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切削技術(shù)的發(fā)展依靠刀具技術(shù)和高速機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步，刀具與機(jī)床的正確選用常起著決定性作用。采用耐熱性更好的新型刀具材料及涂層、公道設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)、選擇最佳的切削速度是實現(xiàn)切削加工優(yōu)化的重要保障。在目前高性能刀具材料如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、金剛石、立方氮化硼等超硬材料不斷發(fā)展的同時，高速鋼尤其是粉末冶金高速鋼，憑借其在強(qiáng)韌性、 工藝性及可加工性等方面優(yōu)良的綜合性能，在復(fù)雜刀具特別是切齒刀具、拉刀和各類銑刀制造中仍占有明顯上風(fēng)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

1 高速鋼發(fā)展及粉末高速鋼冶煉工藝特點

以切削刀具為主要用途的高速鋼已經(jīng)歷了百年的發(fā)展歷程。1900 年法國巴黎世界展覽會上， 美國人Taylor和White成功進(jìn)行的高速切削演示標(biāo)志著高速鋼的應(yīng)用拉開了序幕。多年來，高速鋼刀具一直占據(jù)著機(jī)械加工領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，其發(fā)展簡史見表1。
表1 高速鋼發(fā)展簡史

年代	主要大事記
1870～1898	英國人Mushet發(fā)明應(yīng)用Mn-W自硬工具鋼，切削中碳鋼速度8m/min
1898～1900	美國人Taylor、White以Cr-W鋼取代Mn-W自硬鋼，創(chuàng)立了高速鋼。切削中碳鋼速度達(dá)20m/min
1910	確立T1(W18Cr4V)鋼成分，切削中碳鋼速度達(dá)30m/min
1937～	美國人Breelor發(fā)明W-Mo系高速鋼M2
1939 ～	美國發(fā)明高碳高釩高速鋼，含釩3～5%，淬回火硬度達(dá)67～68HRC，耐磨性好，可磨削性差。
1958～1963	平衡碳理論提出與應(yīng)用，美國發(fā)明M40系高速鋼，硬度達(dá)70HRC，如M41，M42
1965～	美國Crucible Steels公司發(fā)明粉末冶金法生產(chǎn)高速鋼
1970～	瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速鋼投產(chǎn)；電渣重熔高速鋼開始用于大截面材生產(chǎn)
1980 ～	歐、美、日、俄等國開始生產(chǎn)粉末冶金高速鋼；氮化鈦涂層用于高速鋼切削刀具，壽命大幅進(jìn)步
1990 ～	粉末冶金高速鋼實現(xiàn)高合金冶煉，新鋼種熱處理硬度達(dá)70～72HRC

高速鋼傳統(tǒng)冶煉制造工藝通常采用大噸位電弧爐冶煉、模鑄澆鑄成錠。電弧爐冶煉，鋼水容量大，成分均勻，可通過爐外精煉、真空脫氣等進(jìn)步鋼水質(zhì)量；但由于鋼錠澆鑄尺寸較大，鋼水冷卻緩慢，且高速鋼化學(xué)成分復(fù)雜，合金元素含量高，使其萊氏體組織粗大，碳化物偏析嚴(yán)重。碳化物偏析程度反映了高速鋼質(zhì)量的優(yōu)劣，嚴(yán)重的偏析降低了高速鋼的性能，使鋼的鍛、軋加工困難，高合金、高性能高速鋼的發(fā)展受限。

粉末冶金高速鋼改變了傳統(tǒng)的高速鋼澆鑄與成錠工藝，采用了霧化制粉及壓力加工成形。國際上較先進(jìn)的粉末高速鋼制造基本工藝是將冶煉完、符合化學(xué)成分要求的鋼水經(jīng)強(qiáng)力高壓氮?dú)忪F化，細(xì)小液滴瞬間迅速凝固成合金粉末顆粒，其粒度相當(dāng)于一般鑄錠億萬分之一的“超細(xì)小鋼錠”，形成了極快冷凝固制粉。霧化制粉完成后，合金粉末顆粒經(jīng)篩分、裝包套、搖實、抽真空脫氣等工序，再經(jīng)冷、熱等壓力加工成錠。粉末冶金高速鋼的優(yōu)點為成分均勻、碳化物無偏析，易實現(xiàn)高合金化；與電爐鋼比較，其強(qiáng)韌性大幅度進(jìn)步，熱處理變形小，尺寸穩(wěn)定性高，可磨削性能好。

2 粉末冶金高速鋼主要牌號及成分

傳統(tǒng)冶煉生產(chǎn)的高速鋼牌號均可運(yùn)用粉末冶金方法生產(chǎn)，而高釩、高鈷等高合金高性能高速鋼卻是粉末冶金高速鋼所獨(dú)占的牌號(如ASP2060、ASP2080等)。表2為粉末冶金高速鋼主要牌號及成分范圍。
表2 粉末冶金高速鋼主要牌號及成分(wt%)

序號	牌號	C	Cr	W	Mo	V	Co	其它
1	M2-PM	0.95～1.05	3.75～4.50	5.50～6.75	4.50～5.50	1.75～2.20	max0.50
2	M3-PM	1.15～1.25	3.75～4.50	5.00～6.75	4.75～6.50	2.75～3.25	max0.50
3	M4-PM	1.25～1.40	3.75～4.75	5.25～6.50	4.25～5.50	3.75～4.50	max0.50
4	M7-PM	0.97～1.05	3.50～4.00	1.40～2.10	8.20～9.20	1.75～2.25	max0.50
5	M35-PM	0.88～0.95	3.80～4.50	6.00～6.70	4.70～5.20	1.70～2.00	4.50～5.00
6	M42-PM	1.05～1.15	3.50～4.25	1.15～1.85	9.00～10.0	0.95～1.35	7.75～8.75
7	M48-PM	1.42～1.52	3.50～4.00	9.50～10.50	4.75～5.50	2.75～3.25	8.00～10.00	S≤0.07
8	M50-PM	0.78～0.88	3.75～4.50	max0.20	3.90～4.75	0.80～1.25	max0.50
9	M61-PM	1.75～1.85	3.50～4.25	12.10～12.9	6.00～6.75	4.50～5.25	max1.00	P≤0.02
10	ASP2015	1.50～1.60	3.75～5.00	11.75～13.0	max1.00	4.50～5.25	4.75～5.25
11	ASP2017	0.80～0.85	3.80～4.50	2.85～3.25	3.90～4.20	0.95～1.35	7.75～8.75	Nb:1.00
12	ASP2030	1.25～1.35	3.80～4.50	6.00～6.70	4.70～5.20	2.70～3.20	8.10～8.80
13	ASP2053	2.30～2.60	3.80～4.50	4.00～4.50	2.80～3.50	7.75～8.20	Max0.50
14	ASP2060	2.15～2.45	3.80～4.50	6.00～6.80	6.70～7.30	6.20～6.80	10.10～10.8
15	ASP2080	2.30～2.60	3.8～4.30	10.50～11.5	4.80～5.30	5.80～6.20	15.50～16.5
16	S390-PM	1.55～1.65	4.50～5.00	9.50～11.00	2.00～2.40	4.60～5.20	7.60～8.30
17	S390-PM-MOD	1.65～1.75	5.95～6.35	10.0～10.75	3.10～3.40	4.00～4.50	7.70～8.30	S≤0.02
18	HS10-4-3-10PM	1.21～1.34	3.80～4.50	9.00～10.00	3.20～3.90	3.00～3.50	9.50～10.5
19	HS18-1-2-5-PM	0.75～0.83	3.80～4.50	17.5～18.50	0.50～0.80	1.40～1.70	4.50～5.00
20	HS12-1-4-PM	1.20～1.35	3.80～4.50	11.5～12.50	0.70～1.00	3.50～4.50	max	0.50
21	PM-10V	2.35～2.55	4.75～5.50	max0.50	1.10～1.45	9.3～10.25	max0.50	S≤0.09
22	CPM10V-MOD	2.80～3.00	7.75～8.25	max1.00	1.20～1.60	9.25～10.25	max0.50
注：上表中一般均要求，P≤0.03%，S≤0.03%，N≤0.08%，O≤0.015%，Ar≤0.05ppm；*為合金工具鋼

3 粉末冶金高速鋼的選用
高速鋼含有大量W、Mo、Cr、V等元素，其與碳形成的合金碳化物進(jìn)步了鋼材性能。由于粉末高速鋼冶煉的獨(dú)特性，合金元素含量更高，尤其是高V、高Co鋼的應(yīng)用較為普遍。高速鋼中的W、Mo作用相似，與碳形成的合金碳化物通過溶解及析出強(qiáng)化，使高速鋼具有特殊的二次硬化效果，紅硬性大大進(jìn)步；鋼中V是強(qiáng)的碳化物形成元素，VC細(xì)小彌散，進(jìn)步了鋼的耐磨性，隨著V含量的進(jìn)步，高速鋼的抗磨粒磨損性能大幅提升；Co是固溶強(qiáng)化最強(qiáng)的合金元素之一，通過固溶基體強(qiáng)化來進(jìn)步高速鋼的硬度及熱硬性，改善了刀具切削性能，使刀具壽命大為進(jìn)步。圖1為幾種粉末高速鋼與典型高速鋼的性能特點對比。

圖1 幾種粉末高速鋼與典型高速鋼的性能特點對比
刀具材料的選擇需要考慮刀具種別、機(jī)床及切削條件、被加工材料及硬度等因素。隨著數(shù)控機(jī)床、中硬材料切削及高強(qiáng)鋼的大量應(yīng)用，對切削刀具的性能要求越來越高，刀具必須具備更高的硬度、紅硬性、耐磨性及韌性。一般來講，對于要求高耐磨、高韌性的刀具，如遐齡命絲錐、拉刀、單齒薄刃刀具等，可選擇高碳高釩粉末高速鋼，典型牌號有M3-PM、M4-PM、M61-PM等；對于要求高速切削、高熱硬性、遐齡命的刀具，如齒輪滾刀、插齒刀、數(shù)控機(jī)床用各類銑刀，可選擇高釩高鈷粉末高速鋼，典型牌號有ASP2015、ASP2030、ASP2060等。

4 結(jié)語

粉末高速鋼由于良好的組織一致性和碳化物的無偏析，彌補(bǔ)了普通冶煉高速鋼的嚴(yán)重缺陷，使鋼材質(zhì)量和性能全面進(jìn)步。粉末冶金高速鋼刀具在加工鐵基高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)鋼等難加工材料時表現(xiàn)出了良好的切削性能及綜協(xié)力學(xué)性能。由于粉末高速鋼冶煉及霧化制粉的特殊性，工藝及設(shè)備要求相對復(fù)雜，鋼材制造本錢較高，目前在精密復(fù)雜刀具生產(chǎn)中應(yīng)用較多，還有待進(jìn)一步推廣應(yīng)用。(end)