粉末冶金综述.docx

热制造学基础第 8 页 粉末冶金高速钢的研究及应用 摘要高速工具钢被广泛应用于机械加工行业的刀具、加工成型的模具以及一些要求高耐磨或耐高温的零部件上。粉末冶金高速钢具有独特的优势，本文主要介绍了粉末冶金的工艺，粉末冶金高速钢的生产流程和工艺比较，粉末冶金高速钢的应用。关键词：高速钢 ，粉末冶金，PH MSS 1. 引言随着汽车、航天、航空、军工、信息技术产业及机械制造业的迅速发展，对切削刀具有越来越高的要求，为此开发用于刀具制造的优质材料就非常重要。高速钢作为机械加工最常使用的一种工具材料，在钢铁材料尤其是特殊钢中占有非常重要的位置。高速钢具有高达63-67HRC的硬度，并且在550-600时仍可保持60HRC以上的硬度、耐磨性和耐热性，因此被广泛应用于机械加工行业的刀具、加工成型的模具以及一些要求高耐磨或耐高温的零部件上1。高速工具钢属于高碳高合金莱氏体钢，采用传统的冶炼、铸锭、锻轧等生产工艺容易产生碳化物偏析，碳化物尺寸为2-12m,严重影响其使用寿命的进一步提高2。20世纪60年代后，粉末冶金高速钢逐步兴起，粉末冶金是节材、节能、高效、环境友好、适合大批量生产的金属成形工艺。粉末冶金法避免了熔炼法所带来的碳化物偏析而引起的机械性能的降低和热处理变形，在一定程度上能够提高速钢的强度和韧性，因而使高速钢的使用寿命得以提高。采用粉末冶金的方法，使得碳化物组织不受高速钢钢材尺寸的影响，最大尺寸的碳化物一般为3-4m，通常低于2m。随着粉末冶金技术和先进设备的快速发展，粉末高速钢中不存在碳化物偏析，合金元素充分溶解到基体中，从而提高了高速钢的性能。 2. 粉末冶金工艺简介粉末冶金工艺的主要组成是粉末的制取原料粉末的配料和混合成形固结。可以根据对材料性能的要求和零件使用性能，在很宽的范围内组合材料成分。主要的粉末冶金产业是铁基机械零件。基于其工艺特点，还可制备高熔点金属，如钨、钼等;金属陶瓷材料，如硬质合金、镍基高温材料等;假合金，如钨铜、铜石墨等;多孔材料，如含油轴承、过滤材料、固液气分离材料等;多组元特殊材料，如摩擦材料、金刚石工具超硬材料等;微观或宏观复合材料，如颗粒弥散材料、磁粉芯、纤维(或晶须)增强材料、梯度材料、多层复合材料等。这些特殊材料只能用粉末冶金工艺制备和生产，完全超越了传统熔炼铸造热变形机加工生产的可能性3。用粉末冶金方法生产出的高速钢就叫粉末冶金高速钢，简称粉末高速钢。将高温融化的液态高速钢，采用高压气体或液体极冷雾化造粒而得到细小的高速钢粉末。由于冷却速度极高，液态高速钢中的碳化物来不及析出，从而使得粉末内部几乎不存在碳化物的偏析。雾化后的高速钢粉末经过合适的致密化加工，就可以得到性能优异、组织均匀的粉末高速钢毛坯。图1表示传统高速钢W 18Cr4V和粉末冶金高速钢S390的退火态显微组织。W18Cr4V碳化物颗粒粗大不均匀，而S390碳化物十分细小，呈弥散均匀分布1。由图1可以看出，粉末高速钢组织均匀，碳化物颗粒细小无偏析。粉末高速钢具有很好的力学性能和优异的可加工性，同时还能融入更多的合金元素，使其在高速钢中占有举足轻重的地位。图1退火态显微组织：（a）传统高速钢W18CrV (b) 粉末高速钢S390粉末冶金高速钢具有以下几点技术优势4：(1)粉末冶金法生产高速钢避免了偏析的发生。用于直接混合的原始粉末具有颗粒细小和高纯度的特点，可抑制晶粒和碳化物的聚集与长大。(2)采用粉末冶金的方法可以使高速钢中溶入更多量的合金元素，从而使奥氏体基体中溶解更多的合金碳化物，提高了硬度和耐磨性等。(3)粉末冶金是一种近净成型工艺，切削量少，可提高材料利用率。在对使用性能要求较低时，部分烧结后的高速钢可直接投入使用，可提高生产效率。2.1 粉末冶金中粉末的成形成形是使粉末在钢制压模内压实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度坯块的工艺过程。本文中以不锈钢粉末成形为例介绍粉末冶金的成形工艺。不锈钢属于高合金钢，其粉末颗粒较硬且压缩性较差，因而成形时需要较高的压力，其压制压力一般在500-800MPa左右。在试样的压制过程中，为了改善压制性能，常在不锈钢预合金粉中加入润滑剂，其主要作用是减缓压制过程中粉末之间及粉末与模壁之间的摩擦、减小脱模压力和提高压坯密度5。室温模压成形因压制压力过高，对压力机及模具的要求较高，且烧结后的制品弹性后效严重、密度低，且只能制各形状简单的零件。为了满足工业应用对粉末冶金材料致密度和力学性能提出的更高要求，一系列高致密化的成形工艺相继被开发出来，如温压成形、金属注射成形和凝胶注模成形等，它们可以明显改善不锈钢的密度，使其力学性能和耐腐蚀性能也得到较大提高，从而较大促进了不锈钢粉末成形技术的发展，以下分别对其进行介绍。(1)温压成形(Warm Compaction)温压成形(Warm Compaction)是将粉末和特殊的润滑剂混合并加热至一定温度，然后在加热的模具内压制成形，它因能生产密度高、性能好的粉末冶金零件而倍受重视。相比于冷压成形，温压成形可以用较低的压制压力获得较高的压坯密度和强度，分别可提高0.15-0.3 g/cm3和50-100%，且可降低弹性后效4。(2)金属注射成形(Metal Injection Molding, MIM)金属注射成形(Metal Injection Molding, MIM)是一种接近净成形的粉末冶金技术，它是将金属粉末或预合金粉末与有机粘结剂按一定比例并在一定工艺条件下混合成均匀的粘弹性体，经注射机注射成形，然后脱除粘结剂，最后烧结成高性能的粉末冶金制品。它适于生产形状复杂的零件，其生产的不锈钢零件尺寸精度可达0.3%-0.5%。同时，它能够克服常规模压成形-烧结制品密度低、力学性能差的缺点，其烧结密度可达理论密度的95%一99.5%，抗拉强度可达500MPa以上，延伸率可达45%以上6。(3)凝胶注模成形(Gel Casting) 用传统模压成形制备的不锈钢制品因孔隙度高使其力学、耐蚀和表观等性能均较差，且只限于生产形状简单的零件，而金属注射成形虽能使不锈钢零件达到净成形，但很难实现大尺寸且形状复杂零件的制备。凝胶注模成形技术(Gel Casting)是一种继注浆成形和注射成形之后发展起来的又一种近净尺寸成形技术，它是采用高分了化学单体通过聚合的方式而将其应用于粉体材料的成形，即通过制备黏度低、固相含量较高的浓悬浮体后，则可制备出各种形状复杂的零部件，从而获得高强度且有较好均匀性的坯体7。2.2 粉末冶金中粉末的烧结烧结是粉末冶金工艺中重要的一部分，本文主要以不锈钢粉末烧结为例进行介绍。烧结是粉末冶金制备不锈钢最重要的环节之一，它对不锈钢烧结体的显微组织结构及其最终性能起着决定性作用。不锈钢粉末颗粒的烧结是物理、化学、物理化学和物理冶金等多种因素相互作用的复杂过程，其理论研究主要包括烧结的驱动力(热力学)和烧结机构(动力学)两个最基本问题。不锈钢粉末的烧结过程，按时间大致可分为三个阶段，如图2所示。当粉末作规则堆积并加热至0.4T熔(T熔为不锈钢的熔点)时，由于原了热振动振幅的增加，颗粒接触处许多原子开始离开初始晶格阵点发生扩散，形成了颗粒问的初始金属结合(图2(a);当烧结温度升高到0.5T熔时，粉末颗粒凸出处自由表面上的原子开始向邻近粉末颗粒的接触区迁移，形成烧结颈(图2(b);随着烧结的进行，烧结颈长大，孔隙开始球化并缩小，使烧结体密度提高、强度增加(图2（c）、（d）)。图2 不锈钢球形粉末颗粒烧结模型5（a） 烧结前颗粒的原始接触 （b）烧结早期的烧结颈长大（c, d）烧结后期的孔隙球化在粉末冶金法制备不锈钢的烧结技术中，真空/气氛烧结是最常用的烧结方法。在烧结过程中，选择真空、还原性或惰性保护气氛是为了避免氧化、脱碳、渗碳等反应的发生，保护气氛除了可以控制压坯与环境之问的化学反应外，还可以排除润滑剂的分解产物。目前，基于粉末冶金技术制备不锈钢的烧结方法还有压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结和激光烧结等8。（1）压力烧结压力烧结是指在对粉末压坯加热的同时对其施加压力的烧结过程，其物质的迁移可以通过位错滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成。它可比常压烧结获得晶粒更细、更致密的烧结体，人们常用热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)、低压热等静压烧结制备高性能的不锈钢9。(2)放电等离了烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)放电等离了烧结是一种新型的烧结技术，它是直接将直流电流施加于样品上加热，具有很高的升温和烧结速率，它可以保证粉末在短时间内实现快速烧结的同时获得细小、均匀的组织。(3)微波烧结(Microwave Sintering)微波烧结是利用微波电磁场中材料的介质损耗使烧结体整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术。在烧结过程中，微波烧结可以快速跳过表面扩散阶段，使晶粒来不及长大就完成致密化过程并快速冷却，因而它对于控制烧结过程中晶粒的长大是一种比较有效的方法。(4)选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)选择性激光烧结是20世纪80年代后期发展起来的一种新型快速成形(Rapid Prototyping, RP)技术，它是将三维数值模型分解成一系列二维层片结构后由计算机控制激光束移动，在逐层烧结的粉末上建构三维实体的RP技术。SLS作为一种新型的粉末冶金成形技术，在继承了常规粉末冶金工艺的优点之外，其最大的特点就是白由成形，无需模压过程，有效地弥补了从产品设计试验到大批量生产的环节，使得产品开发时问大大缩短。作为SLS技术的一个重要分支，直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)技术能直接制造任意儿何形状的金属零件，也日益受到人们的广泛重视。3. 粉末冶金高速钢的制备工艺粉末冶金高速钢的制备流程如图3所示2。经过电弧炉或感应熔炼炉熔化的钢液在中间包中通过喷嘴喷入到高压氮气流中，被迅速雾化冷却成细小的颗粒。将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，然后焊合钢桶。采用热等静压(HIP)技术在高温高压下将钢桶中的钢粉压制成形，从而可生产出致密度几乎为100%的粉末冶金高速钢（以下简写为PM HHS）坯料，然后接下来再经锻造或轧制成坯材。由于钢液在喷雾制粉过程中的冷却速度十分快，避免了普通高速钢在铸锭凝固过程中会产生的许多缺陷，雾化的小滴钢液中碳化物来不及聚集长大成团块状，因此碳化物颗粒细小而均匀，这样就自然地提高了钢的强度和韧性2。 图3 粉末冶金高速钢制备流程图自上世纪70年代美国Crucible厂和瑞典Stora厂相继工业化生产第一代的PM HHS以来，制造设备和生产工艺经不断改进，目前已有三代粉末冶金高速钢问世，即使是化学成分相同的第一代、第二代和第三代PM HSS, 其性能也有很大不同，表1位三代PM HSS比较。表1 三代粉末冶金高速钢的对比54. 粉末冶金高速钢的应用粉末冶金高速钢中加入的大量W, Mo ,Cr ,V, Co等元素与碳形成合金碳化物，从而提高了钢材性能。其中，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，使高速钢具有明显的二次硬化效果，红硬性大大提高; V是强的碳化物形成元素，VC呈细小弥散析出，提高了钢的耐磨性，因此，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4比较了粉末冶金高速钢和工具钢D2刀具的使用费用，粉末冶金高速钢刀具在生产达6万件产品时费用仍保持低水平，而D2刀具在生产同样数量产品时需要多次重磨和更新，总费用远高于粉末冶金高速钢刀具。因而，粉末冶金高速钢常应用于使用量大，容易碎裂的部件，能起到显著降低工具费用的作用。目前，粉末冶金高速钢在一些高要求的新领域内，如齿轮切削工具等，已得到了广泛应用。粉末冶金高速钢可作加工钦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。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2一倍)，在冲击负荷大的切削场合又可替代硬质合金刀具。因此，随着数控机床、中硬材料切削及高强的大量应用，粉末冶金高速钢越来越受到人们的关注。图4 刀具总费用随刀具数量的变化55. 总结粉末冶金高速钢的独特优势使其成为人们比较重视的发展方向。本文对粉末冶金的工艺方法，粉末冶金高速钢的研究现状进行了评述，讨论了粉末冶金高速钢的制备和生产工艺，介绍了粉末冶金高速钢的应用现状。到目前为止，粉末冶金高速钢的化学成分大部分是在原高速钢的基础上配制的，极少有特殊变化。热处理规律不完整，尤其是采用真空热处理技术研究粉末冶金高速钢较少，因此，在粉末冶金高速钢方面，还有许多工作有待人们去研究探究。参考文献1张丹. 粉末冶金高速钢的固