国外粉末冶金工模具钢的种类及特性.pdf

5 ＼ ／ ＼ ／ ／ ／ ～ 综述 一 国外粉末冶金工模具钢的种类及特性 董加坤 ， 朱祖 昌 ， 张宏康 ， 陆 靖 1 ． 乐嘉文高合金钢技术 上海 有限公司， 上海 2 0 1 1 0 8 ； 2 ． 上海工程技术大学材料科学与工程学院， 上海 2 0 1 6 2 0 摘要 概述 了国外粉末冶金工模具钢的种类及特性。指 出了我国在粉末冶金工模具钢方面与发 达国家的 差距。展示了粉末冶金工模具钢在我 国的应用前景。强调我 国作为钢铁大国必须拥有 自己的粉末 冶金钢技术， 利用我 国丰富的钨资源开发 出具有知识产权的粉末冶金工模具钢。 关键词 粉末冶金 ； 工模具钢 ； 热等静压； 耐磨性 ； 红硬性 ； 抗弯强度； 可机加工性 中图分类号 T F 1 2 5 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 1 6 9 0 2 0 1 0 0 2 0 0 0 1 0 0 5 S o r t s a nd Pr o pe r t i e s o f Po wde r M e t a l l ur g y To o l a nd Di e S t e e l s i n t h e De v e l o pe d Co u nt r i e s DON G J i a k u n ， Z HU Z u c h a n g ， Z HANG Ho n g k a n g ， L U J i n g 1 ． R i e c k e r ma n n S t e e l t e c h S h a n g h a i C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 1 0 8 ； 2 ． S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 Abs t r ac t T he s o r t s a n d pr o pe r t i e s o f p o wd e r me t a l l u r g y t o o l a n d di e s t e e l s a b r o a d we r e s u mma riz e d． T he d e fic i e n - c i e s we r e i n d i c a t e d i n p o wd e r me t a l l u r gy t o o l a n d d i e s t e e l s i n Ch i n a c o mp a r e d wi t h t he d e v e l o p e d c o u n t r i e s ．Th e a p pl i c a t i o n o f p o wd e r me t a l l u r gy t o o l a n d d i e s t e e l s a t h o me we r e a l s o f o r e c a s t e d ．I n p a r t i c ul a r ，f o r Ch i n a a s o ne o f t h e m a j o r s t e e l c o u n t ri e s ， i t i s a b s o l u t e l y n e c e s s a r y t o p o s s e s s n e w t e c h n o l o g i e s o f p o w d e r m e t a l l u r gy s t e e l a n d t o d e v e l o p t h e p a t e nt s o f p o wd e r me t a l l ur gy t o o l a n d d i e s t e e l s wi t h i n t e l l e c t ua l p r o p e rty b y ma k i n g f u l l us e o f a b u n d a n t t u n g s t e n r e s o u r c e ． Ke y wo r ds p o wd e r me t a l l u r gy ； t o o l a n d d i e s t e e l s ；h o t i s o s t a t i c pr e s s i n g； we a r r e s i s t a n c e；r e d h a r d n e s s ；b e nd s t r e n g t h； ma c h i n a b i l i t y B s h l e r 公司的第三代粉末冶金工模具钢 m i c r o c l e a n 是 2 1 世纪初开发成功的新钢种 ， 分为粉末 冶金高速钢 、 粉末冶金塑料模 具钢和粉末 冶金冷作 工具钢三种。 目前 ， 粉末冶金 高速钢 已经在我 国大 量应用 ， 主要用于制造高耐磨 性、 韧性 、 红硬性和强 度 的长寿命刀具 ， 如铣刀 、 滚刀 、 冲头 、 冲模和切割刀 片等， 每年的用量呈大幅度上升趋势 。粉末高速钢 会受到如此青睐， 是 因为其在耐磨性和红硬性方面 仅次于硬质合金 ， 而韧性、 抗压强度 和抗弯强度则远 高于硬质合金 ， 可在一定程度上取代硬质合金刀具 。 另外 ， 粉末钢供货硬度低 ， 可进行各类冷加工， 然后 进行热处理改性 ， 对热处理设备的要求也 比普通高 速钢低 。预计不久的将来 ， 粉末高速钢会取代大部 分硬质合金。粉末塑料模具钢和粉末冷作工具钢的 开发成功要落后于粉末高速钢 ， 作为新钢种进入我 国只有几年 ， 尽管性能出色且在国外获得大量应用 ， 但在国内用量很少 。主要是因为国内对其太缺乏了 解 ， 无这方面的公开报道 。 粉末冶金钢 于 2 0世纪 6 0年代在 国外开发成 功 ， 在 7 0年代投入使用 ， 相继开发出第一代、 第二代 和第三代粉末 冶金钢 。国外在 粉末冶金钢方面 至少领先我国几十年。国内公开报道发行 的关于粉 末钢的资料极少 ， 即使有报道也大都是关于粉末高 速钢的 ， 粉末冶金塑料模具钢和粉末冶金冷作工具 钢方面的报道几乎没有。从公开的资料看 ， 所报道 的粉末钢种类少 ， 多数都是制造原理 ， 对化学成分 、 收 稿 日期 2 0 0 8 ． 0 4 ． 0 8 作者简介 董加坤 1 9 6 6 ． ， 男， 黑龙江大庆人， 工程师， 学士， 1 9 8 9年毕业于哈 尔滨船舶工程学院金属材料及 热处理专业， 主要从事工模具钢、 不锈钢、 粉末冶金工模具钢原材料及产品的质量管理、 失效分析 和真空热处理工作， 已发表论文 1 7 篇。联 系电话 0 2 1 - 5 4 4 2 8 2 3 5 ， 1 3 6 6 1 9 1 3 5 1 9 热处理 2 0 1 0年第2 5卷第2期 1 性能和用途并未做全面 的阐述 ， 这与缺乏第一手 国 外资料有关 。我 国作为钢铁大国， 高速钢用量居世 界前列。国外 2 0 0 8年对粉末钢的的需求量在 5 0 0 0 t 以上 ， 按 比例预测 ， 我 国在这一 年的用量应 达到 4 0 0 t ， 而实际上却只有几十 t 。近十几年 ， 国内数控 机床快速普及 ， 数控机床刀具需求量急剧增加 ， 但大 部分靠进 口， 每年达几十亿美元 。因此 ， 国内的高质 量数控机床刀具制造前景广阔。由于我国的数控加 工设备已经普及 ， 已具备制造高质量数控机床刀具 的冷加工能力 ， 但是却没有优质的刀具材料可供选 用。若购买 国外的优质材料 ， 考虑我 国的制造成本 低廉 ， 笔者认 为在 国内制造刀具可 降低成本 1 ／ 3～ 1 ／ 2 。因此 ， 我国应首先尽快开发出属于本国技术的 粉末钢 ， 以填补国内空 白。 1 粉末冶金钢的制造方法 首先用感应 电炉炼钢 ， 再转移至 中间精炼炉净 化钢水 ； 当钢水经过化学分析达到要求 的化学成分 后将钢水经由一个特殊 的孔流出， 同时用高压高纯 惰性气体将流出的钢水吹散成雾状 即雾化 a t o m i z a - t i o n ， 形成高合金粉末颗粒 ， 再经过严格筛选 ， 使粉 末颗粒尺寸不超过 0 ． 4 I n n 。制成 的高合金粉末 颗粒先经过清洁 c l e a n i n g 处理， 再在真空下被封装 e n c a p s u l a t i o n 于金属桶 内， 然后被送 至专 门的车 间进行热等静压 h o t i s o s t a t i c p r e s s i n g 高温烧结而 形成无孔隙的料坯 ， 最后再经过锻造 和轧制形成所 需形状的型材。 图 ， 图 2为粉末烧结炉中热等静压产品照片。 图 1 粉末冶金钢生产流程图 Fi g． 1 Ma nu f a c t u r i ng flo w c ha r t o f t h e PM s t e e l 图 2 粉末烧结炉中的热等静压产品 Fi g ． 2 Ho t i s o s t a t i c a l l y p r e s s e d p r o d u c t s i n s i n t e r i n g f u r n a c e 2 粉末冶金钢 的种类及化 学成分 从 目前公开的资料看， 粉末冶金工模具钢主要 有 3种， 即粉末冶金高速钢、 粉末冶金塑料模具钢和 粉末冶金冷作工具钢。 2 ． 1 粉末冶金高速钢 图1 所 示为 国外 粉末冶金 钢 的典 型生产流程 粉末冶金高速钢的化学成分列于表 l 。 表 1 粉末冶金高速钢化学成分 质量分数 ， ％ T a b l e 1 C h e mic a l c o mp o s it i o n o f P M h ig h s p e e d s t e e l s v v t ％ 从表 l 中可以看到， 粉末高速钢属于钼系或钼钴系， 含碳量比普通钼系或钼钴系高速钢 高 0 ． 5 ％ ～1 ． 2 ％， 铬含量严格遵守常规高速钢的要求， 钼含量下限降低， 钒 含量比普通高速钢高 l ％ 一 3 ％左右， 钨含量明显提高， 钴 含量大幅度提高。提高碳、 钒、 钨和钴含量均可提高钢的 耐学陆， 而钒、 钨和钴含量的提高则提高了钢的红硬眭。 2 ． 2粉末冶金塑料模具钢 粉末冶金塑料模具钢的化学成分列于表 2 。 表 2 粉末冶金塑料模具钢化 学成分 质量分数 ， ％ T a b le 2 Ch e mi c a l c o mp o s i t io n o f P M p la s t ic mo u l d s t e e l ％ 2 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 2期 从化学成分看 ， 该钢属于极 高碳 高合金马 氏体 不锈钢， 含碳 量是普通 高碳 马氏体不锈钢 9 C r l 8 M o 的2倍 ， 铬含量提高了 2 ％ ， 钼含量明显提高， 加人大 量的钒和少量 的钨 ， 因此该钢具有更高的耐磨性。 2 ． 3粉末冶金冷作工具钢 粉末冶金冷作工模具钢的化学成分列于表 3 。 表 3粉末冶金冷作工模 具钢 化学成分 质量分数 ， ％ T a b le 3 C h e mic a l c o mp o s it i o n o f P M c o ld wo r k t o o l a n d d i e s t e e l s ％ 与常用的 C r l 2 Mo l V1 钢相 比， 该类钢含碳量上 限明显提高 ， 合金元素总量提高范围约为 2 ． 3 ％ ～ 5 ． 9 ％ ， 因此耐 磨性 大大 提高 ， 而 韧性却 明显 高 于 C r l 2 Mo l V1 钢。K 8 9 0钢由于含碳量较低 ， 因此具有 较高的塑性和更高的韧性 ， 刀具刃 口不易崩刃 ， 延长 了使用寿命。 3 粉末冶金工模具钢的性能特点 3 ． 1 纯 洁性 由于粉末钢采用 了 E S H 电渣重熔 技术 ， 因此 第二代比第一代减少 了 9 0 ％的非金属夹杂物 ， 而第 三代 比第二代又减少了另一个 9 0 ％ 的非金属夹杂 物 J 。又根据文献[ 4 ] ， 若以每 1 c m 。 钢中5 0 m尺 寸非金属夹杂物的数 目计 ， 则传统第 一代粉末钢为 0 ． 6个 ， 第二代为 0 ． 0 3个 ， 而第三代为 0 ． 0 0 2个。因 此粉末钢内部非金属夹杂物极少 ， 加上热等静压期 间处于真空状态 ， 所 以粉末钢气体含量也极低。 3 ． 2均质性 第三代粉末冶金钢 由于粉末粒子较第一代和第 二代更加细小和均匀 ， 加上制造时粉末粒子随机分 布， 因此等静压高温烧结后 的型材具有最佳的微观 和宏观化学成分均匀性 ， 碳化物颗粒十分细小 ， 分布 极 为 均匀 ， 无 碳化 物堆积 和带状 分布 。 图3 和 图4 显微 组织X 1 0 0 0 F i g ． 3 Mi c r o s t r u c t u r e o f 3 9 0 s t e e l q u e n c h e d a n d t e mp e r e d1 0 0 0 分别为粉末冶金高速钢 3 9 0和粉末冶金冷作工模 具钢 KI 9 0的显微组织 ， 可见碳化物细小均匀无偏 析。图 5则为普通的 C r l 2冷作模具钢的显微组织 ， 可见碳化物呈明显的堆积状和带状 。粉末钢这种微 观和宏观的化学成分均匀性使材料各点及不 同方向 的组织粗细都相 同， 具有各 向同性 。 图 4 K 1 9 0粉末 冶金冷 作工模 具钢显微组织 1 0 0 Fi g． 4 Mi e r o s t r uc t ur e o f K1 9 0 PM c o l d wo r k t o o l s t e e l 1 0 0 图 5普 通 Cr l 2钢 的显 微 组 织X1 O 0 Fi g ． 5 Mi c r o s t r u c t u r e o f Cr l 2 s t e e l 1 0 0 3 ． 3性 能 由于粉末钢纯度高 、 无偏析和各向同性 ， 合金含 量大大高于传统的高碳高合金钢， 与传统的同类钢 相比， 其硬度 、 韧性、 耐磨性 、 红硬性 、 抗弯强度和抗 压强度更高。粉末高速钢在硬度、 耐磨性和红硬性 方面接近硬质合金 ， 而韧性 和抗弯强度远高于硬质 合金 ， 因此粉末高速钢更适合重负荷、 高冲击和大切 削量的工况。粉末塑料模具钢是专门为挤出螺杆、 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 2期 3 射出缸内衬和单 向阀等具有高腐蚀性及高磨耗性的 塑料模具而设计 。C r 1 2 Mo 1 V1 、 D 7 mo d ． P M和 M 3 9 0 钢的耐腐蚀磨损对 比试验结果表明 ， 在注塑 3 0 0 o C 的具有磨损性 的 P A 6 6且其 中含有 3 0 ％玻璃纤维 时， M 3 9 0钢的磨损量仅为 C r 1 2 Mo l V 1钢的 4 6 ． 5 ％ ， 是 D T m o d ． P M钢的 6 0 ． 6 ％ ； 在注塑 4 0 0 o C的具有磨 损性和腐蚀性的 P E S且其 中含有 3 0 ％玻璃纤维时 ， 由于产 生硫化 物 ， C r 1 2 Mo l V1钢磨损 增加 2 5 0 ％ ， D 7 m o d ． P M钢增加 2 0 0 ％ ， 而 M3 9 0钢仅增加 3 0 ％。 粉末冷作工具钢 K 3 9 0的韧性、 弯曲强度和耐磨性比 D 7 m o d ． P M钢分别提高 3 5 ． 8 ％、 1 4 ． 2 ％和 2 5 ． 7 ％。 3 ． 4可加 工性 3 ． 4 ． 1 可机加工成形性 表 4为各类粉末冶金钢的供货硬度 。与硬质合 金相 比， 硬质合金一旦成形后会 因为硬度已经达到 使用状态的最高值 ， 所 以就不 可以进行切削类冷加 工了； 而粉末冶金钢的供货状态硬度均在切削类冷 加工所要求的硬度范 围内， 因此可按照任意设计尺 寸进行机加工 ， 具有极佳的可机加工成形性 。 表 4 各 类粉末冶金钢 的供货硬度 Ta b l e 4 De l i v e r e d h a r d n e s s o f PM s t e e ls 牌号 供货硬度／ H B牌号 供货硬度／ HB牌号 供货硬度／ H B 3 ． 4 ． 2 抛光性能 一 般说 ， 钢的抛光性能与其夹杂物含量 、 气体含 量、 显微组织及硬度和均匀性有关。当夹杂物含量 过高时， 抛光后的表面会 出现因夹杂物脱落或夹杂 物太软和太硬而引起 的表面突 出或 凹陷， 使表面光 洁度降低 。气体含量过高则导致气孔或缩 松缺 陷， 引起钢基体出现凹坑， 降低表面光洁度。显微组织 不均匀会引起硬度不均匀 ， 在碳化物 聚集部位硬度 高， 易产生浮凸， 其他部位则 凹陷， 严重偏析 的钢抛 光后肉眼便可观察到树枝状浮凸， 致使表面光洁度 严重下降。粉末钢纯 洁度高 ， 无偏析， 各向同性 ， 使 粉末钢的硬度更高且极为均匀 ， 因此具有最佳的抛 光性能。粉末高速钢 的抛光表面具有镜 面效果 ， 而 传统高速钢的抛光表面易出现方 向性浮凸， 这与碳 化物方向性偏析有关。粉末塑料模具钢具有极佳 的 镜面抛光性能 ， 因此大大减小了塑料挤出时的摩擦 力 。 3 ． 5耐腐 蚀性 众所周知 ， 金属的腐蚀以点蚀最为严重 ， 而点蚀 主要与夹杂物数量、 气体含量和组织 的均匀性有关。 夹杂物数量和气体含量越低且组织越均匀 ， 则钢的 抗点蚀性能越高。因此粉末冶金塑料模具钢具有极 佳的耐腐蚀性能 。 3 ． 6可热处理性 表 5为各类粉末冶金钢的主要热处理工艺参数 和要求。从表中可 以看到， 粉末钢 的淬火温度大都 不超过 1 2 0 0 o C， 上限为 1 2 5 0℃， 实际的处理温度 普遍在 1 1 3 0～1 2 0 0℃左右 ， 较普通高速钢明显降 低 。这大大降低 了对设备的要求 ， 减小了设备损耗， 可为用户节能降耗。对加热设备和冷却方式也没有 很高要求 ， 国内现有的设备均能使用。当然 ， 为了获 得更高和更稳定的产 品质量 ， 建议尽可能地采用真 空高压气淬或油淬， 尤其是真空高压气淬。当采用 真空高压气淬热处理设备时， 粉末钢 的淬火 温度可 进一步降低 1 0～ 2 O c C， 如 2 9 0钢从 1 1 5 5℃淬火 ， 硬度达到 6 8～7 0 H R C 。因此钢处理后的晶粒会 明 显减小 ， 热处理 畸变进一步降低 ， 韧性则大大提高。 总体来讲 ， 由于粉末钢各向同性 ， 因此热处理畸变在 各个方向一致 ， 避免了传统高速钢因碳化物方向性 偏析导致 的某个方向畸变过大 的问题 ， 使粉末钢 的 总的热处理畸变相对传统高合金钢小得多。真空气 淬的热处理畸变量约为盐浴炉的 1 ／ 6左右。 表 5 各类粉末冶金钢的主要热处理工艺参数、 加热设备和冷却介质 T a b l e 5 He a t t r e a t me n t p r o c e s s p a r a me t e r s， h e i n g e q u i p me n t s a n d q u e n c h a n t s f o r PM s t e e l s 4 粉末冶金工模具钢的用途 见表 6 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 2期 表 6 粉 末冶金工模具钢 的用途 T a b l e 6 Ap p l i c a t io n s o f PM s t e e ls 粉末钢种类 应用范围 粉末高速钢 粉末塑料模具钢 粉末冷作工模具钢 成型铣刀， 滚刀， 铣刀， 各种拉刀 ， 机用丝锥， 麻花钻， 雕镂工具 ， 铰刀， 带锯用双金属钢带刀具。极大 压力下使用的精密冲头和冲模。纤维织物切刀 如卫生巾刀具 。 高耐腐蚀性与高磨耗性 的塑料模具 ， 弹性 塑料模具 ， 电子工业芯 片模 具 ， 注 塑机挤 出螺杆 ， 单 向阀 ， 射 出缸 内衬 ， 切 削类器具 和刀具 。 精密落料刀具， 冲孔和冲压工具 ， 剪刀， 挤压工具， 拉伸工具 ， 滚丝 ， 冷轧辊， 皮尔格管冷轧心轴， 冷墩 锻模， 粉末压制成型， 温锻， 木工工具。塑料加工业 挤出机缸筒和挤出螺杆， 镶块， 射出口部件， 回流 阀， 陶瓷 和制药用压模 。 从表 6可知 ， 不 同类型粉末钢 的用途是互相重 叠的。粉末高速钢也可作为冷作工具 钢使用 ， 如冲 头 、 冲模和刀片； 粉末塑料模具钢可用作冷作工具的 刀具 ； 粉末冷作工模具钢也可以用作塑料模具及零 部件如挤 出螺杆等。 5 结束语 1 粉末钢在发达 国家 的大量应 用， 一方面是 由于工模具消耗数量和总费用的降低 ； 其次 ， 生产效 率的提高给制造方带来了更高的效益 ； 第 三， 是为了 产品质量提升的需要 ， 如落料 、 冲切料 、 切削表面和 切割料的尺寸公差、 平面度 、 边缘的齐整性和材料 的 利用率均大幅度提高 ， 使产品外观质量提高 ， 加工余 量减少， 材料费用降低 ， 从而提高了产品的竞争力 。 2 由于第三代粉末冶金钢 mi c r o c l e a n 仅仅是 2 1 世纪初才开发成功并达到成熟 的程度 ， 发达 国家 从第一代、 第二代至第三代粉末钢 的研制 和开发至 少经历 了近 4 0年的时间， 这样的开发是在高度市场 化竞争下完成 的， 管理和技术高度现代化 ， 集中了大 量的高精尖人才 ， 产 品成熟前经过 了大量 的预研 过 程 ， 所以第三代粉末冶金钢绝对是 高科技产 品。而 我国在粉末钢方面还是空 白， 笔者认为至少落后 国 外 5 0年。我国作为钢铁大国， 必须拥有 自己的粉末 钢加工制造技术。应利用我国钨资源丰富这一优势 条件 ， 尽快开发 出属于 自己知识产权的粉末 冶金钨 系高速钢 ， 以填补我 国在粉末冶金钢方面的空 白。 3 由于粉末冶金钢 刚进 入我 国几年 ， 国 内用 户对粉末钢的性能和热处理工艺还太缺乏 了解 ， 很 容易导致盲 目采购和加工 ， 致使粉末钢的初 次使用 即出现严重的断裂等问题 。因此 ， 初次使用粉末钢 时必须首先参照大量的资料和咨询。其次 ， 先进行 几批小批量的试制 以摸索最佳工艺， 绝不能因一次 试制的失败而全盘 否定 。第 三， 由于粉末钢价格 昂 贵 ， 同时其韧性远低于普通钢 ， 所以搬运过程 中要十 分小心 ， 即使 轻微 的碰撞 也要避免 ， 以防碰 伤。第 四， 真空热处理要预防平面接触黏着 ， 可采用喷涂氮 化硼喷雾剂的方法预防。 参考文献 [ 1 ] 粉末冶金高速钢特性及优点 [ E B O L ] ．中国粉末冶金 网， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 陈顺民， 张庆， 等． 粉末冶金高速钢的特性、 热处理工艺及应 用 [ J ] ． 热处理 ， 2 0 0 8， 2 3 2 1 4 1 6 ． [ 3 ] 第一机械工业部上海材料研究所和上海工具厂． 工具钢金 相图 谱[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 7 9 1 6 0 ． [ 4 ] 最新 的第三代粉末冶金高速钢[ E B O L ] ． 互联网 ， 2 0 0 6 ． 上海第二期热处理工程师培训班开学 国家材料热处理工程师 见习 资格认证考试培训班上海第二期已于 2 0 1 0年 2月 2 7日开学 ， 参加培训 班的学员 3 0 余名。本期培训班以 材料热处理工程师资格考试指导书 和 热处理工艺学 为主要教材， 内 容包括工程材料 、 热处理工艺 、 热处理设备和热处理质量控制与检测等 4部分 ， 共授课 7 0多学时 ， 计划在 4 月 中旬举行考试 ， 考试合格者将授于中国机械工程学会颁发 的资格证书。 上海市热处理学会王月华 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 2期 5