提高冶金高速鋼質(zhì)量和性能的措施

提高冶金高速鋼質(zhì)量和性能的措施

高速鋼是重要的刀材料。據(jù)最新統(tǒng)計，高速鋼刀的銷售收入約占所有刀銷的45%。齒輪刀和拉刀等復(fù)雜刀的銷售收入為85%。粉末冶金高速鋼(以下簡寫為PMHSS)是高速鋼中的上品,它的特點在于無論尺寸大小和形狀如何,PMHSS材均具有碳化物細小,分布均勻的顯微組織。近年全世界其年產(chǎn)量約1萬噸,在西方工業(yè)發(fā)達國家約占高速鋼總產(chǎn)量為1/6。所有的高級高速鋼刀具制造者均采用PMHSS。我國工具廠中只有少數(shù)幾個廠使用過PMHSS,對它只有一個很攏統(tǒng)的概念,只知PMHSS是一種性能優(yōu)良的高級高速鋼,而不知道目前在市場上同時存在有第一代,第二代和第三代質(zhì)量不同的PMHSS。這些鋼的化學(xué)成分相同,而性能不同。本文旨在扼要說明從第一代到第三代PMHSS質(zhì)量上的差異,供刀具材料選用者參考。1粉末高速鋼pmhss生產(chǎn)工藝技術(shù)的進步1.1第二代pmhss上世紀70年代工業(yè)化生產(chǎn)的PMHSS由美國Crucible廠和瑞典Stora廠(現(xiàn)屬法國Erasteel公司)相繼投產(chǎn),此為第一代的PMHSS。其后生產(chǎn)廠對制造設(shè)備和生產(chǎn)工藝的改進,如1991年法國Erasteel公司對其瑞典廠的制備氣霧化前鋼液的熔煉工藝作了改進,稱ESH法(Electro-Slag-Heating電渣加熱法),其PMHSS產(chǎn)品商標(biāo)也改為ASP2000系列(如ASP2030,以前第一代稱ASP30),采用ESH方法生產(chǎn)的PMHSS稱為第二代PMHSS,它比第一代的PMHSS鋼材更為純凈,非金屬夾雜物含量可減少90%,淬回火后的鋼材韌性可提高20%。奧地利伯樂鋼廠(Boehler)采用全世界最先進的PM冶金設(shè)備及新工藝于2002年推出冠以“MICROCLEAN”(細凈)為商標(biāo)的第三代PMHSS,如S390Microclean。與第二代的S390IsomatrixPMHSS相比,其鋼粉顆粒更細,非金屬夾雜物含量更少,而韌性和強度約可提高20%。法Erasteel公司對第二代PMHSS的生產(chǎn)工藝作了進一步的改進,也于2004年推出冠以DvalinTM為商標(biāo)的第三代PMHSS。其非金屬夾雜物含量比第二代ESHPMHSS又有較大幅度減少,鋼材的韌性和強度也有相應(yīng)的提高,如DvalinTMASP2030已代替第二代的ASP2030。1.2cpmpmhs第二代PMHSS鋼的生產(chǎn)工藝技術(shù)的進步主要體現(xiàn)在霧化制粉設(shè)備上中間鋼水包結(jié)構(gòu)的改進,旨在精確控制鋼水溫度和潔凈度。第一、二、三代鋼霧化制粉工藝的技術(shù)進步示于圖1。第一代PMHSS生產(chǎn)者用1~2t的中間鋼包。第一代PMHSS在我國市場上的代表為烏克蘭DSS廠的產(chǎn)品。該廠1980年從瑞典引進設(shè)備和技術(shù),自1985年以來未做過技術(shù)改進,鋼材的氧含量小于150×10-6,但售價便宜。2002年以前DSS廠一直為美國Crucible廠做貼牌生產(chǎn)。美國Crucible廠的技術(shù)資料未報導(dǎo)過冶煉上的進展,內(nèi)容和數(shù)據(jù)和25年前的一樣,因此Crucible廠的CPMPMHSS也應(yīng)是第一代的質(zhì)量,其氧含量小于100×10-6,盡管該廠目前的中國代理對從美國進口的該廠產(chǎn)品訂價極高。此外日本日立金屬的PMHSS也屬第一代質(zhì)量水平。第二代PMHSS當(dāng)以1991年-2003年法國Erasteel公司生產(chǎn)的ASP2000系列為代表。其中間鋼包為7t容量。所謂ESH技術(shù)就是帶有電渣加熱和吹A(chǔ)r設(shè)備的中間鋼包系統(tǒng),2個石墨電極浸入堿性電渣內(nèi)。電流通過鋼水表面的活性渣產(chǎn)生熱量,可保證3h內(nèi)高速鋼鋼水霧化過程中溫度穩(wěn)定,又可使鋼水脫硫、脫氧。同時自鋼包底吹A(chǔ)r攪拌,既使中間鋼包鋼水溫度均勻化,又促進鋼水凈化反應(yīng)。第三代PMHSS當(dāng)以2000年以后奧伯樂鋼廠的MicrocleanPMHSS為代表。從圖可看到采用最大的8t中間鋼包及ESH技術(shù)。采用電磁攪拌以替代吹自爐底的微弱Ar氣流進行鋼水?dāng)嚢琛忪F噴粉裝置的噴嘴位置由緊接鋼包滲孔的噴霧室頂部,改到了噴霧室頂側(cè)面。1.3糧食生產(chǎn)質(zhì)量的提高和第三代糧食粉末的鋼種1.3.1最大尺寸噴粉尺寸氣霧化后收得的鋼粉顆粒度及表面形態(tài)示于圖2。傳統(tǒng)第一和第二代PMHSS的鋼粉粉末顆粒有一個相對寬廣的尺寸分布,10~1000μm直徑。其過篩累積百分數(shù)為50%所對應(yīng)的平均顆粒尺寸為140μm,最大尺寸可達1000μm。奧伯樂鋼廠的第三代PMHSS-Microclean,由于優(yōu)化了噴粉霧化工藝,其過篩累積百分數(shù)為50%所對應(yīng)的平均顆粒尺寸為60μm,其最大鋼粉尺寸為500μm。鋼粉尺寸要細得多,并有一個較均勻的尺寸分布,見圖2左上角100倍放大照片。由于鋼水滴的快速凝固,形成的鑄造組織很細,其二次枝晶臂距為1μm。PMHSS的微粉使普通鑄造高速鋼的400kg鋼錠,下降為4mg微錠(粉)(Erasteel公司)或為2mg微錠(Boehler廠)。Boehler廠的較細微粉使熱等靜壓后的PMHSS錠具有較高的強度,可不經(jīng)鍛軋直供用戶的特殊訂貨。1.3.2化學(xué)成分成分任何鋼種化學(xué)成分的冶金允許范圍的大小是確保鋼質(zhì)量的至關(guān)重要因素。化學(xué)成分范圍大小不僅標(biāo)識著冶煉技術(shù)水平的優(yōu)劣,更重要的是它對鋼材的技術(shù)性能的穩(wěn)定性和一致性的影響是極大的。鋼材的質(zhì)量和性能對化學(xué)成分的波動非常敏感。通常要求成分的波動范圍愈小愈好。表1給出第一、二代PMHSS化學(xué)成分中碳和釩含量的波動范圍,第二代鋼達到了更高的技術(shù)要求水平。碳和釩是高速鋼和工具鋼中最主要的合金化元素之一。它們的含量對鋼材的性能往往起關(guān)鍵性作用。由表1數(shù)據(jù)可知,第二代PMHSS的成分波動范圍幾乎比第一代縮小50%。1.3.3第三代研磨高速鋼和勞動強度第三代鋼不僅有粉末冶金高速鋼,而且還開發(fā)了粉末冶金工具鋼。它們的鋼種和化學(xué)成分分別示于表2和表3。2pmhss為非混合材料的含量2.1pmhs比合及其缺陷PMHSS鋼中的非金屬夾雜物是由3種原因產(chǎn)生:內(nèi)在的夾雜物主要為冶煉時鋼液脫氧產(chǎn)物,在鋼水凝結(jié)時析出。因霧化粉末凝結(jié)極快,故此類夾雜物尺寸極小。其次霧化粉末的表面氧化物夾雜,目前的技術(shù)已可將其降低到無害水平。最后外來夾雜物,主要為鋼渣和陶土爐襯碎粒等,為鋼水所捕獲,其尺寸較大,將形成鋼材的裂紋源,這是制約PMHSS鋼材強度、韌性和質(zhì)量的關(guān)鍵因素,也是要解決的主要問題。從圖3中可看到在1立方厘米鋼材體積中可找到的非金屬夾雜物數(shù)目對夾雜物尺寸(μm)曲線。ESH第二代PMHSS的非金屬夾雜物含量比第一代的減少了90%,而采用DvalinTM工藝的第三代PMHSSTM的夾雜物含量比第二代的又減少了另一個90%,圖4并非為圖3中夾雜物尺寸小于25μm者那一段的放大圖,因二者縱座標(biāo)的單位是不同的。圖3為夾雜物數(shù)/立方厘米用超聲波法測得,圖4為夾雜物數(shù)/平方厘米,用金相法測得。從圖5可看到第三代MicrocleanPMHSS在1平方厘米鋼試樣面積上的非金屬夾雜物尺寸和數(shù)字曲線,它遠比第一和第二代PMHSS的相應(yīng)值要好得多,其6μm尺寸的夾雜物已可壓縮到極微量,此數(shù)據(jù)與圖4中DvalinTM的相應(yīng)值差不多,二者水平相當(dāng)。2.2消除非金屬性能的作用,真正發(fā)揮碳化物作用對普通熔煉鑄錠高速鋼來說,淬回火后基體中殘余碳化物數(shù)量遠大于非金屬夾雜物數(shù)量。以M2鋼為例,淬回火后碳化物總量不少于13%(質(zhì)量分數(shù)),大顆粒碳化物尺寸近12.5μm,其非金屬夾雜物恐不會超過1%,所以工廠歷來重視碳化物分布形態(tài)和質(zhì)量,而不提出對非金屬夾雜物的檢驗要求。普通HSS的強度決定于其碳化物帶、網(wǎng)和堆集的程度。但對PMHSS而言,它是燒結(jié)制品,在鋼材整個斷面上其碳化物細小(1~3μm)均勻分布,最大的也不超過6μm,無碳化物不均勻這個不利因素,其強度轉(zhuǎn)而決定于尺寸比碳化物大的非金屬夾雜物尺寸和數(shù)量。由于鋼的抗彎強度與極限缺陷直徑的平方根成反比,消除大的非金屬夾雜物是提高PMHSS鋼材強度和質(zhì)量的根本途徑之一。這也是為什么第二和第三代PMHSS都強調(diào)從工藝上大幅度減少非金屬夾雜物的數(shù)量,特別是特大夾雜物(≥25μm)的理由,這樣做的目的在提高PMHSS的韌性和抗彎強度,文獻已充分證明上述論據(jù)。2.3為適應(yīng)條件下的干擾極限含量所允許的不規(guī)則金屬混合物2.3.1戰(zhàn)略參數(shù)檢查中引導(dǎo)亞氧基雙亞方差的測定,其金屬雜物的測定,其思想烏克蘭Dneprospetsstal鋼廠(DSS廠)在2003年的供貨技術(shù)條件中規(guī)定,其PMHSS的非金屬夾雜物含量可按ASTME45-A法檢測,也可按DIN50602(1985)-K法檢查。按ASTME45(1997)-A法檢查,其非金屬夾雜物含量的平均值應(yīng)符合表4。按DIN50602-K法檢查,應(yīng)不超過KO≤20。2.3.2工作中心法Erasteel公司在2002年的供貨技術(shù)條件中規(guī)定,PMHSS中的非金屬夾雜物含量按SS111116檢查,在放大倍數(shù)200X下測量200mm2和在放大倍數(shù)100×下測量800mm2鋼材待檢測面積,要求為:大于5.6μm的非金屬夾雜物,最大累積數(shù)為每平方毫米含0.037個大于11.2μm的非金屬夾雜物,最大累積數(shù)為每平方毫米含0.0024個在加硫的易切削PMHSS中,硫化物夾雜不包括在判定中。該公司第二代PMHSS的可拋光性能優(yōu)于ESR電渣重溶的普通高速鋼,結(jié)合表4中的注,可知此夾雜物含量的規(guī)定嚴于第一代PMHSS的相應(yīng)規(guī)定,雖然這兩個規(guī)定不能直接比較。2.3.3非雜劑的雜質(zhì)2004年Boehler廠的E-mail中稱第三代MicrocleanPMHSS的非金屬夾雜物含量按DIN50602(1985)中方法KO檢查KO=5max與第一代PMHSS規(guī)定的KO≤20相比,可知第三代PMHSS純凈多矣。法Erasteel公司的第三代PMHSS技術(shù)條件中,其非金屬夾雜物含量的規(guī)定與其第二代的相應(yīng)值相同。3幾代pmhs的力學(xué)性能的改進3.1抗彎強度及試驗研究高速鋼在高硬度范圍一般選用4點抗彎試驗和沖擊試驗以獲得其韌性數(shù)據(jù)。但測試數(shù)據(jù)的分散性,往往使有效地分析一個參數(shù),需采用10個平行試樣。此外不同鋼廠由于采用不同的試樣尺寸和試驗方法,各廠提供的數(shù)據(jù)也不能直接用來相互比較。從普通熔煉HSS到第一代和第二代PMHSS在抗彎強度上的改善-見表5中Erasteel廠數(shù)據(jù)。表5-No.3顯示從橫向取樣的普通熔煉HSS到第一代PMHSS,其抗彎強度可提高約1倍。No.4顯示第二代PMHSS的抗彎強度可比第一代的再提高約20%。此外,第二代PMHSSASP2000系列鋼材的縱向與橫向抗彎強度相差較小約22%~32%(見No.6),而普通熔煉HSS(M2,M42)的相應(yīng)值達200%以上并隨鋼材直徑而變化,直徑愈大,縱向和橫向抗彎強度相差值也愈大。這一點正是大尺寸、高應(yīng)力刀具應(yīng)使用PMHSS的理由之一。事實上,第三代比第二代PMHSS在抗變強度上有明顯的提高。Erasteel公司、Boehler鋼廠和Crucible鋼廠都宣稱各自的第三代PMHSS比其第二代的抗彎強度又提高20%,均發(fā)表了類似圖6的示意圖,及個別鋼種的少數(shù)資料,而未發(fā)表全部的詳細數(shù)據(jù)。Erasteel公司對M42及ASP2030鋼的數(shù)據(jù)見表6。試樣取自?100mm鋼坯,橫向試樣-?5×70mm,4點抗彎試驗,硬度67HRC。第三代DvalinTM工藝ASP2030的橫向抗彎強度約比第二代ESH工藝AS2030的相應(yīng)值提高20%。奧Boehler鋼廠研究中心曾對第三代PMHSSMicrocleanS390,S590,S690,S790和塑料模具工具鋼MicrocleanM390等5個鋼種的熱等壓后鋼坯及再鍛軋后的鋼材取樣,進行抗彎及沖擊測試。各鋼種共測試了130個不同參數(shù),每個參數(shù)的結(jié)果取10個試樣的平均值。在抗彎試驗中得到抗彎強度,彈性及塑性變形功等數(shù)據(jù),具體數(shù)值僅個別發(fā)表;但在有關(guān)論文中有一個攏統(tǒng)的結(jié)論性意見稱:若以第二代的PMHSS抗彎強度為100±12%的話,則第三代PMHSS的相應(yīng)值為120±6%。在所有的試樣上,第三代MicrocleanPMHSS均顯示了明確的韌性增長及較小的散差。3.2pmhss相試驗的疲勞試驗對比“靜負載”來說,工具材料更需要的“動態(tài)周期負載”,也進行了應(yīng)力比R=0.1,40~60赫茲的疲勞試驗,它對工具壽命是一個決定性因素。MicrocleanS390的數(shù)據(jù)見圖7。從圖中摘出的數(shù)據(jù)見表7。圖7為PMHSSS390的疲勞試驗數(shù)據(jù)。左圖為第一和第二代的,而右圖為第三代Microclean的,對PMHSS疲勞強度影響最大的2個因素為:試樣表面粗糙度及鋼材的純凈度。試樣表面均磨到毫無瑕庇,這種鋼材的非金屬夾雜物的尺寸及數(shù)量起很主要作用。從圖7和表7均可明確見到,無論是試樣表面產(chǎn)生裂紋源的還是200萬次循環(huán)后因內(nèi)部缺陷斷裂的疲勞應(yīng)力幅度,第三代PMHSSMicrocleanS390的性能均比以前的第一代和第二代產(chǎn)品有一定的提高,這無疑是由于第三代PMHSS極大改善了鋼的純凈度的結(jié)果。4pmhss的應(yīng)用4.1強化復(fù)合刀對刀具的復(fù)合強度,提高刀具壽命據(jù)2005年國際HSS論壇公布的2004年資料,PMHS在不同刀具品種上的應(yīng)用比例見表8。表8中PVD代表物理氣相涂層,是高速鋼刀具中應(yīng)用得很廣泛的一種表面涂層技術(shù)。通常涂層為TiN,TiCN,TiAlN等以提高刀具的耐磨性和壽命。表中No.1指齒輪刀具中約有70%是用PMHSS為原材料,而在全部齒輪刀具中約有90%是經(jīng)過PVD涂層的。Boehler鋼廠聲稱其第三代PMHSS的鋼粉顆粒較細,使HIP后的鋼錠具有較高的強度,可不經(jīng)鍛造直接供用戶使用。有助于縮短交貨期及降低材料成本。HIP熱等壓后,不經(jīng)鍛軋,直接使用的大直徑,中空,及異型孔的第三代PMHSS材,這種中空PM鋼材特別適宜于制造大直徑拉刀,其外徑≥140mm,內(nèi)孔直徑≥65mm,壁厚≥30mm,長度>0.5~1.7m。中空大拉刀十分有利于熱處理,在全長上內(nèi)孔直徑可以有變化以適應(yīng)刀具設(shè)計的需要(見圖8)。此外還有扁塊中具異型孔材料制造擠壓模具擠出口模塊。4.2高效、穩(wěn)定的高合金刀具第三代PMHSS由于問世才2~3年,其對刀具的有利影響數(shù)據(jù)只能見諸推理。有以下幾點(1)極佳的韌性,耐沖擊及震動性能好,能提高刀具的可靠性。(2)可將刀具設(shè)計成較鋒利的刀口。允許用大走刀量以提高生產(chǎn)率。(3)產(chǎn)生新的高合金PMHSS鋼種,如DralinTMASP2080和MicrocleanS290(見表1)具有更高的耐磨性和紅硬性。此外在第二