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粉末高速鋼的應用與推廣

作者:來源:日期:2018-11-19 16:51:46人氣:2824
    高速鋼的制造方法有兩種,一為傳統的鋼錠澆鑄,另一種則為利用粉末冶金方法制造。傳統冶煉制造通常又分為二次精煉(EAF+LF+VD)或電渣重熔(ESR)制程兩類,上述方法中由于金屬液緩慢冷卻,會造成合金的不均勻偏析和合金碳化物的生長粗大化,而影響到高速鋼的性能。雖然后續的熱作制過程,可將鋼錠的鑄造組織加以改變及細化,使不良影響減低,但是卻無法消除原先的鑄造組織,因而對物理及機械性能都有負面的影響。由于人們希望能改善傳統高速鋼的質量,特別是希望大直徑高速鋼碳化物顆粒尺寸能夠細小且分布均勻,巨觀的偏析產生,使得橫向及縱向的機械性質沒有差別。因而在1965年于美國開始發展合金粉末制造過程,生產出了組織均勻無方向性的鋼種.發展至今,粉末冶金制造過程,已正式成為當今制造高性能工具鋼的主要方法。 
    此制造過程的主要原理是:將已調配合金成份的高溫熔融鋼液,流出時加以高壓氮體霧化,使其快速凝固成均勻組成之粉末顆料,再經過篩選并充填至已抽真空且密封的圓柱形鋼瓶中,并進行熱均壓(HIP),使鋼瓶內的顆粒成為完全密實的材料,再直接經由傳統鍛造,輥軋成不同形狀之產品,如:圓棒、板材、片材和線材料等來供應工業界使用。 
    粉末高速鋼在實際使用上的主要優點有: 
    1、磨削性好; 
    2、熱處理變形小及硬度均勻性佳; 
    3、韌性高; 
    4、耐磨耗性佳; 
    5、使用壽命長且穩定。 
    由于生產粉末高速鋼具有一定之技術門檻,目前在全世界粉末高速鋼的生產廠家并不多,主要集中在歐洲、日本及美國,代表廠有美國Crucible,歐洲(ASSAB、Soderfors、Erasteel、Bohler、DSS、Carpenter),日本(Hitachi、Daido、Nachi、Kobe)。中國目前并沒有實際商業化生產粉末高速鋼,全部由國外進口。因此在多數中國使用者印象中對粉末高速鋼只存有模糊的概念,只知它代表一種性能優良且價格很貴的高級高速鋼。其它的了解及如何應用并不清楚。由于粉末高速鋼品種牌號相當多,筆者僅就幾種本公司經常庫存同時較常用到的四類鋼種做說明,提供廣大使用客戶參考及選擇。 
    高速鋼工具鋼的分類與性質比較 
    選擇合適的高速鋼作為切削工具時及模具時,有三項重要的性質是必須慎重的考慮。分別是耐磨性、韌性及高溫硬度,以傳統M2為基礎,從合金元素的角度來看,三個主要發展方向是: 
    (1)提高釩(V)含量,以增加耐磨耗性。 
    (2)提高鈷(Co)含量,以增加熱間硬度。 
    (3)同時提高釩及鈷的含量,而兼顧耐磨耗性及熱間硬度。 
    以下就對四種粉末高速鋼與傳統高速鋼做比較并且分別說明之: 
    (A)  PM-A23 
     PM-A23是目前使用上最多的粉末高速鋼,它相當于ASP23 是目前所有高速鋼中韌性最好材料,同時又有極佳之耐磨耗性的鋼種。一般來說高速鋼中耐磨性會隨其合金成份和最高硬度增加而提高,而韌性則會隨合金量的增加而降低,因此才會在傳統高速鋼M2的基礎上開發出PM-A23。耐磨性好壞取決于熱處理后的硬度以及碳化物的形成有關,PM-A23在M2中增加碳及釩,提高耐磨耗性。同時在考慮韌性的前提下,使用粉末冶金制程改善韌性,使粉末PM-A23的韌性高于傳統M2高速鋼,根據統計其韌性約為傳統高速鋼的2-3倍,耐磨性亦為了3-5倍。使用范圍頗為廣泛,適用于各種沖壓模、嵌入模、粉末成型模以及刀具中之拉刀、銑刀、絲攻、剪切刀中,任何需耐磨或強韌性的零件均可適用。綜合上述兩項性質,PM-A23是目前市場上最通用與最佳性能的高速優質鋼。使用硬度上則因不同行業而有所不同,視生產需要而定,一般在HRC 60-66之間,最為合適,太高或太低都不正常。 
    (B)PM-T15 
    PM-T15是一種鎢基高速鋼,具有非常高的硬度及耐磨性,又含有鈷,因而具有良好的熱間硬度。適用于重切削,高切削效率及大進給高硬度之難加工材料,常常被用在取代碳化鎢零件來使用,具有很高的評價,耐磨性約為傳統高速鋼的5-7倍,韌性與M2約略相同,廣泛應用在滾齒刀、拉刀、銑刀、絲錐、以及需要耐磨之沖壓模具,精密下料等。尤其是在航空工業高溫合金渦輪盤扁拉刀的首選材料,以及制作加工難切削材和調質材的絲錐及模具銑刀。 
    由于含鎢量高,具有很高之耐磨性,特別適合于精密沖模上,特別是使用PM-A23產生易磨損或壽命不夠長時,可以PM-T15代替,但建議在沖壓件上使用時、工件厚度最好不要超過2.5mm厚度,一般常用硬度約為HRC 65-67。 
    (C) PM-10V 
    PM-10V在國內熟悉程度較低,但在歐美國家卻被廣泛應用,其中最具特色的性質就是它的高耐磨性。是以磨耗測試的實驗數據,將PM-10V與其它幾種高速鋼的比較。值得一提的是PM-10V由于含有接近10%之釩成份,因此產生最具耐磨性VC碳化物,所以雖然硬度只有HRC60左右,但仍比 PM-T15 HRC67 有更好的耐磨性并不需要做到更高硬度就可以達到耐磨的目的。這主要是和碳化物型式及數量有關。 
    一般來說PM-10V耐磨性是傳統高速鋼的7-10倍。對用于取代碳化鎢和其它要求高耐磨性材料是最佳的選擇。特別是用在切刀片、粉碎機葉片、剪斷及剪切之刀口。粉末成型模具及其它要求耐耗之零件。一般使用建議硬度為HRC 60-62。PM-10V 主要是靠碳化物形成增加耐磨性,但有時候在使用時,需要更高的硬度以抵抗不正常之粗粒磨損現象或是需要有更好的抗壓降伏強度時,我們會建議使用PM-T15來代替。 
    (D)PM-A60 
    PM-A60相當于ASP-60是一種高碳、高鈷之粉末高速鋼因為含鈷量高(>10%)。因此具有優異的熱間硬度及強度,在需兼具熱間硬度,耐磨性及韌性的場合,此種鋼材是最佳選擇。一般使用硬度可以達到HRC 67-69適合在高速沖模模具、沖頭、銑刀、精加工立銑刀、拉刀上。此種鋼種由于合金含量高,因此價格也高,通常在日資、臺資商接受程度較高,在美國市場較為少用。 
    結語 
    粉末高速鋼,由于良好的組織均勻性和碳化物無偏析的特點,彌補了普通高速鋼的先天缺陷,使鋼材質量和性能得以全面提升。對目前工業提升增加了莫大的推動力,但是因為對粉末高速鋼材料特性的不了解,因此一般的使用者并無法在付出高價的同時得到相當的回報。這其中主要是與材料選用,熱處理以及加工上的專業知識有關。尤其是在熱處理工藝上與傳統高速鋼有極大的不同,具有極高的工藝技術。由于國內熱處理業者,程度參差不齊,我們發現目前絕大多數國內粉末高速鋼使用者,產生問題中有98%以上是存在于熱處理問題,這一點與熱處理技術開展較為成熟的日本及臺灣差異較多,因此,我們建議使用者在使用粉末高速鋼時選擇較正規及專業程度化高的供應商。同時要求其提供相對應的配套服務,這樣對使用者來說是較有保障的。
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