粉末冶金高速钢(以下简写为PMHSS) 是高速钢中的上品。多数工具厂对它只有一个模糊的概念,只知它是性能优良的高级高速钢,而不知目前在我国市场上同时存在化学成分相同而质量、性能不同的第一代,第二代和21 世纪初才开发呈现于市场的第三代PMHSS 。
1 　第一代, 第二代和第三代PMHSS 的差异
20 世纪70 年代PMHSS 由美国Crucible 厂和瑞典Stora 厂(现属法国Erasteel 公司) 相继投入工业性生产,此为第一代PMHSS ,其钢材夹杂物含量相当电弧炉+ LF 钢包精炼钢的水平。
1991 年瑞典Soedertors 厂采用了ESH 电渣加热法技术3 ,使钢更为纯净;与第一代PMHSS 相比,夹杂物含量可减少90 %,钢材抗弯强度约可提高20 %。采用ESH 技术生产的PMHSS 称为第二代,Erast eel 公司产品商标也改为ASP2000 系列,如钢种ASP2030 ,而其第一代产品称ASP30 ,二者的化学成分是相同的。2000 年奥Boehler 伯乐钢厂的PMHSS 全线制造设备投产,其生产设备是全世界最先进的,产品质量比第二代PMHSS 又有所提高,称为第三代PMHSS。特点是钢粉颗粒更细,过筛累积百分数为50 %所对应的颗粒尺寸为60μm ,最大钢粉尺寸为500μm ,二次枝晶臂距约为1μm;夹杂物数量减少,其最大尺寸减小;使钢的抗弯强度约比第二代的相应值提高20 %。该厂第三代PMHSS 以MICROCL EAN (微小纯净) 为商标,以替代第一和第二代的商标ISOMATRIX ( 各向均匀) 。如以前的PMHSS S390Isomat rix , 现改称S390Microcleon ,二者化学成分相同,但夹杂物含量、大小和强度不同。
法国Erasteel 公司从2002 年起对其第二代PMHSS 的生产全过程进行了研究,并作了改进形成Dvalin工艺。自2004 年起其商标称DvalinTM ,标志生产的第三代PMHSS 。第三代DvalinTM PMHSS 比第二代的夹杂物又减少90 %。若以每1cm3 钢中尺寸为50μm 的夹杂物数目计,则传统或第一代PMHSS 约含016 个,第二代的含0103 个,而第三代DvalinTM的则仅含01002 个。夹杂物的大量减少,使PMHSS 的抗弯强度逐代增加;以从<100 mm 材上取样测定的横向抗弯强度为例, 通常的M42 钢( S115 - 915 - 112 - 8) 为113GPa ,第一代PMHSS ASP30( S614 - 5 - 311 - 8) 为310GPa ,第二代PMHSS ESH ASP2030 为315 GPa ,而第三代PMHSS DvalinTM ASP2030 为412 GPa , 第三代PMHSS 的抗弯强度比第二代的抗弯强度又提高20 %。
2 PMHSS 的强度决定于其夹杂含量及尺寸大小
对普通熔炼铸锭高速钢来说,淬回火后基体中残余碳化物数量远大于夹杂物数量。以M2 钢为例,淬回火后残余碳化物总量不少于13 %(质量百分数) ,大颗粒碳化物尺寸近1215μm ,但其夹杂物量不会超过1 % ,故中国高速钢标准中只规定碳化物不均匀度而未对夹杂物规定检验条款。普通高速钢的强度决定于其碳化物网、带和堆聚的程度。PMHSS 是烧结制品,不分尺寸大小,在整个断面上其碳化物细小(1～3μm) 均匀分布,无碳化物不均匀性这个不利因素,最大碳化物尺寸不超过6μm。由于钢的抗弯强度与极限缺陷直径的平方根成反比,消除大的夹杂物是提高PMHSS 钢材强度和质量的根本途径之一。为此第二代和第三代PMHSS 都强调从工艺上大幅度减少夹杂物数量,特别是大夹杂物(25μm) ,目的在于提高PMHSS 的韧性、抗弯强度和疲劳极限粉末冶金高速钢。
( ) 产品属第一代M SS 水平的其生产厂有美国厂,乌克兰DSS 厂,日本日立金属和台湾荣钢(用DSS 厂钢粉生产PMHSS) 。在上述厂的技术资料中均未提及及已换用ESH 技术。
(2) 产品属第二代PMHSS 水平的在我国个别工具厂还有少量库存。它们为2004 年以前法Erasteel 公司生产的ESH PMHSS ,及奥伯乐钢厂2002 年以前生产的Isomat rx PMHSS。
(3) 产品属第三代PMHSS 水平的其生产厂有奥伯乐钢厂2002 年以后生产的Microclean PMHSS ,及法Erast eel 公司2004 年以后生产的DvalinTM PMHSS。
第三代PMHSS 带动了高合金高硬度新钢种的发展,第三代PMHSS 因夹杂物减少而钢的强度和韧性提高,可克服高速钢合金含量愈高,韧性愈低的问题。
国外PMHSS 生产厂不间断地对其生产设备和工艺的研究改进导致开发出第三代PMHSS ,其在静态及周期性负荷下的高强度和韧性,增加了其对机械冲击的阻抗力,使制成的刀具性能稳定性好。国内要求高性能刀具的航天部门可采用它。