粉末冶金综述

1、热制造学基础第7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.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550600时仍可

2、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囚。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212. m,严重影响其使用寿命的进一 步提高口。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匚艺。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

3、钢材尺寸的影响，最大尺寸的碳化物一般为3闻口 m, 通常低于2|Jm。随着粉末冶金技术和先进设备的快速发展，粉木高速钢中不存 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。.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一一原料粉末的配料和混合一一成 形一一固结。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，如鸨、铝等;金属陶瓷材料，如硬质合金、锲基高温材料等;假合金， 如鸨铜、铜石墨等;多孔材料，如含油轴承、过滤材料、固一一液一一气分离材 料等;多组元特殊材料，如摩擦材料、金

4、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木冶金工艺制备和生产，完全超越了传统熔炼一一 铸造一一热变形一一机加工生产的可能性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W18Cr4V 和粉末冶金高速钢S3

5、90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，呈弥散均匀分布口由图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：Q)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

6、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。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500800MPa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习。室温

7、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)是将粉木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

8、 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O.15O.3g/cm3和50100%,且可降低弹性后效口L (2)金属注射成形(Metal hijection 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

9、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% 99.5%,抗拉强度可达500MPa 以上，延伸率可达45%以上同。(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乂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

10、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口。粉末冶金中粉末的烧结烧结是粉木冶金匚艺中重要的部分，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 热制造学基础第7页 热制造学基础第 页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0.41格。冰为不锈钢的熔点)时，由于原了热振动振幅的增

11、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，粉末颗粒凸出处向由表面上的原子开 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) )o图2不锈钢球形粉末颗粒烧结模型习(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、还原性或怡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

12、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同。(1)压力烧结压力烧结是指在对粉木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叨。(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

13、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

14、,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，也口益受到人们的广泛重视。.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所示口】。经过电弧炉或感应熔炼炉熔化

15、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PMHHS)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。0HIP/W 等“压人幡I 装纲图3粉末冶金高速钢制备流程图自上世纪

16、70年代美国Crucible厂和瑞典Stora厂相继工业化生产第一代的 PMHHS以来，制造设备和生产工艺经不断改进，目前己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PMHSS,其性能也有很 大不同，表1位三代PMHSS比较。表1三代粉末冶金高速钢的对比1习项目第一代粉末高速钢笫二代粉末高速钢第三代粉末高速钢代表产品乌克兰DSS厂GPM系 法国Erasteel公司列ASP2000系列奥伯乐钢厂Micro dean粉末冶金高速钢制备工艺小的地端炉和中间钢包较大中间钢包、ESH 需常注入弱水及大中间钢包ESH加电 磁搅拌、Dvalin粒度分布过筛累枳50%,对应的 平均

17、颗粒尺寸为 140国n.最大尺寸可达 10005】相对较宽,但比第一代 分布窄钢粉尺寸细且较均匀, 过筛累积50%.对应的 平均颗粒尺寸为60Pm. 最大尺寸可达500Mm成分波动较大比第代几乎缩小50%控制精确，波动范围进 一步缩小IE金属夹杂 物含量非金属夹杂物尺寸较大 且数量较多，1城钠中, 以50Pm尺寸计数,约仃06个非金属央杂物比第一代减少了 90%， len?铜中.以50pm尺寸 计数约有0 03个II1 夹杂物比第二代又减少90%, 1 cn?钢中，以50pn1尺寸计 数,约行0 002个非金属 夹杂物抗弯强度*比普通熔炼高速钢提高 比笫一代提高约20%.约1倍,强度为3 0G

18、Pa强度为3.5GPa比第二代乂提高20%，强度为4 2GPa.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,M。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;C。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比较了粉末冷金高速钢和具钢D2刀具的使用费用，粉末

19、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。粉木冶金高速钢可作加匚钦和铝合金等有色金网的刀具，用作加工齿轮铳刀、 滚刀、插齿刀、剃齿刀等刀具，也可用作侧面铳刀、成形铳刀和拉刀，也常用于 麻花钻、机用丝锥、较刀等制造。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

20、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 的切削场合乂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。10005000238)=葬 B0200.000400.000600.000产品数D2 PM HSS 工具寿命/重磨25.000 7痴000 重写次数 5至寿命,150.000 6(X).(XM)800.000图4刀具总费用随刀具数量的变化6.总结粉木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 钢的制备和生产匚艺，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