1　前言
高速钢的生产大多采用传统冶金方法,即铸锭-锻造法。采用传统方法,由于它的合金含量高、化学成分复杂、铸锭尺寸大和冷却速度缓慢等原因,凝固时不可避免的会产生碳化物组织的偏析。偏析的存在,不仅给钢的锻、轧等热加工造成困难,而且也损害了钢的各种性能。
自70年代初以来,在粉末冶金领域由于采用雾化法制取预合金粉末的迅速发展,使制取高性能的高速钢成为可能,雾化法制取的预合金高速钢粉末几乎无宏观偏析[1]。
粉末冶金高速钢(简称粉末高速钢)的生产有两种方法,一种是以气雾化预合金粉末为原料的“气雾化-热等静压法”,另一种是以水雾化预合金粉末为原料的“水雾化-直接烧结法”(即水雾化粉末-还原退火-模压成形-真空烧结法)。
气雾化粉末和水雾化粉末的性能有很大的差别。气雾化粉末为球形颗粒,压制成形性很差,振实密度大约为65%的理论密度。水雾化粉末为形状不规则的颗粒,氧含量比较高(可达3000×10-6),使用前必须在真空或者Ｈ2气中进行退火,以降低粉末硬度(从600 700ＨＶ降低到250300ＨＶ)和氧含量(降低到1000×10-6以下)。退火后的水雾化粉末在800ＭＰａ的成形压力下大约可以达到75%的理论密度。
气雾化-热等静压法适用于高合金牌号粉末高速钢(如瑞典的ＡＳＰ和美国的ＣＰＭ)的生产。直接烧结法比较适合于含钒量高的粉末高速钢的生产,它通常是在真空或Ｈ2 Ｎ2 渗碳气体的气氛中和稍高于合金固相线温度的条件下进行烧结,这种方法所用设备投资比较少,便于小规模生产,产品多为接近于最终形状的预成形坯,单件重量一般不超过10ｋｇ。
美国Ｃｒｕｃｉｂｌｅ公司、瑞典Ｓ ｄｅｒｆｏｒｓ工厂和日本神户钢铁公司所生产的粉末高速钢为气雾化-热等静压粉末高速钢。英国的Ｐｏｗｄｅｒｘ公司采用水雾化-直接烧结法生产粉末高速钢,该生产工艺的专利许可证遍及英国、美国、德国和日本的许多生产厂家[1]。
本文所介绍的主要是水雾化-直接烧结法生产粉末高速钢的研究和发展动向。

2　提高烧结高速钢烧结性能的方法
传统粉末高速钢在工业条件下进行烧结的主要问题有两个。一是烧结温度范围太窄,炉温控制有困难;二是所需要的烧结温度偏高(通常为12301320℃),不能选用工业上常用的连续网带式烧结炉(其最高使用温度为1150℃)。
欲解决上述问题需要从以下四个方面入手。

2.1　使用烧结添加剂
向高速钢基体粉末中添加Ｃｕ-Ｐ、Ｆｅ-Ｐ共晶或者Ｃｕ3Ｐ、Ｆｅ3Ｐ粉末可以把烧结高速钢的烧结温度降低到11201150℃,其机理是,低熔点磷化物-碳化物的共晶反应生成了液相。以添加Ｃｕ-Ｐ合金粉末为例,在大约720℃,Ｃｕ-Ｐ共晶熔化,并且磷化铜(Ｃｕ3Ｐ)与钢基体发生反应,生成富铁的磷化铁(Ｆｅ3Ｐ)和剩余铜。
所有来自钢基体合金化元素,例如铬、钒、钼和钴,也溶解在磷化物相内,并且铜也含有某些溶解的铁。在较高的烧结温度下,发生一系列的液相烧结反应,使得烧结曲线的斜率发生明显变化。在高速钢粉末中添加7%磷化铜和25%石墨,真空烧结30ｍｉｎ后的相对密度与烧结温度的关系见图1[2]。
高速钢-磷化铜混合料Ｍ3/2、ＢＴ1、ＢＴ6、ＢＴ15、ＢＴ42、ＢＴ42Ｖ分别达到最高烧结密度8.15、8.69、8.95、8.20、8.24、7.91ｇ/ｃｍ3时的烧结温度分别为1125℃,1190,1150℃,1130℃,1085℃,1110℃。
使用铜磷添加剂的钢在连续网带式烧结炉内可以进行致密化烧结,但不能使用传统的热处理工艺进行淬硬,因为在高速钢常用奥氏体化温度(11501300℃)将造成磷化物共晶和晶界相的局部熔化。尽管如此,这些钢由烧结温度冷却下来仍能得到相当高的硬度而成功地用做汽车上的耐磨凸轮。

2.2　利用平衡相图预测超固相线液相烧结温度
这种方法已经被成功地用于降低烧结温度和拓宽烧结温度范围。对于Ｔ1牌号的高速钢,根据Ｆｅ-Ｗ-Ｃｒ-Ｃ系在18%Ｗ-4%Ｃｒ时的伪二元相图,将碳含量由0.8%增加到1.4%时,其烧结性能明显改善,最佳烧结温度由1320℃降低到1240℃(见图2)[3],烧结温度范围大约由10Ｋ扩大到40Ｋ。
 

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