高速鋼熱處理寶典六則

趙步青

(安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司，安徽 馬鞍山 243131)

高速鋼是高速工具鋼的簡稱，俗稱鋒鋼(因為在空氣中也能淬硬，也稱風(fēng)鋼)。自1898年美國人Fred W. Taylor 及其助手 M. Whiet發(fā)明高速鋼至今，已走過雙甲年華。縱觀目前世界上所有的鋼種，無論其化學(xué)成分、組織、性能之間的復(fù)雜關(guān)系，還是冶煉、澆注、鍛造、輥軋、拉拔、塑性成形和熱處理等，整個制造過程的難度，高速鋼無疑是最難搞的鋼種之一。有人說“高速鋼奧妙無窮”，也有人說“高速鋼變化莫測”。筆者1968年大學(xué)畢業(yè)后從事高速鋼熱處理整整50個春秋，積累了比較豐富的實踐經(jīng)驗，同時記錄了不少失敗的教訓(xùn)，現(xiàn)總結(jié)出高速鋼熱處理寶典六則，和同仁們共享，不妥之處請指正。

1 高速鋼分級淬火用鹽浴

從中國有高速鋼鹽浴加熱淬火以來，就沿用前蘇聯(lián)的5-3-2配方(質(zhì)量分數(shù)，%)，即50% BaCl2+30% KCl+20% NaCl，熔點溫度560 ℃，使用溫度580～620 ℃。對于有效尺寸在20 mm以下的工具，HSS鋼制件，均可達到65 HRC以上的高硬度；HSS-E鋼制件均可達≥66 HRC。我國的工具行業(yè)，使用這個分級淬火工藝，創(chuàng)造了一個又一個省優(yōu)、部優(yōu)、國優(yōu)，說明它極具生命力。

時代在發(fā)展，技術(shù)在進步。隨著人們對冷卻速度重要性認識的深化，發(fā)現(xiàn)工件在1000～800 ℃的平均冷卻速度<7 ℃/s，將有碳化物析出而影響硬度及其它性能[1]，于是不惜巨資從歐美引進鈣基分級鹽，其配方(質(zhì)量分數(shù)，%)，即48% CaCl2+31% BaCl2+21% NaCl,熔點435 ℃，使用溫度480～560 ℃。國內(nèi)有的廠為了簡化配方，改為50% CaCl2+30% BaCl2+20% NaCl，熔點較傳統(tǒng)鈣基鹽略有提高，但分級溫度仍維持在480～560 ℃的水平。

關(guān)于Ca基鹽浴，并不是什么新東西，前蘇聯(lián)在上世紀40年代就公開了，50年代傳到中國，60年代不少廠試用過，筆者1974～1978年在桂林工作時，也曾配過Ca基鹽浴，由于當時是每周開一次爐，歇爐時間長，鹽浴吸濕性太強，被迫淘汰。

有的廠對分級鹽浴的冷卻速度進行了現(xiàn)場測試，40 mm工件加熱到1000～800 ℃于550 ℃中冷卻速度正好為7 ℃/s，意思說有效尺寸在40 mm以下完全可以淬硬，一串φ25 mm工件在500 ℃鈣基冷卻，1000～800 ℃的冷卻速度為9 ℃/s[2]。

毫無疑問，580～620 ℃鋇基鹽浴工件在1000～800 ℃的冷卻速度肯定比480～560 ℃鈣基鹽浴要慢，當工件的有效直徑在φ20～φ40 mm時，鈣基鹽優(yōu)越，但尺寸在φ20 mm以下，沒有必要換成鈣基鹽，關(guān)鍵是如何將鹽浴溫度控制在600 ℃以下。

對于直徑>φ40 mm以上的工件可采用先油冷卻后轉(zhuǎn)分級鹽冷，然后再到硝鹽中分級，這樣可以保證熱處理后硬度≥65 HRC。至于國外的經(jīng)驗，本著“洋為中用、改革創(chuàng)新”的原則，千萬不可盲從，外國的月亮不比中國圓，中國熱處理工作者有能力有智慧管好用好分級鹽。

2 回火程度及其次數(shù)

高速鋼淬火后必須回火，而且要及時，回火的目的有4個：1)徹底消除淬火應(yīng)力；2)促使殘留奧氏體充分分解；3)產(chǎn)生最佳的二次硬化效果；4)達到所要求的綜合力學(xué)性能和稱心的使用性能。

回火溫度540～560 ℃，不管是鹽浴淬火還是真空淬火，擬選用100% KNO3或100% NaNO3鹽浴，保溫1 h。每次回火后一定要冷到室溫方可進行下一次回火?；鼗鸫螖?shù)一般為3次，如果回火不充分，或經(jīng)等溫淬火者，以及高性能高速鋼制件，均要進行4次回火。

回火程度一般分三個級別，不是以回火次數(shù)為依據(jù)，而是金相說了算。

1)一級(充分)：金相上表征為黑色的回火馬氏體+星星點點的碳化物；

2)二級(一般)：個別區(qū)域或碳化物堆積處有白色區(qū)存在；

3)三級(不足)：較大部分視場為白色區(qū)，隱約可見淬火晶粒。

欲進行蒸汽處理、氧氮處理等工具需在回火溫度區(qū)域表面強化者，回火程度達二級即可，這樣可以節(jié)能。

檢查回火程度用4%硝酸酒精溶液侵蝕，溫度18～25 ℃，侵蝕時間2～4 min，500倍顯微鏡下觀察，以最差視場為判據(jù)。

3 二次貝氏體處理

為了提高刀具的韌性、強度和切削性能，往往采取一次貝氏體處理，即中性鹽浴480～560 ℃分級后立即轉(zhuǎn)入240～280 ℃硝鹽浴中等溫1～2 h。二次貝氏體處理適用于形狀極其復(fù)雜的特大型刀具(如模數(shù)>15的銑刀、滾刀以及有效厚度>100 mm的有孔刀具)，在第一次貝氏體處理時產(chǎn)生約40%～50%的下貝氏體，其余是殘留奧氏體及少量的碳化物；在第一次回火過程中，就有大量的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，如果第一次回火出爐后不放在空氣中冷，而是直接轉(zhuǎn)入240～280 ℃的硝鹽浴中等溫一定的時間，不讓殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而轉(zhuǎn)變成貝氏體，即所謂的二次貝氏體處理，這樣可以減少和防止大型復(fù)雜刀具的開裂傾向。

二次貝氏體處理工藝雖復(fù)雜些，但對防止大型刀具熱處理開裂很有好處?；鼗疬^程要緩慢升溫，每次回火應(yīng)低于500 ℃入爐，回火出爐后不準風(fēng)吹，最好靜冷。由于二次貝氏體處理，4次回火不一定很充分，應(yīng)補充一次回火。

4 摩擦焊刀具的熱處理

為了節(jié)約昂貴的高速鋼，國內(nèi)外普遍采用摩擦焊生產(chǎn)φ10 mm以上的桿式刀具。摩擦焊時產(chǎn)生1000 ℃以上的高溫，在焊縫兩側(cè)很小的區(qū)域產(chǎn)生較大的溫差，焊后若直接空冷，焊縫的高速鋼一側(cè)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而結(jié)構(gòu)鋼的一側(cè)空冷只發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，由于比體積的差異，將引起很大的組織應(yīng)力，以致產(chǎn)生開裂。為此，焊后的刀具應(yīng)立即放到650～750 ℃的爐中保溫，待料罐裝滿后保溫1～2 h退火，爐冷至500 ℃以下出爐空冷。如果生產(chǎn)量很大，不便實施上述工藝，應(yīng)將焊件保溫溫度選擇在740～760 ℃，保溫時間延長至2～3 h，使焊縫兩側(cè)充分轉(zhuǎn)變成珠光體+索氏體，隨后空冷再退火。

摩擦焊刀具淬火爭論的焦點是是否要超焊縫加熱。超焊縫加熱的論據(jù)是：改善了焊后的原始組織、考驗了焊接質(zhì)量、提高了焊縫強度、充分利用了高速鋼；低于焊縫加熱的論據(jù)是為了防止淬火裂紋，避免質(zhì)量糾紛。自以焊接刀具真空淬火成功后，懷疑鹽浴淬火超焊縫加熱致裂的聲音少了，筆者堅持超焊縫加熱的觀點，實踐證明超焊縫加熱跟淬火裂紋沒有直接關(guān)系。目前工具廠大多數(shù)采用低于焊縫15～20 mm加熱，實際上縮短了高速鋼的切削長度，造成浪費，很不經(jīng)濟。

超焊縫加熱的刀具嚴禁酸洗，如果一定要酸洗，一定要控制好酸的濃度、酸洗的時間、酸液溫度三大要素，防止氫脆。

5 深冷處理

高速鋼刀具經(jīng)正常淬火回火后的組織是回火馬氏體+微量的殘留奧氏體+碳化物。要不要把微量(<5%)的殘留奧氏體消滅掉？筆者認為完全沒有必要！高速鋼刀具正常淬火經(jīng)過550～570 ℃×1 h，3次回火后，熱處理已達極致，再經(jīng)深冷處理有畫蛇添足之嫌。奧氏體是鋼組織中極軟的相，其硬度只有200 HBW左右，其數(shù)值與高速鋼刀具使用硬度65～66 HRC相比后可以看出，過多的殘留奧氏體顯然不會使刀具高硬度。日本學(xué)者飯島一昭等通過試驗認為：15%以下的殘留奧氏體不會使刀具硬度下降，但能提高鋼的塑性和韌性[3]。因此，用深冷處理減少殘留奧氏體對韌性肯定是有害的。自上世紀70年代開始一直到本世紀初，國內(nèi)很多工具廠都曾作過高速鋼刀具的冷處理和深冷處理，失敗的多，成功的極少，我們嘉龍公司也做過幾年的深冷處理，也未見什么成效，于是設(shè)備擱置待命。

高速鋼刀具與其他超硬材料刀具相比，最大的優(yōu)勢是韌性稍高一點，深冷處理使殘存的殘留奧氏體再降低，韌性更差，豈不是向傷口上撒鹽嗎？

實踐證明，5%以下的殘留奧氏體對刀具使用沒有害處。HSS鋼的使用硬度65～66 HRC，HSS-E鋼的使用硬度66～67 HRC，在其他條件都相同的情況下，硬度高者磨損少，刀具的耐用度就高。由此可以判斷，會降低硬度的殘留奧氏體顯然不受歡迎。但刀具的壽命歷來不以硬度高低論英雄，過高的硬度導(dǎo)致脆性增大，不光不會提高壽命，反而會折壽。

影響高速鋼刀具壽命的因素是多方面的，不能一味地追求高硬度，我們的原則是在滿足韌性的前提下力求高硬度。經(jīng)驗表明，回火充分的刀具施以深冷處理，基本上不會增加硬度，更不會提高紅硬性，反而會使韌性下降。國內(nèi)有一些工具廠對部分刀具增加深冷處理，比如剃齒刀、小模數(shù)滾刀之類，其目的是消除應(yīng)力穩(wěn)定尺寸，因為兩者是要以內(nèi)徑定心的，希望刀具在使用過程中，內(nèi)孔不發(fā)生尺寸變化。還有一些高速鋼制高端量具、模具進行深冷處理，目的也是穩(wěn)定尺寸。

從以上分析不難發(fā)現(xiàn)，高速鋼經(jīng)正常的淬火回火后，組織中有微量的殘留奧氏體，對刀具的使用及綜合力學(xué)性能并無大礙，是否一定要進行深冷處理？這個有爭議的問題，有待大量的試驗數(shù)據(jù)及應(yīng)用實例佐證，但筆者經(jīng)驗持反對觀點。國內(nèi)數(shù)百家工具制造廠無人問津就是一個有力論據(jù)。鋪天蓋地地報道，基本上是大學(xué)、研究所的科研成果或?qū)嶒炇业漠a(chǎn)物，但到面上推廣就失敗，所謂的回火新工藝，都是曇花一現(xiàn)，在大生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用550～570 ℃×1 h，3次回火的成熟工藝，實踐是檢驗真理的唯一標準，任何新工藝都必須經(jīng)得起實踐生產(chǎn)的考驗。全國的工具廠都盼望有指導(dǎo)生產(chǎn)的熱處理新工藝涌現(xiàn)，不喜歡“花拳繡腿”式的表演。

6 涂層

對高速鋼刀具進行表面涂層，是金屬切削刀具發(fā)展長河中一項重大改革，它是在刀具韌性較高(相對于硬質(zhì)合金、陶瓷等超硬刀具材料)的基體上涂一層、兩層乃至多層耐磨的高硬度的難熔化合物，從而使刀具的性能得到極大改善。經(jīng)涂層的刀具可以提高加工效率、加工精度、延長刀具的使用壽命，因此普遍受到人們的廣泛關(guān)注。

我國的高速鋼刀具涂層技術(shù)起步較晚，但發(fā)展很快，現(xiàn)在涂層網(wǎng)點遍布全國，不少城市都設(shè)有涂層中心，規(guī)模以上工具廠都有涂層車間，加工對象多數(shù)為麻花鉆、滾刀、螺平刀等切削刀具。時代在發(fā)展，社會在進步，高速鋼熱處理也與時俱進，涂層技術(shù)的新發(fā)展主要體現(xiàn)在以下三個方面:

1)膜系材料多元化。目前應(yīng)用最多的涂層物質(zhì)是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。涂層材料由最初的TiC、TiN單層發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)合涂層。復(fù)合涂層及相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可以提高與基體的結(jié)合強度，又具有多種材料的復(fù)合性能。近年來開發(fā)的TiN/NbN、TiC、TiN/CNx等多元復(fù)合涂層，使刀具獲得了高耐磨、低摩擦、熱穩(wěn)定好和抗氧化性能等優(yōu)良的綜合性能。

2)軟涂層。高硬度涂層是涂層工作者的初心，然而高硬度涂層并非萬能，如高強度鋁合金、鈦合金及某些貴重材料都不適合用硬涂層刀具加工，而軟涂層則收到奇效，如在高速鋼刀具上涂MoS2、WS2、TaS2等。

3)納米涂層。美國等國家開發(fā)的納米涂層，可使刀具材料具有優(yōu)異的減摩抗摩功能及自潤滑性能，適合于高速干切削，尤其適合于在數(shù)控機床上使用。具有一定代表性的是AlTiN晶粒與無定型的Si3N4納米組成的納米混合膜，其硬度可達45 GPa，膜層的穩(wěn)定性和抗氧化性可達1000 ℃，滿足了高溫高速切削要求。

實踐中我們體會到對高速鋼涂層刀具也有一定要求：

(1)理想的金相組織。硬度是表面現(xiàn)象，金相組織才是本質(zhì)的東西，絲錐、鉆頭、螺傘刀等刀具涂前是不可以過熱的；齒輪滾刀、錐柄鉆等重切削刀具可以適度過熱，其他刀具涂層前應(yīng)處于理想的金相狀態(tài)。

(2)高的硬度。除了理想的金相組織，還應(yīng)有很高的硬度。除個別小刀具外，HSS鋼制刀具硬度應(yīng)保持在65～66 HRC，HSS-E鋼制刀具為66～67.5 HRC。如果涂前硬度比較低，即使加了涂層，也不會有好效果，外觀很美，實質(zhì)很差，猶如鮮花插在牛糞上。

(3)涂層硬度。JB/T 8365《氮化鈦涂層刀具技術(shù)規(guī)范》要求高速鋼刀具涂層硬度≥2000 HV，但有些單位往往達不到此硬度值，只是表面上的裝飾鍍，涂層厚度也達不到要求。

(4)退磁。涂層前應(yīng)進行退磁處理，因為磁性會影響涂層效果。

高速鋼熱處理太深奧了，但只要我們認真對待，敢于探索，反復(fù)實踐，大膽改革創(chuàng)新，就一定能制造出高質(zhì)量、高壽命的刀具，為振興機械工業(yè)做出熱處理人應(yīng)有的貢獻。