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抗开裂、抗变形、抗过早磨损:粉末冶金钢是传统工具钢的替代品

许多冲压加工应用要求冲模和冲模组件要承受严酷的负载条件和长时间的生产运行。在这种情况下,常规的工具钢牌号,例如美国钢铁协会(AISI)A2,S7或D2,可能无法提供必要的抗压强度或耐磨性。

如果需要更高的抗压强度,一些工具制造商可能会选择使用AISI M2等高速钢。但是,需要权衡取舍-在许多情况下,这些常规材料的工具寿命相对较短。

面对这种困境,工具制造商可能会选择硬质合金作为替代,因为这种工具材料固有地非常坚硬并且具有很高的抗压强度。但是,硬质合金刀具对弯曲和冲击载荷的抵抗性较差,因此不像工具钢那样具有抗冲击性。

粉末冶金粉末冶金工具钢被开发为这些类型应用的替代品。典型和最常见的粉末高速钢代表为ASP23(PM23)/ASP30(PM30)/ASP60(PM60).这些工具材料可以经过工程设计,以应对特定的故障,例如破裂,变形或过早磨损。

通过粉末冶金工艺制造的工具钢在所有方向上均具有均匀的特性,这一特性被称为各向同性行为。其他属性包括:

1.高耐磨性。
2.耐碎裂和开裂。
3.高抗压强度。
4.热处理过程中尺寸的可预测性和可重复性。
5.极好的可磨性。
   
图1
 
冲头和模具磨损
为了提高工具钢的耐磨性,有必要添加相对较高百分比的合金元素,例如铬,钼,钒和钨。另外,工具钢必须具有高碳含量。

碳与合金元素之间的反应导致形成碳化物。合金碳化物是硬的,耐磨的颗粒,形成在钢的整体或基体内。随着碳化物颗粒的百分比增加,钢的耐磨性也增加。

向常规生产的工具钢中添加高比例的合金元素往往会显着降低其韧性。通常,随着合金元素百分比的增加,脆性变得更大,并且容易受到常规工具钢的崩裂和开裂的影响。

钢材抗龟裂或抗崩裂的指标是其抗冲击强度,它是通过测量钢样品断裂时吸收的能量来确定的。图1显示了一些常用工具钢的无缺口冲击韧性的相对比较。由于粉末冶金工具钢具有更高的冲击韧性,因此在维修过程中更有可能抵抗故障。

工具钢制造工艺
要了解粉末冶金过程,了解常规工具钢合金的生产原理可能会有所帮助。工具钢是通过在电弧炉(EAF)中熔化原材料来制造的。通常,这些炉子每次加热最多可熔化50吨钢。
 

      图2:此图说明了典型粉末冶金制造过程中的步骤。
 

然后将钢水转移到精炼容器中,在其中调节钢的成分以产生最终的化学成分。通常涉及几个附加步骤,例如炉渣处理和脱气程序,以去除可能存在的不良元素。

精炼后,将钢水倒入大型铸模中,在铸模中钢水凝固成称为锭的简单形式。这些铸锭需要几个小时才能完全固化。这个相对较长的时间导致大量的化学偏析,这意味着化学成分在整个铸锭的横截面中都变化。随着钢中合金含量的增加,这些差异变得更加明显。

隔离的另一种形式也是一个问题。如前所述,合金元素和碳反应在钢中形成碳化物。碳化物在铸锭的整个横截面中分布不均匀,而是集中在某些区域。这些隔离区域通常称为碳化物网络。

在某种程度上,热处理和机械加工(例如锻造和轧制)消除了化学偏析的模式。但是,以前的碳化物网络倾向于将其自身与主要的热加工方向平行排列。硬质合金颗粒固有地非常坚硬且易碎,当它们形成长的桁条时,它们会在钢中充当应力提升剂。这些区域更容易形成裂纹,从而降低了钢的整体韧性。
 

图3:
 
此处显示了传统D2和粉末冶金D2工具钢的显微组织。由于快速凝固是该过程的特征,因此碳化物颗粒(白色区域)在粉末冶金工具钢中分布更均匀。
工具钢生产的粉末冶金过程
粉末冶金过程始于生成非常细小的粉末颗粒,这些颗粒是通过称为雾化的过程形成的。起始原料的熔化方式与传统工具钢类似。但是,钢水并未从钢包倒入铸锭模中。取而代之的是,当钢包被攻丝时,钢水流可以通过一系列喷出高压氮气的喷嘴流动。当氮气撞击钢水柱时,钢被分散成细小的颗粒,并立即凝固。

每个形成的粒子本质上都是一个微小的锭。因为粉末仅在几分之一秒内固化,所以可以防止偏析问题。因此,粉末的化学组成从一个颗粒到另一个颗粒是一致的,并且形成的合金碳化物很小,呈球形且分布均匀。

粉末不是在露天条件下处理的,而是在受保护的气氛中直接倒入钢制容器中。然后将容器抽真空,并焊接顶部。

密封的容器在称为热等静压(HIP)的操作中进行处理。在该操作期间,在高温下,容器从各个方向承受相等的压力。高温和高压的结合导致粉末的完全粘结,从而产生了一块完全致密的钢,然后可以将其锻造或轧制成所需的尺寸。典型过程的示意图如图2所示。

在粉末冶金过程中发生的快速凝固产生了高度合金化的工具钢,这些钢既没有化学成分也没有碳化物偏析。为了了解粉末冶金工艺产生的不同结果,将常规工具钢的微观结构与粉末冶金工具钢的微观结构进行比较可能会有所帮助(请参见图3)。

常规钢中的块状硬质合金桁条是固有的应力升高,可以使钢更易于碎裂和开裂。粉末冶金工具钢中均匀的球形碳化物颗粒可提供耐磨性,而不会降低钢的韧性。

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