关于CPM系列粉末钢详细材料

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CPM(熔炉斯伯粉末冶金工艺)高性能合金采用粉末冶金工艺制造。熔炉斯伯已经研发出一个完整系列的耐磨高钒工具钢-一耐磨无敌V系列工具钢:CPM3V、CPM9V、CPMIOV、CPM15V和不锈钢 CPM S30V、CPMS90V。这些钢种可以制作各种塑料加工工具如:喂料螺杆、简衬、回止阀制粒机刀片、注入咀、齐边模、模子、模芯和通道。由于CPM高速钢的优异的耐磨性和耐热性,也可有选择地应用在塑料加工过程中.

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钢水经气体雾化生成球状粉末颗粒 , 置于全属容器中抽 真空并密封 , 然后经高温高压 , 实现100% 固化。


$ q8 Y! q2 I, r+ {$ W7 N. z/ u' }5 M通过放大后的照片,可对比出粉末冶金工具钢 CPMlOV 同传统的D2钢的碳化物分布状况


回止阀总成中 , 锥头和挡圈是 CPM 产品 的最典型的应用。
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# |# j: y- _* F' T3 B' x' WCPM3V
% x$ _6 D2 R% J# W+ q; K) f　　CPM3V: 如果要求材料不但具有耐冲击工具钢的高冲击韧性,而且具备高合金工具钢的耐磨性,那么CPM3V 是最理想的选择。由于含有3% 的钒,其耐磨性远胜于D2,与M2相似。冲击韧性达到S7的水平,远高于其它任何工具钢 ,CPM3V非常适用于制造很多塑料成型过程中的组件如回止阀和螺杆。
; f  k) q3 }! A, x3 _4 D硬度:BHN229
5 W5 i: _+ `4 F6 I典型使用硬度 HRC58-60
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9 @! }4 E( ]# Y1 r5 M% ^CPM9V
　　CPM9V含有9%的钒,韧性好,耐磨性优异,其韧性超过A2,耐磨性可达到CPM10V的水平。CPM9V 在主要考虑韧性的情况下应该是CPM lOV良好的替代品。是制作喂料螺杆和制粒机刀片的最佳选择。用CPM9V制作喂料螺杆,同时用CPMlOV制作筒衬这种组合方式以被广泛认同为行业标准。
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$ M  E" P) `* ~0 MCPM10V
  Q' E$ [" F( D5 Q' C　　CPM1OV问世于1978年,已经被广泛地认同为耐磨高性能工具钢的标准。由于钒含量达到10%, 所以耐磨性超过D2和M4,一般用它来制做筒衬,回止阀组件,模芯和制粒机刀片,用来加工磨擦性较强的塑料。
CPM10V硬度值在BHN255左右,典塑使用硬度为HRC60-62
CPM15V
　　CPM15V含有15%的钒,所以比CPM10更耐磨,制成工具的寿命更长,是制作金属筒衬或陶瓷注射成型模具的首选。CPM15V硬度值为 BHN262,典型使用硬度为HRC60-62 。
  
CPMS30V
8 A0 }: C2 Q; j" W) G2 \" v; d, T% W, A　　CPMS30V是一种新型、通用,可热处理不锈钢,含钒(V)4%,其耐磨介于440C和90V之间,同 S90V相比,具有相同耐蚀性,但更易于热处理,磨削和加工,是制作大直径和长度较长的注射手口挤出用螺杆。
; e; Y  Y% I5 {! J3 z也可取代420XL来制作对硬度和耐磨性有较高要求的模具和挤出模。S30V也可代替440C 以获得极高的横向韧性和较高的耐磨性。
CPMS30V硬度约BHN255,其典型的应用硬度为HRC58-60。
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' z) V4 k* j8 G2 b' K' Z7 zCPMS90V
　　CPMS90V是一种含钒(V)9%的可热处理不锈钢,专为在强磨擦条件下使用并要求有好的耐蚀性 而研发的一个钢种。S90V可用于制作挤出模具,树指料湿切机刀片、螺杆、螺杆套、螺杆锥头、外套、逆止阀、模子。对于抛光性能有极高要求的地方,可选择S90V XL。
7 {" e) P4 B; n' ]0 z% q1 VCPMS90V硬度大约在BHN255,典型的应用硬度为HRC54-58。早在1970年熔炉斯独有的微粒治金黄色技术（CPM）就已经应用到商业生产中来制造高速工具钢和其它高合金工具刚。这种新技术不但可以用来生产性能卓越的高级工具钢，还可以生产传统工艺无法生产的更高合金比的超级合金。在许多应用领域，CPM产品所带来的利益大大超越了传统的模铸工具钢
传统治金工艺与微粒治金工艺
　　　传统的制钢工艺采用大电炉治炼，通常要经过二次精炼，如AOD。精炼之后的钢液经过中间钢包铸入钢锭模中成锭。

/ y; m$ M  B: s0 \9 Q　　尽管钢水中的元素分布是均匀的，但是由于在固化冷却的过程中合金元素偏析的存在，导致产均匀的铸造组织的生成。对于高速工具钢和其它的高碳工具钢，在钢水的冷却过程中，碳化物会在晶界析出形成粗大的网状碳化物 。后续的加工过程就是致力使其破碎，细化组织结构。但是无法彻底的消除这种这种由于偏析造成的影响。合金元素的含量越高，偏析对最终产品的性能所产生的负面影响就越大。

　　所谓熔炉斯伯“微粒”治金工艺（CPM）与传统工艺相比独到之处在于成锭过程，经过精炼的钢水通过一个喷嘴，高速气体的冲击使其雾化成为微小的球形液滴散落，快速冷却形成微粒粉末，并在雾化塔底部收集起来。实质上，可以将每一个微小的球状粉末颗粒都是视为一个微小的钢锭，由于冷却速度极高，从而阻止了偏析的形成，所以每个粉末颗粒的经学元素的分布是十分均匀的。细微的粉末颗粒尺寸和极高的冷却速度，使沉演碳化物的尺寸非常细小。CPM钢细微的碳化物在此后的加工过程中得持久地以保持，直至最终产品。

　　粉末微粒经过筛分，置于包套中并抽真空和密封，然后在相等于锻造温度条件下进行热等静压压制（HTP），使其成为完全致密、组织结构均匀、晶粒度细小的钢锭，高碳钢则呈现出极为均匀的碳化物分布状态。尽管钢锭是经过热等静压压制成型的，完全可以同传统钢锭一样采用锻造，轧制等通用手段进行加工。但是材料最终性能如韧性等的改善是巨大的.

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CPM优点：
* L- }% N7 ]! w8 G耐磨性=硬度+碳化物
　　工具钢的耐磨性取决于热处理硬度和金相结构中坚硬的合金碳化物的数量及类型，在同样的硬度条焦虑下，D2经A2的耐磨性要好，其主要原因是D2钢中铬的碳化物含量更高一些。
　　CPM 10V的耐磨性的提升源自较高的精细的钒碳化物含量。
　　加入钒合金，改善耐磨性
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钒碳化物
　　工具钢中最硬的和最耐磨的碳化物为钒碳化物。以往最耐磨的冷作工具钢为高钒型工内钢，A2和D2也就是A7和D7，其含有4-5%的钒，同时碳含量足够高以形成大量的钒碳化物。
　　在切削工具钢一节已经提到造成传统，导致工具钢耐磨性差异的主要合金元素为钒。M4（4%V）和T15（5%V）被公认为最耐磨的高速工具钢，可用于在切削加工和冷作加工。
! p; V2 X2 u5 I2 L" O正如CPM工艺可以允许高速工具钢含有更高的合金化元素来提高红硬性和耐磨性一样，可用这一特
9 ]- B8 n. }7 I& y点来生产出高耐磨性的冷作工具钢。可以用CPM工艺来增加钒含量，使其大大超过传统制钢工艺所能允许的钒含量上限。高钒钢CPM 10V和最新研制的CPM 15V，填补了工具钢与碳化物之间的空白。
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熔炉斯伯已经研发出CPM“Killer V”系列工具钢，来满足对耐用磨性的不同需要。
2 ~6 m% Z8 h8 l' o. @　　磨削性的测量可以描述为磨掉金属量同砂轮消耗量之比，比什愈高金属愈容易磨削。
　　上面的实验室数据主要说有三点结论：
1． CPM钢的磨削性总是比传统钢要高；
$ P. R6 U" S8 [: c2． 硫化钢的磨削性总是比非常硫化钢要高；
9 U0 C" `$ H, H3 Z3． 随着钢中总合金元素的增加，其磨削性降低。
1 `2 t4 i$ C0 B/ @; u/ ~  注：当在传统钢种之间进行比较或者在CPM钢种之间进行比较，结论是正确的，然而，由于CPM工艺的特点同传统的合金含量低一些的钢种如M3相比，一些高合金比的钢种具有更高的磨削性。
关于耐磨性和韧性的关系
　　一般来说，耐磨性的提高就意味着要损失韧性，加工性能和使用性能。耐磨性受硬度过化学成分的综合作用的影响。化学成分决定着碳化物的类型和数量。最硬的碳化物之一是在CPM工具钢中发现的钒碳化物。与传统的工具钢不同，CPM在具备耐用磨性的同时，仍然保持良好的韧性。消除偏析
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0 y3 t) q: j+ l& N% c. L, B- ~　　高合金钢在结晶的过程中合金元素会出现偏析的倾向,一般来说由于钢链的中心需要数小时才能结晶,同只需几分钟就会结晶的表 层相比合金元素含量更高,晶体结构更粗大。高碳钢(如工具钢 ),在结晶时,碳化物会大量析出沉淀至晶间 , 形成碳化物网状。必须对 钢进行热处理和热加工才能使这样的铸造组织得到均匀化处理来破碎 碳化物网 , 显著改善机械性能不口机加工性能。以传统工艺生产的工具 钢 , 无论经过多少的压力加工 都无法消除不均匀的铸造组织残留碳化物从而对工具钢的制造和性能产生负面的影响。

　　CPM钢是将微小的金属粉末颗粒经过 HIP(热等静压)工艺固化在一起,每一个微粒具有相同的化学成份和分布非均匀的细小碳化物。由于粉末颗粒不存在合金元素偏析问题，所以其压制品也就没有偏析问题。HIP（热等静压）过程是在抑制生成大量碳化物的温度条件下，使微粒间扩散弥合，从而形成一个整体。分布均匀的微小碳化物颗粒也起到防止晶粒长大的作用，所以最终组织的晶粒是非常均匀细小的。

这两幅照片充分说明CPM产品的成功之处，请对比一下CPM产品细小的分布均匀的碳物和传统产品的粗大而不规则的碳化物.

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CPM产品组织结构

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研发改善切削性能的高速工具钢

　　对于高速工具钢，CPM的优点是最明显的，由于特别的化学成份，比较高的合金元素，如果采用传统的查铸艺生产，非常容易产生偏析现象。

. \9 W7 N" L5 Y. B6 Y　　如上所述，增加合金元素和碳含量，固然会改善耐磨性和耐热性，但同时会降低韧性和磨削性能。如T15这类钢如果采用传统工艺，不但很难生产，很难加工，而且会由于太脆而无法使用。
. Z$ ^9 |5 y9 x- k! iCPM工艺确能在不损失韧性和机加工能力的前提下将高全金工具钢的性能得以实质的提升。合金素含量越高，就愈适用于采用CPM工艺，自然也包括超级高速钢，（CPMRex 20,CPM Rex76和CPM Rex121）和其它无法用传统工艺制造的合金钢。

　　为了满足行业对更好的退火后加工性能的要求，熔炉斯伯于上世纪70年代中期推出了高硫改进型工具钢。典型的硫含量为0.20-0.25%.由于CPM工艺细小的金相组织结构决定了其遗传特征。机械加工能力得到显著的改善，而其热处理后的韧性特征几乎没有降低。
HS（高硫）改进型还有助于硬化工件后的加工，这一特点特别有益于那些需要对联具（如滚齿等）进行大量修复加工的制造商。
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. e& ~- z& X* t9 J9 Z/ |2 `　　 对于大多数钢种的大直径棒材，高硫（HS）改进型是一种（产品）标准
CPM优点
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* y8 u" E3 H) Y1 d对于工具制造商而言： 对于使用者而言：
% X; {7 _0 _3 T% K持续稳定的热处理结果

+ e2 Z- Y& r% z2 h- @' v5 F& w7 U! I可生产高合金钢


) `2 o6 e. d4 i% |& W9 _+ E0 _8 h热处理过程中可以予见的尺寸变化
: I2 X; J* ]& H) b) ~耐磨性的改善
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1 i' ]: p- k9 P( O6 ?- ^优异的磨削能力
工具性能持续稳定
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7 o) G: }! ~3 G% a' `8 C' s: a/ O# }稳定的涂镀
良好的磨削性（重新修复）

5 F# v* o# K- ^$ S5 M% l7 k6 ^机加工性能的改善
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电火花加工效率