高速钢热处理

高速钢热处理

 高速钢是高速工具钢的简称， 俗称 “ 锋钢” （ 因为在空气中也能淬硬 ， 也称 “ 风钢” ）。 自1898年美国人Fred W ∙ Taylor 及其助手 M ∙ Whiet发明高速钢至今。纵观目前世界上所有的钢种， 无论其化学成分、 组织、性能之间的复杂关系，还是冶炼、浇注、锻造、辊轧、拉拔、塑性成形和热处理等整个制造过程的难度 ， 高速钢无疑使最难搞的钢种之一 。

1. 高速钢分级淬火用盐浴

 从中国有高速钢盐浴加热淬火以来 ， 就沿用前苏联的5-3-2配方 （质量分数，） ， 即50BaCl2 30KCl 20NaCl ， 熔点温度560 ℃ ， 使用温度580 ～ 620 ℃ 。 对于有效尺寸在20mm以下的工具或HSS钢制件 ， 均可达到65HRC以上的高硬度 ； HSS-E钢制件均可达 ≥ 66HRC。 

我国的工具行业 ， 使用这个分级淬火工艺 ， 创造一个又一个省优 、 部优 、国优， 说明它极具生命力 。 时代在发展， 技术在进步 ， 随着人们对冷却速度重要性认识的深化 ， 发现工件在800 ∼ 1000 ℃ 的平均冷却速度40mm以上的工件可采用先油冷却后转分级盐冷 ， 然后再到硝盐中分级 ， 这样可以保证热处理后硬度 ≥ 65HRC 。

2. 回火程度及其次数

高速钢淬火后必须回火 ， 而且要及时 ， 回火的目的有4个 ：

① 彻底消除淬火应力 。

② 促使残留奥氏体充分分解 。

③ 产生最佳的二次硬化效果 。

④ 达到所要求的综合力学性能和良好的使用性能。

回火温度540 ∼ 560 ℃ ， 不管是盐浴淬火还是真空淬火 ， 拟选用100KNO3或100NaNO3盐浴 ， 保温1h 。 每次回火后一定要冷到室温方可进行下一次回火 。 回火次数一般为3次 ， 如果回火不充分 ， 或经等温淬火者 ， 以及高性能高速钢制件 ， 均要进行4次回火。

回火程度一般分三个级别 ， 不是依回火次数为据 ， 而是金相说了算。

一级 （ 充分 ） ： 金相上表征为黑色的回火马氏体 星星点点的碳化物 。

二级 （ 一般 ） ： 个别区域或碳化物堆积处有白色区存在 。

三级 （ 不足 ） ： 较大部分视场为白色区 ， 隐约可见淬火晶粒 。

 欲进行蒸气处理 、 氧氮处理等工具需在回火温度区域表面强化者 ， 回火程度达二级即可 ， 这样可以节能 。 检查回火程度用4硝酸酒精溶液侵蚀 ， 温度18 ∼ 25 ℃ ， 侵蚀时间2 ∼ 4 min ， 500倍显微镜下观察 ， 以最差视场为判据 。

 3. 二次贝氏体处理

 为了提高刀具的韧性 、 强度和切削性能 ， 工具厂往往采取一次贝氏体处理 ， 即中性盐浴480 ∼ 560 ℃ 分级后立即转入240 ∼ 280 ℃ 硝盐浴中等温1 ∼ 2h ； 二次贝氏体处理适用于形状极其复杂的特大型刀具 （ 如模数> 15的铣刀 、 滚刀以及有效厚度> 100mm的有孔刀具 ） ， 在第一次贝氏体处理时产生40 ∼ 50的下贝氏体 ， 其余是残留奥氏体及少量的碳化物 ， 在第一次回火过程中 ， 就有大量的残留奥氏体转变为马氏体 ， 第一次回火出炉后不要放在空气中冷 ， 而是直接转入240 ∼ 280 ℃ 的硝盐浴中等温一定的时间 ， 不让残留奥氏体转变成马氏体而转变成贝氏体 ， 即所谓的二次贝氏体处理 ， 这样可以减少和防止大型复杂刀具的开裂倾向。

二次贝氏体处理工艺虽复杂些 ， 但对防止大型刀具热处理开裂很有好处 。 回火过程要缓慢升温 ， 每次回火应低于500 ℃ 入炉 ， 回火出炉后不准风吹 ， 最好静冷 。 由于二次贝氏体处理 ， 4次回火不一定很充分 ， 应补充一次回火 。

 4. 摩擦焊刀具的热处理

 为了节约昂贵的高速钢 ， 国内外普遍采用摩擦焊生产φ10mm以上的杆式刀具 。 摩擦焊时产生1000 ℃ 以上的高温 ， 在焊缝两侧很小的区域产生较大的温差 ， 焊后若直接空冷 ， 焊缝的高速钢一侧发生马氏体转变 ， 而结构钢一侧空冷只发生珠光体转变 ， 由于比体积的差异 ， 将引起很大的组织应力 ， 以致产生开裂 。 为此 ， 焊后的刀具应立即放到650 ∼ 750 ℃ 的炉中保温 ， 待料罐装满后保温1 ∼ 2h退火 ， 炉冷至500 ℃ 以下出炉空冷 。 如果生产量很大 ， 不便实施上述工艺 ， 应将焊件保温温度选择在740 ∼ 760 ℃ ， 保温时间延长至2 ∼ 3h ， 使焊缝两侧充分转变成珠光体 索氏体 ， 随后空冷再退火 。

 摩擦焊刀具淬火争论的焦点为是否超焊缝加热 。 超焊缝加热的论据 ： 改善了焊后的原始组织 ， 考验了焊接质量 ， 提高了焊缝强度 ， 充分利用了高速钢 ； 低于焊缝加热的论据 ： 为了防止淬火裂纹 ， 避免质量纠纷 。 超焊缝加热的刀具严禁酸洗 ， 如果一定要酸洗 ， 必须控制好酸的浓度 、 酸洗的时间 、 酸液温度三大要素 ， 防止氢脆 。

 5. 深冷处理

高速钢刀具经正常淬火 、回火后的组织是回火马氏体微量残留奥氏体碳化物。对于要不要消除残存的微量（<5%）残留奥氏体，认为完全没有必要。高速钢刀具正常淬火经550∼570℃×1h×3次回火后，热处理已达极致，再经深冷处理有画蛇添足之嫌。奥氏体是钢组织中极软的相，其硬度只有200HBW左右，与高速钢刀具使用硬度65∼66HRC相比后可以看出，过多的残留奥氏体显然不会使刀具高硬度。

高速钢刀具与其他超硬材料刀具相比，最大的优势是韧性稍高一点，深冷处理使残存的残留奥氏体再降低，韧性更差，岂不是向伤口上撒盐吗？实践证明，5%以下的残留奥氏体对刀具使用没有害处。HSS钢的使用硬度65∼66HRC，HSS-E钢的使用硬度66∼67HRC，在其他条件都相同的情况下，硬度高者磨损少，刀具的耐用度就高。由此可以判断，会降低硬度的残留奥氏体显然不受欢迎。但刀具的寿命历来不以硬度高低论英雄，过高的硬度导致脆性增大，不仅不会提高寿命，反而会减少寿命。

影响高速钢刀具寿命的因素是多方面的，不能一味地追求高硬度，我们的原则是在满足韧性的前提下力求高硬度。经验表明，回火充分的刀具施以深冷处理，基本上不会增加硬度，更不会提高热硬性，反而会使韧性下降。国内有一些工具厂对部分刀具增加深冷处理，比如剃齿刀、小模数滚刀之类，其目的是消除应力、稳定尺寸，因为两者是要以内径定心的，希望刀具在使用过程中，内孔不发生尺寸变化。还有一些高速钢制高端量具、模具进行深冷处理，目的也是稳定尺寸。