退火工藝在高速鋼中的應用

孔偉洲

[摘 要]高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，又稱高速工具鋼或鋒鋼，俗稱白鋼。這種超硬高速鋼由于其成分特點， 使得熱加工很困難， 因此人們想直接用鑄態(tài)超高速鋼制造一些高硬度刀具， 但由于鑄態(tài)超高速鋼硬度極高， 脆性也很大， 機械加工很困難， 這樣， 如何通過有效的退火工藝來降低這種鋼的硬度和脆性就成為關鍵問題。

[關鍵詞]高速鋼 退火工藝 冷卻

中圖分類號：TM121.1.3 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）07-0003-01

高速鋼是美國的F.W.泰勒和M.懷特于1898年創(chuàng)制的。高速鋼的工藝性能好，強度和韌性配合好，因此主要用來制造復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。除用熔煉方法生產的高速鋼外，20世紀60年代以后又出現(xiàn)了粉末冶金高速鋼，它的優(yōu)點是避免了熔煉法生產所造成的碳化物偏析而引起機械性能降低和熱處理變形。

1.高速鋼的主要性能

高速鋼又稱白鋼。意思是淬火時即使在空氣中冷卻也能硬化，并且很鋒利。它是一種成分復雜的合金鋼，含有鎢、鉬、鉻、釩、鈷等碳化物形成元素。合金元素總量達10～25%左右。它在高速切削產生高熱情況下（約500℃）仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。這就是高速鋼最主要的特性--紅硬性。而碳素工具鋼經淬火和低溫回火后，在室溫下雖有很高的硬度，但當溫度高于200℃時，硬度便急劇下降，在500℃硬度已降到與退火狀態(tài)相似的程度，完全喪失了切削金屬的能力，這就限制了碳素工具鋼制作切削工具用。而高速鋼由于紅硬性好，彌補了碳素工具鋼的致命缺點，可以用來制造切削工具。

2.高速鋼的退火工藝

2.1 普通退火

普通退火是目前應用最廣的高速鋼預處理工藝， 工藝曲線如圖1 所示。退火可在井式爐或箱式爐中進行， 爐中最好設置可控氣氛， 工件一定要裝箱密封， 以防氧化脫碳。退火后應檢查硬度，其方法是：在退火爐的不同部位各取2-3件， 經車削后表面達Ra 2.5 以下， 用布氏硬度計測三點， 取算術平均值為示值（ 以下各工藝測硬度方法相同）。通用高速鋼退火后的硬度為207～ 255HB，超硬高速鋼允許硬度值上限達269 HB。退火后的金相組織為：細小碳化物均布在索氏體基體上。

2.2 等溫退火

普通退火操作時間一般要30h以上， 為縮短時間， 節(jié)約能源， 人們尋找到更好的方法—高速鋼等溫退火工藝， 其規(guī)范如圖2 所示。退火溫度一般為850～870℃ ， 保溫后快冷至等溫轉變曲線的拐彎處（730～750℃ ） ，保持一定的時間， 使奧氏體等溫分解， 然后隨滬冷至500～ 550℃出爐空冷。等溫退火可在空氣爐中亦可在鹽浴爐中進行， 當在鹽浴中退火時保溫時間比在空氣中縮短1 3/左右。

2.3 循環(huán)退火

蘇聯(lián)在1982年曾報道高速鋼循環(huán)退火工藝， 如圖3 所示， 在700～850℃兩鹽浴爐中進行， 保溫10min或30min。研究表明，循環(huán)退火的時間不超過7h，在7h內的操作時間因溫度、鋼種、裝爐量而異。直徑為30mm 以下的毛坯建議來用675～885℃的無平臺循環(huán)退火（圖3a）；尺寸較大的采用小平臺循環(huán)退火（圖3b）。實踐證明， 循環(huán)退火后碳化物相的組織、分布、化學成分及硬度與等溫退火的差異很小。

2.4 快速球化退火

高速鋼中的碳化物即使在鍛造溫度下也不能完全溶于奧氏體， 鍛造后冷卻還會析出部分碳化物， 因而在退火溫度下， 殘余碳化物的數量相當可觀， 它是退火冷卻過程中奧氏體等溫分解的非自發(fā)核心， 其形狀、大小、數量和分布對退火后的組織起著決定性的作用。鍛造后利用余熱進行快速球化退火，`是借助于鍛造后鋼中殘留的大量彌散分布的碳化物， 經隨后短時較高溫度的等溫過程， 使一些碳化物粒子圓形化， 且極微細的碳化物發(fā)生溶解， 在等溫過程中基本上完成了球化步驟。而以45℃/h的冷卻速度冷卻主要起到降低硬度作用。如圖4。

按此工藝，退火后的組織及硬度均優(yōu)于常規(guī)球化退火， 其球化時間僅為后者的1/4～1/3， 既節(jié)能，退火件又具有良好的切削加工性。

3.退火工藝參數的選擇

3.1 加熱速度

加熱速度與鍛件的形狀、尺寸、加熱條件、裝爐方式和裝爐量等因素有關。目前國內外仍以空氣爐密封裝箱退火為主， 大部分單位對加熱應更放任自流， 嚴格地講， 在A01以下應緩慢加熱， 以50～70℃ /h為宜， 高于A01可適當提高速度， 但也不可超過120℃。

3.2 退火溫度

對于通用高速鋼， 我廠一直用850～870℃，筆者認為比較合適， 如再提高溫度，不但會增加氧化脫碳傾向， 而且使奧氏體合金度增加， 從而導致奧氏體向珠光體轉變穩(wěn)定性增大， 不能充分進行珠光體轉變， 使退火后硬度偏高， 低于830℃ 則達不到退火目的。

3.3 保溫時間

保溫時間取決于退火溫度、裝爐方式及裝爐量等因素。少量退火可按1.8～2 min/mm計，裝爐量大時可按噸位計。高速鋼的退火保溫時間， 雖不象淬火加熱時間那樣需要精確的計算， 但也要適當控制， 如時間太長， 既影響生產率， 浪費能源， 又會產生嚴重的氧化脫碳現(xiàn)象，太短則達不到預期的目的。

3.4 冷卻方式

高速鋼經奧氏體化后，冷卻速度愈快， 所得到的硬度愈高（但不成線性關系）；冷卻速度愈慢，硬度愈低。這種粗淺的認識，自人們大量研究奧氏體轉變后又有一個新的飛躍， 即硬度的上升或下降并不是和冷卻速度的快慢成比例，應根據TTT曲線來選擇合適的冷卻速度，以滿足組織和硬度的要求。

結語

綜上所述，傳統(tǒng)的普通退火方法仍有強大的生命力和廣泛的適用性；等溫退火較普通退火可提高工效30%以上；循環(huán)退火只能在鹽浴爐中小批量試驗， 不能投入批量生產， 至少在工具廠不能實行；模鍛或批量小件鑄造時，利用鍛造余熱進行快速球化退火有發(fā)展前途。

參考文獻

[1] 李詠梅，樊國權.40×40鋼錠開坯料退火工藝試驗[J].黑龍江科技信息. 2003（06）.

[2] 汪小平.1Cr13、2Cr13鋼退火工藝的選擇[J].金屬熱處理.1996（03）.

[3] 鄧玉昆，陳景榕，王世章.高速工具鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.