高速鋼的退火處理

由於(yu) 高速鋼中有較高的碳含量和大量的合金元素，在冶金廠軋製或鍛造鍛以後。即使空冷的情況下，也會(hui) 有較高的硬度，因此必須進行退火軟化處理，達到標準規定的硬度值才能出廠。工具製造者有時要對高速鋼進行鍛造成型或為(wei) 改善碳化物偏析而進行鍛造，有時用熱軋成型方法製造工具，有時需要對淬火件進行返修等，這都需要對高速鋼進行退火。

   國內(nei) 外的實驗都表明，高速鋼退火時如果保溫時間太長，會(hui) 顯著降低工具的使用壽命，因此，選擇合理的退火工藝規範非常重要。 

常用高速鋼的退火溫度和退火以後的硬度見表1 。

▼表1  高速鋼的熱處理規範

   退火的保溫時間根據裝爐量等情況有所不同，一般應在3~4h以上。保溫後可采用10℃~20℃的速度冷卻至600℃以下出爐。也可以采用冷卻至740℃~760℃，停留4~5h，再冷至600℃以下出爐的等溫退火方法。

   高速鋼還有一種高溫退火方法可以大大縮短退火生產(chan) 周期，提高退火質量。高溫退火的加熱溫度是由普通退火的840℃~860℃，提高到880℃~920℃。普通退火方法在Ar1點以下保溫，由於(yu) 溫度較低，雖然保溫時間長，但高速鋼仍然不能進行充分結晶，鋼材不能充分軟化。高溫退火時將溫度提到到Ar1以上，相變可以瞬間完成，並且進行得很充分，實現了*再結晶，因此鋼材得到充分軟化。

▲圖1  高速鋼普通退火與(yu) 高溫退火工藝曲線

a）高速鋼普通退火  b）高溫退火工藝

   由圖可見，高溫退火工藝的保溫時間大大縮短。高溫退火鋼材的硬度更低，切削性能更好，切削效率可以提高20%，製成刀具的切削壽命，比普通退火的高15%~20%。

二   可改善加工性能的熱處理

    改善高速鋼的可加工性和表麵粗糙度，可以按照表2推薦的工藝對高速鋼進行預備熱處理。使毛坯的硬度達到280~370HBW。 

▼表2  改善高速鋼可加工性的預備熱處理

   表2中的一次處理方法（工藝方法Ⅰ、Ⅱ）比調質處理（工藝方法Ⅲ）的效果更好。采用此方法處理的高速鋼在較大的切削用量條件下，加工的表麵粗糙度Ra可以達到1.6μm。

   一次處理的方法加熱溫度較低，在以後加熱時奧氏體(ti) 晶粒度不均勻長大的傾(qing) 向小。退火前做一次720℃~760℃的退火，可以避免晶粒不均勻長大。

三  去應力

   經塑性變形加工方法製成的毛坯以及冷拉、冷擠壓的各種原材料或毛坯，為(wei) 了消除工的冷作硬化現象，采用720℃~760℃的低溫退火方法。對於(yu) 形狀複雜、切削量較大或薄片狀工具。為(wei) 了減少淬火畸變或產(chan) 生淬火裂紋，常用600℃~650℃的高溫回火消除應力。為(wei) 了消除磨削加工的應力，可在200℃~500℃溫度下回火1~2h，粗磨後可在500℃的溫度下消除應力，精磨後在200℃溫度下消除應力。

四  淬火

說明：以下敘述的高速鋼熱處理工藝主要適用於(yu) 鹽浴爐。

4.1 預熱

   高速鋼導熱性差，工件不容易熱透，淬火加熱前必須進行預熱。一般要進行兩(liang) 次預熱，工藝參數如下：

低溫預熱：450℃~500℃，保溫1~1.5min/mm（空氣爐）；

         600℃~650℃，保溫0.8~1.0min/mm（鹽浴爐）。

中溫預熱：800℃~850℃，保溫0.4~1.0min/mm（鹽浴爐）。

   尺寸不大，形狀簡單的工具可以采用一次預熱，對於(yu) 大多數工具來說，以兩(liang) 次預熱為(wei) 好，這有利於(yu) 減少淬火畸變和開裂，而且第一次預熱可以烤幹工件表麵水分，不會(hui) 產(chan) 生濺鹽現象，利於(yu) 安全。

4.2 淬火加熱

4.2.1 加熱溫度

   高速鋼淬火加熱溫度的選擇，首先是由其牌號成分決(jue) 定的，同時也要考慮工具的種類和規格，專(zhuan) 門針對具體(ti) 加工對象製造的工具還必須考慮到被加工材料的可加工性和切削規範等使用條件。

    各種高速鋼的淬火加熱溫度如表3所示。

▼表3  幾種低合金高速鋼的熱處理規範

   隨著加熱溫度的升高，碳化物不斷溶入高速鋼基體(ti) ，高速鋼中的殘留碳化物數量不斷減少。圖2顯示了W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩(liang) 種高速鋼在淬火加熱時碳化物數量逐漸減少的情況。

▲圖2  高速鋼中碳化物數量與(yu) 淬火溫度的關(guan) 係

   圖2中，W18Cr4V碳化物的質量分數加熱前在25%以上，加熱到1300℃時隻有15%左右，W6Mo5Cr4V2高速鋼中碳化物質量分數淬火前在20%以上，加熱到1300℃時隻有10%多一些。

   隨著碳化物的不斷溶入基體(ti) ，基體(ti) 中的C、W、Mo、Cr、V等元素含量不斷升高，這有利於(yu) 提高淬火後形成的馬氏體(ti) 的耐磨性和熱硬性。圖3 為(wei) W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩(liang) 種高速鋼C及W、Mo、Cr、V含量隨淬火溫度的升高而升高的情況。

▲圖3  高速鋼中合金元素含量與(yu) 淬火溫度的關(guan) 係

其中C含量幾乎隨淬火溫度的升高呈直線上升。Cr的含量隨著淬火溫度的升高而增加，1100℃以上Cr含量不再增加，說明Cr的碳化物幾乎全部溶入了基體(ti) 。W、Mo、V的含量隨著淬火加熱溫度的升高而不斷上升，直到1300℃還在增加，說明此時這些碳化物隻是部分溶入奧氏體(ti) ，尚未*溶解。

4.2.2 淬火加熱時間

   高速鋼的淬火加熱時間通常以工件的有效厚度乘以加熱係數來計算，有效厚度參照表4 。

▼表4  有效厚度的計算方法和淬火加熱係數

  高速鋼在鹽浴中的加熱係數與(yu) 淬火加熱溫度有關(guan) ，1150℃~1240℃加熱可選10~20s/mm。工件種類、規格不同，加熱係數也應做適當調整。

   加熱係數隻是作為(wei) 單件加熱時間的計算依據，在實際生產(chan) 中裝爐量大的時候，必須考慮加熱爐的類型、結構、功率、升溫速度、零件的裝卡方式、裝爐量大小和預熱情況等等因素來最終確定加熱時間。

   高速鋼淬火加熱時要達到比較高的奧氏體(ti) 化程度，淬火加熱溫度和保溫時間都很重要，隻是淬火溫度的作用相對大一些。對兩(liang) 者作用進行綜合考慮，可以用淬火參量公式表達。

      P=t（37+logτ）

式中  P——淬火參量

          t——淬火加熱溫度

         τ——淬火加熱時間

   式中淬火參量P，代表了淬火加熱溫度和加熱時間的綜合作用。在淬火過程中，無論淬火加熱溫度和保溫時間怎樣變化，隻要兩(liang) 者的作用結果和淬火參量相同，那麽(me) 奧氏體(ti) 化的程度就是相同的。圖4表示淬火參量、碳化物量和殘留奧氏體(ti) 量的關(guan) 係。

▲圖4 淬火參量與(yu) 碳化物量和留奧氏體(ti) 量的關(guan) 係

4.3 冷卻

   高速鋼的淬火冷卻，從(cong) 確保在冷卻過程中碳化物不從(cong) 奧氏體(ti) 中析出、保證合金化程度的 角度來說，應該是冷卻速度越快越好；但從(cong) 避免零件開裂和減少畸變防止開裂的角度上說，冷卻速度越慢越好。這兩(liang) 者相互矛盾，在實際生產(chan) 中，是通過保證淬火硬度的前提下盡量緩慢冷卻，以免產(chan) 生廢品來掌握的。

   高速鋼在從(cong) 高溫爐中出來後，在浸入淬火介質之前即使在高溫短時間的停留都會(hui) 有碳化物析出。這種碳化物的析出過程，通過高倍電子顯微鏡可以清晰地觀察到。

   圖5顯示了M7高速鋼在1190℃奧氏體(ti) 化後，冷卻時中間停留對碳化物析出的影響。

▲圖5  高溫停留有碳化物析出

a）從(cong) 奧氏體(ti) 化溫度直接水冷（無碳化物）12600X

b）在890℃停留30s後水冷（有碳化物）12600X

   圖5 a）是中間沒有停留，奧氏體(ti) 化後直接水冷，可以看到沒有析出物，晶界很清晰。圖5 b）是從(cong) 1190℃冷卻到980℃，停留了30s，可以看到晶界及基體(ti) 內(nei) 都明顯的有小顆粒狀碳化物析出。

   從(cong) 高速鋼製工具的使用壽命角度看，高速鋼淬火冷卻時最好是出爐立即浸入冷卻介質，中間停留會(hui) 引起碳化物析出，從(cong) 而損害耐磨性和熱硬性。

   關(guan) 於(yu) 高速鋼淬火的冷卻方法，早期較普遍的做法是采用油冷淬火，現在已較少采用。目前國內(nei) 多采用600℃左右的分級冷卻。俄羅斯曾實驗提高分級溫度到680℃，以利減少淬火畸變。歐美國家采用550℃的分級溫度。從(cong) 工具使用壽命角度來說，應該是分級溫度越低，壽命越高。

   從(cong) 減少淬火畸變和防止開裂的角度來說，等溫淬火更為(wei) 有利。要進行等溫淬火的高速鋼工件，應先在分級鹽浴中冷卻，然後再到貝氏體(ti) 區域做等溫停留。通常是在240℃~260℃等溫60~240min。表5列出了等溫時間對W18Cr4V高速鋼組織和硬度的影響。 

表5  等溫時間對高速鋼組織和硬度的影響

   由表5可以看出，W18Cr4V高速鋼從(cong) 淬火加熱的奧氏體(ti) 狀態在260℃停留60min以上，可以形成大量貝氏體(ti) 。隨著停留時間延長，貝氏體(ti) 量增加，馬氏體(ti) 量減少，殘留奧氏體(ti) 含量也增加。大量貝氏體(ti) 形成可以顯著提高鋼的韌性，但剛的硬度有所下降。

五  回火

高速鋼的回火應達到以下三大目的：

1）最佳的二次硬化物析出的硬化效應。

2）殘留奧氏體(ti) 充分分解。

3）*消除殘留應力。

   普通高速鋼的回火硬化峰值560℃左右，所以高速鋼的回火溫度通常選擇560℃。回火硬度峰值的位置與(yu) 回火的保溫時間有一定關(guan) 係。圖6為(wei) 回火保溫時間從(cong) 0.5h增加到100h，回火硬度峰值的變化情況。

▲圖5  高速鋼回火溫度和回火時間與(yu) 硬度之間的關(guan) 係

     回火溫度與(yu) 回火保溫時間的關(guan) 係可以用回火參量來說明。其表達公式如下：

      P=（20+logτ）

式中  P——回火參量

      t——回火溫度

     τ——回火時間

   盡管回火溫度、回火保溫時間可以不同，但隻要回火參量相同，回火效果就是相同的。

   形狀簡單的一般高速鋼工件可以采用兩(liang) 次回火，形狀複雜的大型工件需要三次甚至四次回火。貝氏體(ti) 等溫淬火高速鋼由於(yu) 淬火後殘留奧氏體(ti) 量較多，可以適當增加回火次數。

   低、高溫回火法，先在320℃~380℃回火一次，然後在560℃回火兩(liang) 次，可以使W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速鋼的硬度增加0.5~2HRC，衝(chong) 擊韌度提高20%~50%，刀具的切削壽命提高40%。這是由於(yu) 低溫回火時有滲碳體(ti) 型碳化物析出，促進了560℃高溫回火時M2C型碳化物大量析出，減少了碳化物沿晶界析出的緣故。同時低溫回火時也有部分殘留奧氏體(ti) 轉變成了貝氏體(ti) 。低、高溫回火的高速鋼比普通回火的高速鋼有較高的韌性。

  在單件加熱或自動線上回火時，可采用580℃X20min或600℃X10min的高溫快速回火法。

   為(wei) 了防止回火過程中奧氏體(ti) 陳化穩定，回火後以應快冷卻至室溫。形狀複雜的工件第一次回火必須緩慢加熱，可在400℃進行一次預熱均溫，或在500℃以下溫度入爐，再緩慢升溫至回火溫度，冷卻時也應緩慢，也可以置於(yu) 鐵,桶冷卻，以防開裂。