粉末高速钢是粉末冶金高速钢的简称,是通过采用粉末冶金方法制备得到致密钢坯,再经热变形、热处理而得到的高速钢。粉末冶金技术解决了传统高速钢冶炼过程中一次碳化物粗大和组织严重偏析等问题,改善了组织的同时使用性能得到极大的提升。粉末高速钢具有无成分偏析、晶粒细小、碳化物细小、热处理变形小、硬度均匀、韧性和耐磨性良好等诸多优点,广泛用于制造难加工材料的切削工具,尤其适合制作大型拉刀、立铣刀、滚刀和剃齿刀。粉末高速钢的生产工艺技术在国外已经成熟,主要集中在少数发达国家,对我国实行技术封锁,我国的粉末高速钢材料和产品多依赖进口,我国一直致力于该技术的研究和产品试制,目前仍处于研发和试生产阶段。粉末高速钢中出现的粉末颗粒粗大、原始粉末颗粒边界(Prior Particle Boundary,简称PPB)问题、陶瓷夹杂问题以及烧结窗较窄、烧结工艺控制难度较高等问题是制约粉末高速钢性能提升的关键,也是各国研究人员旨在解决和突破的技术难点。本文以实现高性能粉末高速钢的制备为目标,以ASSAB PM30粉末高速钢为研究对象,进行粉末特性和制备工艺的研究,采用“粉末制备-成形烧结-组织分析-性能测试”的研究思路,归纳影响烧结致密度和组织均匀性的关键因素;在此基础上研发了新的高速钢粉末制备技术,并对粉末烧结特性进行研究;进一步地研究热处理工艺及性能;最后对氮化物强化粉末高速钢的组织、性能及氮气反应烧结机理进行研究。对气雾化高速钢粉末的形貌、粒径、压制性、粉末组织等进行分析,表明传统高速钢粉末具有粒径较粗、压制性较差的特点,适宜采用包套热等静压工艺烧结。在包套热等静压烧结过程中,发现存在PPB和微观组织不均匀的问题。分析表明:PPB问题主要是由于高温产生气体无法排出,在冷却过程中以孔洞的形式存在于粉末颗粒表面而产生的;微观组织不均匀主要是由于粉末组织不均匀导致的。为解决上述问题,分别采用常压烧结、粉末筛分、球磨等处理。研究发现:与氩气气氛烧结相比,真空烧结更有助于烧结致密化;相比于筛分处理,球磨处理的效果更好,能够有效改善组织均匀性,极大地提高粉末的利用率。真空烧结下,筛分的细粉(<30μm)的最佳烧结温度(Optimum Sintering Temperature,简称 OST)为 1250℃,致密度达 99.0%;球磨48h后,在1250℃进行烧结,粉末高速钢的密度为7.98g/cm3,致密度达99.3%。细粉具有较好的烧结性,有助于改善粉末高速钢的组织。为了获得粒径更细的高速钢粉末,采用水气联合雾化工艺进行粉末制备,平均冷速为103～104K/s,粉末平均粒径D50为9.64μm。相比于气雾化粉末,细粉得率和组织均匀性得到了极大的提高,然而粉末氧含量较高。研究发现,通过碳脱氧可以消除粉末高速钢中的大部分有害氧,氧含量可从2300ppm降至65ppm,没有出现PPB问题。水气联合雾化的高速钢细粉具有较好的烧结性,相比于气雾化粉末,水气联合雾化粉末的OST更低、致密度更高、组织更均匀。在真空条件下,水气联合雾化粉末的OST为1230℃,烧结密度为7.98g/cm3,致密度可达99.3%,碳化物仅有1～2μm且分布均匀。为获得最佳的力学性能,对ASSAB PM30粉末高速钢进行热处理,同时分别添加0、0.3、0.6wt.%C和0、1.0、2.0wt.%Ti,并对其组织和性能进行分析。结果表明:添加0.3wt.%C和2.0wt.%Ti的粉末高速钢综合性能最好。此外,在对强度要求不高、硬度要求较高的领域,可以通过多添加碳含量的方式来提高硬度,添加0.6wt.%C的样品硬度达68.1HRC。同时,为了进一步提高样品致密度,分别采用无包套热等静压和锻造处理,均可获得全致密粉末高速钢,致密度达99.9%,综合性能良好。此时,经无包套热等静压和锻造处理的样品抗弯强度、冲击功和硬度分别为4253MPa、3698MPa,20～26J、25～30J,65.3HRC、65.2HRC,性能堪比第三代粉末高速钢。通过反应烧结,可以获得细小VN强化的粉末高速钢。通过对高速钢粉末烧结过程中形成VC和VN的稳定性进行分析,发现从室温到1300℃,VN相的反应吉布斯自由能为负,且均大于VC相;VN相的形成能也小于VC相,分别为-9.44895eV和-9.08125eV,表明VN相更稳定。因此,含钒高速钢粉末在氮气气氛烧结过程中,氮与钒会发生原位反应,形成VN强化相。由于氮参与反应,使得基体中碳含量过剩,打破了原有的碳平衡。为了实现新的碳氮平衡,分别研究碳含量1.2wt.%、1.0wt.%和0.8wt.%的粉末高速钢烧结组织和性能。结果表明:碳含量为1.0wt.%时,样品中碳/氮达到平衡状态。此时,碳化物最细小、组织最均匀,碳化物主要为M6C,氮化物主要为VN,M6C的晶粒尺寸约为1μm,MN的晶粒尺寸约为0.5μm,样品具有最优的综合力学性能,硬度为65HRC,抗弯强度为3011MPa,冲击功为18～22J。