粉末高速钢的应用与推广

一、粉末高速钢的生产与优点

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。传统冶炼制造通常又分为二次精炼（EAF+LF+VD）或电渣重熔（ESR）两类，上述方法中由于金属液缓慢冷却，造成合金的不均匀偏析和合金碳化物的粗大，从而影响到高速钢的性能。虽然后续的热作处理可改变及细化钢锭的铸造组织，减低不良影响，但却无法消除原有的铸造组织，因而对物理及机械性质有负面的影响。为改善传统高速钢的质量，特别是希望大直径高速钢碳化物颗粒尺寸能够细小且分布均匀，阻止偏析产生，使得横向及纵向的机械性质匀一无差别。1965年，美国开始发展合金粉末制程以满足这种需要,熔炉斯伯公司（Crucible）率先生产出一种组织均匀无方向性的钢种。发展至今,粉末冶金制程已成为当今制造高性能工具钢的主要方法。此制程主要原理是将已调配好合金成份的高温熔融钢液，在流出时加以高压氮气雾化，使其快速凝固成均匀的粉末颗料，然后经过筛选并充填到已抽真空且密封的圆柱形钢瓶中，进行热均压（HIP），使钢瓶内的颗粒成为完全密实的材料，再直接经由传统锻造、辊轧成不同形状产品，如：圆棒、板材、片材和线材，以供工业界使用。

粉末高速钢在实际应用中的主要优点有：

1．磨削性好
2．热处理变形小及良好的硬度均匀性
3．韧性高
4．良好的耐磨性
5．使用寿命长且稳定

由于生产粉末高速钢具有较高的技术要求，目前全世界粉末高速钢的生产厂家并不多，主要集中在美国、欧洲及日本，具有代表性的有美国熔炉斯伯（Crucible）,欧洲（ASSAB、Soderfors、Erasteel、Bohler、DSS、Ca r penter），日本（Hitachi、Daido、Nachi、Kobe）。中国目前没有实际商业化生产粉末高速钢的工厂或者公司，全部材料由国外进口。因此，在多数中国用户的印象中，粉末高速钢只是个模糊的概念，只知它代表一种性能优良且价格很贵的高级高速钢。其它的了解及如何应用并不清楚。由于粉末高速钢品种牌号相当多，笔者仅就美国熔炉斯伯（Crucible）较常用到的四类钢种做说明，提供广大使用客户参考及选择。

美国熔炉斯伯公司（Crucible）,又称:“坩埚钢”公司,是北美地区最大的工具钢生产商和供应商,该公司首创著名的CPM工艺粉末冶金工具钢,产品享誉美国及欧洲,是国际公认的顶级工模具制造材料。

二、高速钢工具钢的分类与性质比较

选择合适的高速钢作为切削工具及模具时，有三项重要的性质是必须慎重考虑的，它们分别是耐磨性、韧性及高温硬度，以传统M2为基础，从合金元素的角度来看，三个主要发展方向是：

（1）提高钒（V）含量，以增加耐磨性
（2）提高钴（Co）含量，以提高红硬性
（3）同时提高钒及钴的含量，而兼顾耐磨性及红硬性四种粉末高速钢与传统高速钢进行比较后的说明情况见下表。

① CPM M4

CPM M4是目前使用较多的粉末高速钢，它的性能和化学成份类似于ASP23 ,是目前高速钢中韧性很好，同时又有极佳耐磨性的钢种。一般来说，高速钢的耐磨性会随着总合金成份和最高硬度增加而提高，而韧性则会随合金量的增加而降低，因此才会在传统高速钢M 2的基础上改进。CPM M4耐磨性的好坏取决于热处理后的硬度以及碳化物的形成，CPM M4在M2中增加碳及钒，提高耐磨耗性；同时在考虑韧性的前提下，使用粉末冶金制程改善韧性，使CPM M4的韧性高于传统M2高速钢，根据统计其韧性约为传统高速钢的2-3倍，耐磨性亦为3-5倍。它使用范围颇为广泛，适用于各种冲压模、嵌入模、粉末成型模以及刀具中之拉刀、铣刀、丝攻、剪切刀，任何需耐磨或强韧性的零件均可适用。综合上述两项性质，CPM M4是目前市场上最通用与最佳性能的高速优质钢。使用硬度上则因不同行业而有所不同，视生产需要而定，硬度一般在HRC 60-66之间最为合适。

① CPM M4

CPM M4是目前使用较多的粉末高速钢，它的性能和化学成份类似于ASP23 ,是目前高速钢中韧性很好，同时又有极佳耐磨性的钢种。一般来说，高速钢的耐磨性会随着总合金成份和最高硬度增加而提高，而韧性则会随合金量的增加而降低，因此才会在传统高速钢M 2的基础上改进。CPM M4耐磨性的好坏取决于热处理后的硬度以及碳化物的形成，CPM M4在M2中增加碳及钒，提高耐磨耗性；同时在考虑韧性的前提下，使用粉末冶金制程改善韧性，使CPM M4的韧性高于传统M2高速钢，根据统计其韧性约为传统高速钢的2-3倍，耐磨性亦为3-5倍。它使用范围颇为广泛，适用于各种冲压模、嵌入模、粉末成型模以及刀具中之拉刀、铣刀、丝攻、剪切刀，任何需耐磨或强韧性的零件均可适用。综合上述两项性质，CPM M4是目前市场上最通用与最佳性能的高速优质钢。使用硬度上则因不同行业而有所不同，视生产需要而定，硬度一般在HRC 60-66之间最为合适。

③ CPM 10V

CPM 10V在国内熟悉程度较低，但在欧美国家特别是美国却被广泛应用，其中最具特色的性质就是它的高耐磨性。磨耗测试的实验数据,将CPM 10V与其它几种高速钢的相比,值得一提的是由于CPM 10V含有接近10%之钒成份，因此产生最具耐磨性VC碳化物，所以虽然硬度只有HRC60左右，但仍比CPM T15 ( HRC67 )有更好的耐磨性并不需要处理到更高硬度就可以达到增强耐磨性的目的。这主要是和碳化物形式及数量有关。

一般来说CPM 10V耐磨性是传统高速钢的7-10倍。对用于取代碳化钨和其它要求高耐磨性材料是最佳的选择；特别是用在切刀片、粉碎机叶片、剪断及剪切之刀口、粉末成型模具及其它要求耐磨之零件。一般建议使用硬度为HRC 60-62。CPM10V主要是靠碳化物形成增加耐磨性，但有时候在使用时，需要更高的硬度以抵抗不正常之粗粒磨损现象或是需要有更好的抗压强度时，我们会建议使用来CPM T15代替。

④CPM 3V

CPM 3V是熔炉斯伯公司采用粉末冶金工艺生产的一种新型工具钢,耐磨性高且解决了工模具的“崩角”及“断裂”等问题。CPM 3V的韧性明显高于D2以及CPM M4,接近S7耐冲击钢的水平。如果表面进行涂层,会获得更优异的耐磨性、硬度和热稳定性。在HRC 58-60硬度的范围内使用。CPM 3V一般用来制作冲压成型工具、冲孔凹模及凸模、工业刀片及剪切刀、精冲及冷冲工具。