。它有石墨 电极通 电 ， 以在一个较长的停 留时内保持钢液温度的稳定 。 在钢包底部吹氩 ， 以助钢液 中的非金 属夹杂物的上 浮 。钢液表面为一层 冶金活性 强的高温 电渣层 ， 此 大面 积电渣液可保证渣一 金属反应 的充分进行 ， 及 清除从钢液 中上浮 的非金属夹渣物。据报道钢 中所 含的各种尺寸非金 属夹杂物 0 ． 6 ～2 2 m 用 E S H 法可以比原方法减少 9 0％， 从而取得高纯净的钢。 见 图 1 。 研究证 明 P M H S S中非 金属 夹杂物 的数量 和 尺寸 已取代熔炼高速钢 中的碳化物形态和尺寸成为 影响 P M H S S强度和韧性 的主要 因素 。该 公 司为 气雾化粉末在研究 E S HL L M 新方法 以进一步减 少非金属夹杂物 的含量及 尺寸 ， 新方法还 可以改进 生产过程的控制和提高生产率。对样品用 MI C _ 显微夹杂物计数及高分辨率超声波测试的结果已证 明可显著地进一步减少 P M H s s中的非金属夹杂 物含 量。此 E S HL L M 法值得 进一 步注意 ， 尽管 其还在发展中L 4 J 。 2 伯乐钢厂 的 P M T S生产线在钢的熔炼工艺 上也是 E S H法 ， 以降低 钢水 中非金属夹 杂物含量。 炼钢 的 感 应 炉 为 8 t ， 其 中间 钢 包 应 和 瑞 典 S 6 e d e r f o r s 厂的 9 t 中间钢包一样大， 但其喷粉设备 已做了改进， 可进一步细化氮雾化后的钢粉颗粒尺 寸。据报道其钢粉尺寸的分布为 4 5 ～2 5 0 m， 过筛 累计百分数 5 0％所对应 的平 均颗粒尺寸 即 D 5 0 为 6 0 m， 为细颗粒粉末 J 。该厂称 细化钢粉颗粒 尺寸的目的在于可生产热等静压 H I P 后， 密度较 高、 韧性较好和不再锻压的 P M T S 。并可缩短工艺 流程 ， 降低生产成本。 g g ＼ ■ 螽 图 1 非 金属夹杂的 尺寸和数量【 】 该厂最新的现代化 H I P设备有一个高功率的 加热器。装罐的钢粉无需预热便可在热等静压机的 高压容器中同时被加热 1 1 5 0 ～1 1 8 0℃ 及加压 1 0 0 MP a 制成钢锭 ， 估计其整个循环周期应 比 以往 HI P设备所需 的 3 h要短。 3 美 国 C r u c i b l e 厂采用新型的 HI P设备 ， 装钢 粉的包套是在 H I P设备外先预热到高温 1 1 0 0℃再 移人 H I P内腔 a c c u m u la t o r 内高温高压。HI P每 炉的循环周期为 4 0 m i n ， 生产效率远高于老式 HI P 设备， 因此使该厂生产的 P M H S S价格远低于日本 安来钢厂 P M H S S的价格， 在美国获得广泛使用。 4 日本安来钢厂 2 0 0 2年生产 P M H S S的主要 设备为 2台 1 t 容量感应炉钢粉气雾化设备 处于 1 9 9 4 年 E r a s t e e l 厂采用 E S H法以前的水平， 当时为 2 t 感应炉 和 2台 1 ～2 t 装量的 HI P设备 ， 用冷 的 钢粉包套放人 H I P设备再加热加压， 每个循环周期 要 4个多小时。生产效率远低 于美 国 C r u c i b l e 厂 HI P设备。 综上所述可见， 近年 P M H S S的生产工艺和装 备均在进展和更新 ， 在资金和科研 经费上均有所投 入 。美国、 法 国 瑞典 和奥地利 的 P M HS S生产厂 因之而得到发展 ， 扩大 了其产品市场份额 。 日本安 来钢厂 因 P M HS S生 产设 备 的落 伍 ， 已萎缩 到其 1 9 9 4年一半 的产量 。 维普资讯 2 6 粉末冶金工业 第 l 4卷 4 P M TS钢种的增加 4 ] P M H S S的一大特点为能比普通熔铸 H S S生 产化学成分更广泛的钢种， 二者合金元素的允许范 围对 比见表 1 。 表 1 允许使用 的合 金元素范 围／ ％ 这里要特别指出 V、 C o 和 S等 3 个元素。普通 熔铸 HS S的含 v量上限为 5％ 如 T1 5钢 ， 超过 此值将使冶炼、 锻造、 磨削加工产生很大 的困难 ， 而 P M HS S已有 含 V一6 ． 5％者 A S P 2 0 6 0 ， 2 0 8 0 。 普通熔铸 H S S的含 Co 量上限为 1 3％ 如 T6钢 ， 而 P M HS S已有含 Co 一1 6％者 AS P 2 0 8 0 。普通 含硫易切高速钢的 S含量为 0 ． 0 6％～0 ． 1 5％， S 在钢中形成 Mn S ， 为长条状和点状， 而含 S 易切 P M H S S的含 S量可达 0 ． 2％～0 ． 2 6％； 使 Mn S在钢 中呈均匀分布的细小状颗粒， 提高易切削性而不损 害钢的强度。 P M TS的钢种近年还在发展和增加 。以 E r a s t e e l 公司为例， 将 1 9 9 7年和 2 0 0 3年的 P M T S钢种 相比， 总钢种从 7 个增加到 1 0个， 其中 P M H S S从 6个增加 到 8个 ， 增加了 AS P 2 0 5 2和 2 0 8 0两个牌 号 ， 不同用途的 P M T S从 2个增加到 3个 ， 增加 了 A S P 2 0 1 2牌号 。该厂生产的 P M TS钢种的化学 成 分见表 2 。A S P 2 0 1 2是为制备硬度达 5 2 ～5 8 HR C 的高耐冲击韧性热作工具钢设计的。A S P 2 0 5 2和 A S P 2 0 8 0则是 2 个高 w 含量及钨当量的超高性能 高速钢， 用于重切削负荷刀具。A S P 2 0 8 0 钢淬回火 后的残余碳化物重量百分比达 2 0％， 比 A S P 2 0 6 0 还多 1％， 其冲击韧性略低于A S P 2 0 6 0 。 5 AS P 2 0 0 0系列 P M H S S中非金属 夹杂物含量的衡量指标 E r a s t e e l 公司指 出用 E S H法处理后钢中非金属 夹杂物含量将大大降低， 约可减少 9 0％， 从而提高 钢的强度和可抛光性。兹将该公司的 2 种对非金属 夹杂物的检查指标分述于下。 表 2 E r a s t e e l 公 司粉末冶金工具钢 成份 质量 分数 ／ ％ 注 表中 A S P 2 0 0 5 钢既可用作高速钢， 也可用作高韧性冷作工具钢。 多数用作工具钢。 5 ． 1 可抛光性测试法 测量抛光性能的方法为 将标准软退火试样 ， 检 测用试块的表面积为 4 0 mm2 0 mm， 用金 刚石微 粉手工抛光。抛光表面在返射光中目测， 每一个试 样根据 1 ～4 级别予以评定见表 3 。 非金属夹杂物的尺寸和数量， 以及它们在抛光 时从表面被剥落 出来 的倾 向性是重要 的因素 。 表 3 抛光能力级别 及不同钢种 的可抛 光能力 苎 表 面 粗 糙 度 抛 光 能 不 同 钢 种 能 达 到 力 级 别 ⋯ ’ 一 一 力 级 别 的 抛 光 能 力 级 别 1 光学透镜模具质 量 1 ． 1 AS P 2 O o 0 2 镜面抛光粗糙度 1 ． 5 E S R模具钢 3 金刚石徽粉抛光 ， 3 m 2． 5 塑料模具钢 4 不适用 于抛 光 3 ． 5 冷作工具钢 注 抛光能力级别 1 最高级 别； 4低 质量级别。 维普资讯 第 4 期 吴元昌 近年国外粉末冶金工具钢的进展 -2 7 A S P 2 0 0 0系列经 E S H法生产的钢仅含有极小 的氧 化物和硫化物颗粒 ， 它们是不易从表面上被抛光剥 落的。 采用真空脱气和电渣重熔 E S R 技术生产高质 量模具钢钢种 ， 用它来制造如眼镜用塑料透镜 片和 移动电话的窗口。A S P E S H方法甚至比E S R在去 除大于约 1 0 m 的夹杂物方面更有效。较之其它 测试 的钢种 ， A S P E S H钢也有一个较小 的散差 。 一 次碳化物组织 碳化物网带 对精加工抛光的 质量有影响。粉末冶金的钢 比起用普通锭模铸造的 钢具有均匀分布的合金元素和细小的碳化物颗粒， 因此它能抛光到一个较佳的表面粗糙度质量。 用可抛光性来判断 ， 经 E S H法处理的 AS P 2 0 0 0 系钢 中所含非金属夹杂物量甚微 ， 但这仅是一种 定 性的方法。此法在国内未采用过， 也没有这方面的 经验和相应参照的“ 抛光能力级别样品” ， 但叙述此 方法及相应的解释有很强的现实意义。高速钢有时 还被用作具有高硬度的精密耐磨细小机械零件， 往 往要求其具有很好的抛光性能 ， 表面粗糙度很小 ， 但 常规熔铸高速钢因碳化物颗粒度较粗等原因， 有时 不易达到要求， 特别是当碳化物上因冷拔而有缺陷 时， 而粉末高速钢则要好得多。从表 3 可知， 制造者 若选用 A S P 2 0 0 0的钢丝 ， 当可能会有好 的效果 。 5 ． 2 A S P 2 0 0 0 P M H S S中非金属夹杂物含■的定 ■指标。 在2 0 0 3 年获得的A S P 2 0 0 0 P M H S S的供货技 术条件上此项规定有很具体的定量指标。 按 S S 1 1 1 1 1 6 S s为瑞典钢材标准缩 写 ， 在放 大倍数 2 0 0下测量 2 0 0 mm2和在放 大倍数 1 0 0 X 下测量 8 0 0 mm 2 钢材待检面积， 结果 大于 5 ． 6 m 的非金 属夹 杂物 ， 最 大累积 数为 每 mm 2含 0 ． 0 3 7个 ； 大于 1 1 ． 2 m 的非金属夹杂物 ， 最大 累积数为 每 mm2 含 0 ． 0 0 2 4个 。 在加硫 的易切 削钢种 中， 硫化物 夹杂不包括在 判定 中。 5 ． 3 A S P 2 0 0 0 P M H S S的滚动接触疲劳强度 E r a s t e e l公 司 也 应 用 “ 滚 动 接 触 疲 劳 强 度 R C F ” 来说 明 A S P 2 0 0 0系列 P M H S S在应用 E S H工艺后钢的纯度或低夹杂物含量 。 滚动接触疲劳强度是钢材在长时期遭遇高的局 部赫兹波 He r t z 式 接触应力时考核其 承受能力 的 一 种重要测试指标。若应力太高 ， 或材料太软， 则材 料将有塑性变形。这造成很短的疲劳寿命。3 种不 同 AS P钢与传统 VI M VA R轴承钢 5 2 1 0 0 进 行 了寿命对比。用 VI M VA R工艺生产 的轴承钢是 以其低非金属夹杂物含量而闻名， 有很好的滚动接 触疲劳强度。 试样的高表面硬度和高的强度 需要高纯净度 或低的非金属夹杂物含量 有助 于图 2中的正面结 果 。 籁 岳 图2 轴承钢和高速钢的滚动接麓疲劳强度【 5 在 4 0 0 0万 次循 环后 试验停 止 ， 大 多数 A S P 2 0 1 4和氮化的 A S P 2 0 2 3钢的硬度为 6 2 HR C 其它 试验 参 数 此处 从 略 ；AI S I 4 4 0 C C - 1 ． 0 5 ％， C r - 1 7％， Mo - 0 ． 5％ 主要用于抗腐触轴承的滚球、 滚 柱、 内外圈等， 热处理后硬度约 6 1 HR C ；M5 0 C 0 ． 8 3％， Mo - 4 ． 3％， C r - 4 ． 1％， V 一 1 ． 0％ 为高温航 空轴承用钢 ， 热处理后硬度约 6 2 HR C。 5 ． 4 我国对非金属夹杂物的检测 我国高速钢技术条件 G B ／ r 9 9 4 3 8 8 无有关 非金属夹杂物含量项 目检测的条款 。各特钢厂对高 速钢也不进行此项 目的检验 。理由是高速钢中非金 属夹杂物对质量的影响一直居于碳化物之后。与碳 化物相 比， 它们 的数 量要少得 多 ， 颗粒尺 寸也小 得 多。在淬 回火状 态 ， M2钢 中残 余 碳 化 物 总 量 约 1 3％ 质量分数 ， 大颗粒尺寸近 1 2 ． 5 m。含夹杂 物 AI N， 2 0 3 较多的含 高速钢 W9 A l 中， 退火 状态碳化物为 1 8 ． 6％， 夹杂物约占 2 ． 6％。国内高 速钢生产多不用炉外精炼 。 维普资讯 2 8 粉末冶金工业 第 1 4 卷 随着人们对高速钢 中非金属夹杂物有害作用认 识 的提高， 国外高速钢生产大厂都采用了炉外精炼 ， 如E r a s t e e l 厂采用 A O D精炼。它们对中国出口的 普通熔铸高速钢普遍有非金属夹杂物含量的规定。 笔者以此条件检查过国内生产高速钢的某大厂的质 量情况 ， 不能全部合格 ， 有时还含有很大的夹杂物 ， 最大的长 x宽尺寸达 2 5 0 t t mx 5 0 t t m 的夹杂 ， 此外 长度尺寸达 3 0 tt m， 5 0 tt m， 7 0 tt m的也常见。含有 这种大非金属夹杂物的高速钢 ， 必易造成刃 口崩刃， 造成刀具质量的不稳定。 国外向我国订购的 E S R高速钢锭 ， 在质量上有 更严格 的非金属夹杂物条款。上述对普通高速钢及 E S R高速钢的非金属夹杂物规定， 均用 AS TM E 4 5 9 7中A法 一最坏视野 法检 查。对钢材检查 1 6 0 m m 2 面积， 在显微镜上为 3 2 0个视域， 与标准图片 相比较 ， 用定量金相检测定 ， 也还可用手工进行。对 AS P 2 0 0 0 P M HS S的非金属夹杂物检查 ， 按照 S S 1 1 1 1 1 6的规定要检查钢材 1 0 0 0 mm2 面积 ， 在显微 镜上放大倍数为 x 1 0 0时， 每个视场面积为 0 ． 5 m m 2 ，则需要检测 1 6 0 0个视场； x 2 0 0 时， 每个视场 面积为 0 ． 1 2 5 mm2 ， 则需要检测 1 6 0 0个视场 ， 共计 3 2 0 0 个视场。然而熔铸高速钢仅需要检测 3 2 0个 视场。两者相 比， P M H S S的检测工作 量要大 1 0 倍 ， 必需用定量金相设备 自动进行 。且允许 的非金 属夹杂物数量是用这么多视场的累积数计算。 6 P M HS S的价格 P M HS S目前在国内外市场上均为较 昂贵的钢 种 ， 以法国 E r a s t e e l 公司的 P M HS S价格为例， 2 0 0 1 年该公 司的 P M HS S产 量约 为 高速 钢 总 产量 的 1 0％ 以吨计 ， 但其销售值要占总销售值的2 3％， 其平均销售价在 2 1 0 0 0欧元／ t 折合人民币 2 2万／ t 一按 2 0 0 4年2月7日汇率 。此外， 法国 P M H S S 进人中国还要加关税 、 增值税、 运 费等约为进口价的 2 5％。所以， P M HS S视不同品种在国内价约为人 民币 2 0 ～3 0万元／ t 。这 主要与钴 的价格有关。钴 的国内价格随国际市场价而涨落， 2 0 0 3 年初其价格 为最低点 ， 约 1 5万元／ t ， 而 2 0 0 4年初已为 3 0万元／ t ， 可见其涨幅之巨。相 比之下国内高速钢的价格在 2 0 0 4年随 V， Mo ， C r ， W 合金铁 的涨价也在涨 ， 普通 M2 钢价在 3 ． 4万／ t 人民币， 以单价而论每吨 P M H S S 的价格约为 M2钢单价的 6 ～9 倍。国内工具 业不到万不得已不会轻易用之 。 但在另一方面， 法 国 E r a s t e e l 公司因欧美高速 钢市场的连年低迷 ， 急欲打开 中国高速钢用户 的大 门。已决定在中国建立现货库存， 已开始通过其在 中国的合资公司以亏本的价格销售法国产的扒皮无 脱碳 6 0 ～ 2 0 0 m m 中、 大直径 M2钢。在 P M H S S 上估计会有同样的举措。据未经证实的信息， E r a s t e e l 公司凭多年的生产经验已大大降低其 P M HS S的生产成本， 但该公司 的销售哲学是将它仍维 持在一个高价位上， 以获高利润。该公司若能充分 考虑中国市场情况 ， 在批量 出口 P M HS S到 中国市 场时， 其价格应有一定的降幅余地。 7 小结 P M T S技术近年不断在进展， 要靠巨大的设备 更新投资和科研经费去支持， 目的在于占有更大的 市场份额。国外几个生产厂的兴衰是明显的例证。 我国由于工具及机械制造业的落后， 未能开发和形 成 P M HS S工具市场 。 在上世纪 9 0年代末 以前 ， 钴 高速钢在中国也处于今天 P M HS S的局面 ， 钴高速 钢价格居高不下， 完全靠进口， 钴高速钢刀具市场无 法形成。但经近年的努力， 我国钴高速钢的年产量 在 2 0 0 2年已达到 1 3 9 0 t 钢锭 ， 2 0 0 3年达 1 7 5 8 t 。钢厂生产钴高速钢的成本价也远低于进口市场 价， 有较高利润。焉知再过十余年我国的 P M H S S 会同钴高速钢一样兴起 ， 开拓 出一个崭新 的市场局 面 。 参考文献 [ 1 ]吴元昌．硬质合金刀具在刀具总值中的变化 [ J ] ． 硬质 合金， 2 0 0 3 ， 2 0 4 2 5 3 2 5 5 ． [ 2 ] 吴元昌． 近年欧美粉末冶金工具钢的进展及其应用实况 [ J ] ． 粉末冶金工业， 1 9 9 8 ， 8 3 71 8 ． [ 3 ]吴元昌．奥地利伯乐钢厂生产细颗粒高速钢粉末[ J ] ． 粉末冶金 工业 ， 2 0 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