粉末高速钢的研究进展_闫建新

法（雾化法制粉）在实验室制成高速钢的研究。 研究 细小甚至达到纳米级，使高速钢的硬度、耐磨性和易
表明， 用这种方法制成的高速钢其显微组织要比一 切削等物理性能都有了显著的提高， 克服了超硬材
般熔炼的钢材好，制成钻头的使用寿命长。 PM HSS 料的难加工或不可加工性，在加工铁基高温合金、钛
尽管具有产业化的希望， 可惜当时只能停留在研究 合金、超高强钢等难加工材料时发挥了重要的作用。
是高速钢中的上品，它的特点在于无论尺寸大小和形 状如何，粉末高速钢材均具有碳化物颗粒细小、夹杂 物含量少、分布均匀等的显微组织特点，使高速钢的 抗弯强度、硬度和切削性能得到显著提高[2-3]。 近年全 世界 PM HSS 的年产量约 1 万吨， 西方工业发达国 家约占高速钢总产量的 1/6。 我国在上世纪 80 年代 初，已有几个科研院所研制成功了 PM HSS，但由于 用户认识不够、机械工业不够景气、价格昂贵和质量
作 者 简 介 ：闫 建 新 ，男(1985-) ，主 要 从 事 不 锈 钢 研 究 。 通信联系人简介:李在元，男(1964-)，主要从事冶金与材料物理化学研究，E-mail: lizy@ smm. ueu. edu. cn
第 27 卷
闫建新 李在元：粉末高速钢的研究进展
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不够稳定等原因， 导致 PM HSS 的发展几乎完全停 性、红硬性、可加工性等方面均优异于常规铸、轧、锻
90 年 代 之 后 世 界 PM HSS 的 科 研 和 生 产 发 展
佼 者 [4-6]。
势头十分迅猛，随着冶金、机械等行业对切削刀具的
性能与寿命要求的日益苛刻以及市场需求量的增
1 PM HSS 的发展历程
加，高速工具钢粉末的制备方法也日趋成熟。在一些
关 键 工 艺 和 设 备 上 都 有 了 新 的 突 破 ，PM HSS 实 现
刀具在许多场合受到了限制。 此时，PM HSS 受到了 ASP2080 等)[11]，表 1 为 PM HSS 主要牌号及成分范围。
各行业的瞩目。 70 年代初至 80 年代，瑞典、美国、日
经过近半个世纪的发展， 粉末高速钢的生产已
本和苏联等国相继用氮气雾化-热等静压工艺成功 逐步积累了很多经验，其制粉、成形以及烧结等技术
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硬质合金
第 27 卷
ห้องสมุดไป่ตู้
Crucible 厂和瑞典 Stora 厂（现属法国 Erasteel 公司) 相继投产，此为第一代的 PM HSS。 第一代 PM HSS 生产者使用 1～2 t 的中间钢包， 其钢材夹杂物含量 相当电弧炉+LF 钢包精炼钢的水平，但是第一代 PM HSS 的抗弯强度较普通熔炼高速钢提高了约 1 倍。 第一代 PM HSS 在我国市场上具有代表性的是乌克 兰 DSS 厂生产的产品。 该厂 1980 年从瑞典引进设 备和技术，自 1985 年以来未做过技术改进，钢材的 氧含量小于 150×10-6， 售价便宜。 2002 年以前 DSS 厂一直为美国 Crucible 厂做贴牌生产[1]。 此外日本日 立金属、台湾荣钢(用 DSS 厂钢粉生产 PMHSS)生产 的 PM HSS 也达到第一代粉末冶金高速钢的质量水 平。 2.2 第二代 PM HSS
地制造出性能优良的粉末高速钢， 并进入工业化生 都日趋成熟。按其生产工艺技术的演变发展及质量、
产， 如瑞典的 Stora-ASEA 粉末冶金高速钢投产，电 性 能 等 不 同 ，PM HSS 大 致 可 分 为 第 一 代 PM HSS、
渣重熔高速钢开始用于大截面钢材生产。 其间发展 第二代 PM HSS、第三代 PM HSS 以及近年来研发的
高速钢是一种重要的刀具材料，据统计，高速钢 刀具销售额占全部刀具销售额的 45%左右；占齿轮 刀具和拉刀等复杂刀具销售额的 85%[1]。 传 统高速 钢都是用熔炼方法制成的，存在着碳化物偏析和非 金属夹杂物含量多的缺陷且难以克服。 20 世纪 70 年代初，出现了用粉末冶金方法制成的高速钢。 通过 把高速钢微细粉末用特殊方法成形并烧结而制成的 高速钢材制品叫做“粉末高速钢”（PM HSS）。 PM HSS
阶 段 [7]。
就目前发展形势来看，PM HSS 的总趋势是向超细、
直到 1965 年，美国 的 Crucible Steels 公司自 主 超纯、粉末特性可控以及含氮高速钢[10]方向发展。
研发了用粉末冶金法生产高速钢的新技术并初步实
现了小规模产业化。由于技术水平低、认识不够等因 2 PM HSS 钢种开发
了各种烧结致密的技术， 使材料能够适应各种加工 新型 PM HSS。
过程(锻、轧 、切 削)，并 在 合 金 系 的 开 发 中 也 发 现 了 2.1 第一代 PM HSS
规律性的变化 。 [4,8] 由于粉末高速钢制品在成分均匀
上世纪 70 年代 工 业 化 生 产 的 PM HSS 由 美 国
0．80～2.60 3.75～5.00 4.00～13.0 1.00～7.30 2.70～8.20 0.50～16.5
3 S390-PM(-MOD) 1.55～1.75 4.50～6.35 9.50～11.00 2.00～3.40 4.00～5.20 7.60～8.30
4
HS*-PM
0.75～1.35 3.80～4.50 9.00～18.50 0.50～3.90 1.40～4.50 4.50～10.5
摘 要 粉末高速钢是通过特殊方法把高速钢微细粉末成形并烧结而制成的高速钢材 产品，简称 PM HSS。 粉末高速钢具有碳化物颗粒细小、夹杂物含量少、分布均匀等的显 微组织特点，使高速钢的抗弯强度、硬度和切削性能得到了显著提高。 本文综述了粉末 高速钢的发展历程、钢种开发以及高速钢粉末制备技术和成形等方面的研究中一些引 人注目的研究进展和发展动向。 关键词 综述； 粉末高速钢； 研究趋势； 进展
表 1 PM HSS 主要牌号及成分
序号
牌号
w(C) / % w(Cr) / % w(W) / % w(Mo) / % w(V) / % w(Co) / % 其它
1
M*-PM
0.88～1.85 3.75～5.00 5.50～12.9 4.25～10.0 0.95～5.25 0.50～10.0
2
ASP*
PM HSS 技术是高速钢制造领域划时代的新技 了高合金冶炼， 一些新钢种热处理硬度可达 70～72
术，这项技术大大加快了高速钢发展的脚步。对这种 HRC[9]。
技术的研究要回溯到 1958 年，当时 BSA Metal Pow-
进入 21 世纪，PM HSS 不仅在生产工艺和设备
der 公 司 的 D.A.Dliver 发 表 了 他 关 于 应 用 粉 末 冶 金 上有了很大的发展和进步， 而且粉末粒度也更加的
ABSTRACT PM HSS is short form of powder metallurgy high speed steel, which is molding and sintering of fine high speed steel powder by special methods. PM HSS has the characteristic microstructure of small carbide particles, less inclusions, uniform distribution, etc. Therefore the bending strength, rigidity and cutting performance of the high speed steel are greatly improved. In this paper, the development course of PM HSS, the latest research progress and development trend about steel grades, powder preparation technology, powder molding, etc. are mainly introduced and summarized. KEY WORDS summarize; powder metallurgy high speed steel; trend of research; development
2010 年 10 月 Oct.2010
Development of PM High Speed Steel
Yan Jianxin1,2 Li Zaiyuan1
(1. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110004, China; 2. Taiyuan Iron and Steel (Group) Co. Ltd., Taiyuan Shanxi 030030, China)
素，其应用范围还很窄，没能在工具钢领域推广开，
但却为 PM HSS 在以后的发展奠定了基础， 为工具
传统熔炼过程生产的高速钢牌号均可运用粉末
钢的开发研究指明了方向。
冶金方法生产，而高钒、高钴等高性能高速钢牌号是
随着冶金、机械加工等领域的发展，传统的切削 粉 末 冶 金 高 速 钢 所 独 有 的 牌 号 ( 如 ASP 2060、
5
CPM10V*
2.35～2.55 4.75～5.50 max0.50 1.10～1.45 9.3～10.25 max0.50
注：上表中 M*-PM 系列有 M2-PM、M3-PM、M4-PM、M7-PM、M-35PM、M42-PM、M48-PM、M50-PM、M-61PM 等；ASP* 系 列 有 ASP2015、ASP2017、ASP2130、ASP2053、ASP2060、ASP2080 等 ；HS*-PM 系 列 有 HS10-4-3-10PM、HS18-1-2-5PM、HS12-1-4-PM 等。
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第 27 卷第 5 期 Vol.27 No.5
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doi：10.3969/j.issn.1003-7292.2010.05.012
硬质合金 CEMENTED CARBIDE
粉末高速钢的研究进展
闫建新 1，2 李在元 1 (1．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110004； 2．太原钢铁（集团）有限公司，山西太原 030030)
继第一代 PM HSS 之后， 各生产厂对设备和生 产工艺进行了改进和更新， 如 1991 年法国 Erasteel 公司对其瑞典厂的制备气雾化前钢液的熔炼工艺做 了 改 进 ，称 为 ESH 法(Electro-Slag- Heating 电 渣 加 热法)。 所谓 ESH 技术就是带有电渣加热和吹 Ar 设 备的中间钢包系统，2 个石墨电极浸入碱性电渣内。 电流通过钢水表面的活性渣产生热量， 可保证 3 h 内高速钢钢水雾化过程中温度稳定， 又可使钢水脱 硫、脱氧。同时自钢包底吹 Ar 搅拌，使中间钢包钢水 温度均匀化，又促进钢水净化反应。 采用 ESH 方法 生产的 PM HSS 称为第二代 PMHSS，其产品商标也 改 为 ASP2000 系 列 (如 ASP 2030， 以 前 第 一 代 称 ASP 30)， 它比第一代的 PM HSS 钢材更为纯净，非 金属夹杂物含量可减少 90%，淬回火后的钢材韧性 可提高 20%。 钢材的质量和性能对化学成分的波动 非常敏感， 通常要求成分的波动范围愈小愈好 。 [1,12] 第二代钢较第一代钢达到了更高的技术水平， 成分 波动范围比第一代缩小近 50%。 此外， 第二代 PM HSS ASP 2000 系列 钢材的纵向 与横向 抗 弯 强 度 相 差较小约为 22%~32%， 而 普通熔炼 HSS(M2、M42) 的相应值达 200%以上，并随钢材直径而变化，直径 愈大，纵向和横向抗弯强度相差值也愈大。这一点正 是大尺寸、高应力刀具使用 PM HSS 的理由之一。 2.3 第三代 PM HSS
顿下来。令人欣慰的是，在第十届中国国际机床展览 材料，使其广泛应用于冶金、机械等行业。 我国科技
会(C1MT2007)上看到了国产 PM HSS 产品并且随着 人员的研究工作在 80 年代初也陆续展开并取得了
经济形势的改变，PM HSS 产业迅速发展并壮大，逐 一些成果，但是没能形成规模。
步在高速钢行业站稳了脚跟， 成为工具钢领域的佼