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高速钢制备的研究报告吴亮亮（南通大学机械工程学院1210012079）【摘要】本文综述了高速钢的发展过程，探究高速钢的主要制备工艺和生产工艺技术的进展以及性能。关键词:高速钢制备工艺技术发展【Abstract】Researchaboutthedevelopmentofhighspeedsteels,anditsmainlymanufacturemethod,progressofproductiontechnologyandperformance.Key:HighspeedsteelsManufacturemethodTechnologydevelopment引言高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。生产高速钢除了熔炼方法外，还有粉末冶金高速钢。[1]1高速钢的制备方法发展高速钢的制造方法有两种,一为传统的钢锭浇铸,另一种则为利用粉末冶金方法制造[2]。传统高速钢通过电弧炉或感应熔炼炉熔炼,并添加所需或不足的合金原料后,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,从钢液中析出大量的合金碳化物,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,直接影响到钢的力学性能,特别是使钢的韧性降低。虽然通过后续的锻打和轧制等,可达到一定的变形比率,但是无法消除原先的铸造组织中的缺陷,因而对物理及力学性质有负面的影响.[3]而粉末冶金制备高速钢很好的解决了这一问题，它从材质上根本性地解决了普通铸锻高速钢的碳化物偏析,晶粒粗大等问题,而且可以在钢中添加大量合金元素。因此,材料强韧性极大提高,显著提高了刀具的性能和使用寿命,非常适合用于切削冲击大和金属切除率高的加工场合。[4]2粉末冶金高速钢的特性、优点及应用粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均为1级，碳化物晶粒尺寸在2～3μm以下。因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出20～50％。它适用于制造承受冲击载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高11.5HRC，高温硬度(550℃～600℃)提高尤为显著，故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高。由于碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含钒5％时其可磨削性能相当含钒2％的熔炼高速钢，故粉冶高速钢中允许适当提高钒含量，且便于制造刃型复杂的刀具。粉冶高速钢的热处理变形亦较小[5]。粉末冶金高速钢由于具有偏析少、碳化物细化均匀、热处理变形小、热塑性高、可磨性好和便于制造刃形复杂刀具等特点,因而近年来用比例逐渐增大,特别是用于制造大尺寸的复杂刀具,例如齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀和拉刀等,以及切削难加工材料的刀具。据报道,在欧洲25%一50%的齿轮滚刀均采用粉末冶金高速钢制造。[6]3粉末冶金高速钢的制备方法粉末冶金钢于20世纪60年代在国外开发成功，在20世纪70年代投入使用［7］，至1999年研发成功第三代粉末冶金高速钢第一代第三代粉末钢均采用浇口盘技术第一代粉末高速钢于1972年生产，浇口盘形状如图2所示图2表明，浇口盘内无钢水加热和搅拌装置，下部有一个喷口，钢水经电炉冶炼后倒入该浇口盘而未经过进一步的净化处理，说明第一代粉末钢的夹杂物含量仅为普通钢的水平或炉外精炼钢的水平，质量较差图3为第二代粉末钢浇口盘形状示意图，于1991年开发，在浇口盘内有两个加热电极用来加热钢水(黄色部分)和钢水上部的电渣液(红色部分)，在浇口盘底的中部设有氩气通入孔，当氩气由此吹入钢液并上浮时导致杂质也随之上浮，并进入钢水最上面的电渣液层被电渣液吸收从而进一步净化钢水第二代粉末钢的夹杂物含量比第一代粉末钢降低了90%然而，该设计有个缺陷，就是氩气只能从浇口盘的底部中心孔吹入，上浮氩气易于集中于浇口盘的中心区域，钢水不能被更充分地净化至1999年，浇口盘技术(见图4)又有了新的突破，采用电磁搅拌使钢水能与电渣液充分接触，因此钢水中的杂质能被电渣液充分吸收，使粉末钢的夹杂物含量又比第二代降低了90%左右，这就是第三代粉末钢。[8]4高速钢制备技术的发展[9]4.1热等静压法热等静压法(HIP)技术[10]生产PMHSS工艺是利用氮气雾化制取高速钢粉末，然后将粉末装入钢包套经脱气密封成为粉锭经热等静压机压实成与粉末成分相同相对密度接近l00的粉末冶金高速钢锭(材)，其基本工艺流程是气体雾化法-粉末-配料装套-热等静压PMHSS。[11]4.2模压烧结技术这是一种传统的粉末冶金制品生广方法。该方法采用水雾化法制粉，制得的粉末经筛选分级、还原退火，用冷模压制成形然后在保护气氛或真空条件下烧结致密化，生产出接近最终形状的粉末冶金高速钢预形坯[12]。其工艺流程是水雾化法-粉末-退火-冷压成形-烧结-PMHSS。水雾化粉末的冷凝速度比气雾化快，颗粒呈不规则形状，故其压坯具有良好的保形能力，但氧含量偏高。这种粉末用冷压成形，经过烧结达到致密化，其技术关键在于粉末的脱氧处理和烧结温度的合理选择及控制。烧结温度低则达不到高的致密度温度过高又会引起颗粒界熔化过量，碳化物颗粒长大及晶粒粗化因此适宜的温度范围很窄难以准确控制[13]。4.3喷射成形技术该技术的基本原理是：采用高压惰性气体将金属液流雾化成细小弥散的熔滴，熔滴在高速气体的作用下冷却成过冷态，将这些过冷熔滴在完全凝固前沉积到具有一定形状的收集器上，通过改变熔滴射流，沉积器的相对位置和沉积器的形状及运动形式可以得到锭(柱)、管(环)、板(带)等各种形状的半成品坯件[14]其工艺示意图如图1所示喷射成形工艺具有能制备偏析小颗粒细小致密度高的材料简化工艺降低成本等的优点。5结论语(1)粉末冶金高速钢技术已进入成熟阶段，已开发出了第三代粉末冶金高速钢，其夹杂物含量相当于电渣重熔钢的水平，几乎无疏松、孔隙，均质无偏析，晶粒极为细小。(2)国内高速钢的冶炼技术还远落后于发达国家，必须扩大真空炉外精炼和电渣重熔技术的应用和提高控制技术水平，以缩小与国外的差距。参考文献[1]DevelopmentofcentrifugalcastinghighspeedsteelsrollsHanguangFu,AiminZhao,andJiandongXing[2]钢铁研究总院结构材料研究所.钢的微观组织图像精选[M].冶金工业出版社,2009.[3]世界粉末冶金高速钢的研究和生产现状.材料研究李响妹,卢军,王琦,朱祖昌[4]粉末冶金高速钢的组织和性能研究闫来成，卢广锋，孟令兵，金成海[5]粉末冶金高速钢特性[6]高速钢刀具材料的发展与应用叶伟昌郑良红叶毅江苏淮阴工业专科学校[7]末冶金高速钢特性及优点［EB/OL］．[8]S系列高速钢种类及特性浅谈董加坤，朱祖昌[9]粉末高速钢的研究进展闫建新,李在元[10]热等静压高速钢复合轧辊的特点和性能[J].江苏冶金曾巍.[11]邓玉昆陈景榕王世章等.高速工具钢[M].北京冶金工业出版社2002[12]TrabadeloV,GimenezSandIturrizaI.MicrostructuralcharacterizationofvacuumsinteredT42powdermetallurgyhigh-speedsteelafterheattreatments[J].MaterialsScienceandEngineering,2009,499(1-2)360[13]GimenezS,ZubizarretaC,TrabadeloVandIturrizaI.SinteringbehaviorandmicrostructuredevelopmentofT42powdermetallurgyhighspeedsteelunderdifferentprocessingconditions[J].MaterialsScienceandEngineering,2008,480(1-2)130.[14]颜飞徐洲史海生樊俊飞.喷射成形技术及其在钢铁材料上的应用[J].材料导报2007,21(3)90-93