高速鋼等溫淬火

趙步青，胡明，胡會峰，朱昌宏，蔣榮坤

1.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

2.江蘇晶工工具有限公司 江蘇丹陽 212311

1 序言

將高速鋼奧氏體化后取出，直接或間接地放入等溫槽中冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變成部分貝氏體的熱處理工藝稱之為等溫淬火。等溫淬火雖是比較古老的熱處理工藝，但只要深入研究，就能挖掘潛力，發(fā)揮高速鋼特殊功能，提高刀具壽命，達到增效節(jié)能的目的。以下就筆者多年從事高速鋼等溫淬火的經(jīng)驗體會，總結(jié)成文與大家分享，不妥之處請指正。

2 等溫淬火的種類

高速鋼等溫淬火也稱貝氏體淬火，與常用的分級淬火相比，淬火組織中除了馬氏體（M）、碳化物、殘留奧氏體（γR）外，還有部分貝氏體（B）。為了改善高速鋼的性能，提高刀具的壽命，人們研究了多種等溫淬火工藝，概述如下。

2.1 直接等溫淬火工藝

該工藝是將奧氏體化的工件出爐后直接放到等溫槽中冷卻并保溫一定時間的熱處理，如圖1所示。

圖1 高速鋼鹽浴直接等溫淬火工藝曲線

此工藝對形狀簡單、不易變形、淬火溫度較低的中小型刀具效果顯著，等溫時間0.5～2h，等溫溫度240～270℃。

2.2 分級等溫淬火工藝

分級等溫淬火就是在已奧氏體化的工件出爐后，先進行分級冷卻，根據(jù)工件的復雜程度及對變形等具體要求，作一次或兩次分級后，再投入到等溫槽中等溫0.5～2h，工藝曲線如圖2、圖3所示。

圖2 高速鋼鹽浴一次分級等溫淬火工藝曲線

圖3 高速鋼鹽浴二次分級等溫淬火工藝曲線

工廠大都采用一次分級等溫淬火工藝，如中心鉆、渦輪滾刀、大薄鋸片銑刀，以及小型儀表刀具等。這類刀具在服役過程中易發(fā)生斷頭、崩刃、折斷等，采用分級等溫淬火，提高了強度、韌性及切削性能。對于尺寸較大的銑刀，有效尺寸≥60mm的成形刀具，為防止變形開裂，不得已才采取兩次分級等溫淬火工藝。

2.3 預淬等溫工藝

這種工藝是將已奧氏體化的工件先淬火到稍低于MS溫度的浴槽中冷卻，然后再升到貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)進行等溫。其目的是在預淬火時，使工件獲得一定數(shù)量的馬氏體，以促使貝氏體的轉(zhuǎn)變[1]。例如，W18Cr4V鋼（W18）加熱溫度為1270℃，預淬火溫度為180～200℃，等溫溫度為260～280℃，等溫時間為1.5～2h，等溫后及時回火。預淬等溫工藝曲線如圖4所示。

圖4 高速鋼鹽浴淬火預淬等溫工藝曲線

2.4 二次貝氏體等溫淬火工藝

此工藝是在第一次等溫的基礎(chǔ)上，第一次回火后不急于在空氣中冷卻，而放到240～270℃的硝鹽等溫槽再等溫冷卻，使殘留奧氏體不轉(zhuǎn)變成馬氏體而轉(zhuǎn)變成貝氏體，工藝曲線如圖5所示，此工藝對大型復雜刀具減少淬火開裂問題特別有效[2]。

圖5 高速鋼大型刀具鹽浴熱處理工藝曲線

3 常用高速鋼等溫淬火工藝

以上簡介了高速鋼等溫淬火4種工藝，現(xiàn)在工廠用得最多的是第二種——分級等溫淬火。常用高速鋼等溫淬火工藝見表1。

表1 常用高速鋼等溫淬火工藝

4 等溫淬火工藝對高速鋼組織和性能的影響

4.1 等溫淬火對硬度及熱硬性的影響

工具廠為了減少高速鋼變形開裂，便于淬后校直，往往在鋼奧氏體化后先在500～600℃的中性鹽中分級，然后在240～270℃的硝鹽中等溫0.5～4h，最后經(jīng)（540～560）℃×1h×4次回火。表2列出了1280℃等溫淬火工藝對W18鋼組織和硬度的影響。等溫2h和等溫4h金相組織分別如圖6、圖7所示。

圖6 W18鋼等溫淬火2h后的金相組織（500×）

圖7 W18鋼等溫4h后的金相組織（500×）

表2 等溫淬火工藝對W18鋼組織和硬度的影響[3]

從圖6可看出，W18鋼1280℃加熱、280℃等溫2h后空冷，經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕，金相組織為針狀貝氏體＋碳化物＋馬氏體＋殘留奧氏體。從圖7可看出，W18鋼1280℃加熱、270℃等溫4h后空冷，經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕，金相組織為針狀下貝氏體＋碳化物，基體組織為M+γR。

從表2可知，隨著等溫時間的延長，貝氏體的轉(zhuǎn)變量增加，當?shù)葴貢r間超過2h時，貝氏體轉(zhuǎn)變速度降低，等溫4h才達55%，工廠常等溫1～2h，經(jīng)等溫淬火的刀具經(jīng)4次回火后，硬度可達到64～66HRC的工藝要求，等溫時間越長，殘留奧氏體、下貝氏體量越多，很難達到65HRC以上的高硬度，對耐磨性不利。

據(jù)相關(guān)文獻報道，等溫淬火能提高鋼的熱硬性，我們通過對W18、M2、9341、4341、M42、501以及粉末鋼S390等多種高速鋼進行600℃×4h×1次的熱硬性試驗，都證明等溫淬火和常規(guī)淬火相當，沒有提高的跡象。

在試驗中我們發(fā)現(xiàn)，等溫溫度為240～280℃時，隨著溫度的升高，硬度下降，每回火一次，硬度均有不同程度的上升，其中第一次回火硬度上升幅度最大，經(jīng)4～5次回火后，硬度可以從等溫后的55～58HRC上升至64～66HRC。因此，等溫溫度應視鋼種不同有所區(qū)別。

4.2 等溫淬火對高速鋼沖擊韌度、抗彎強度及破斷功的影響

國內(nèi)有人用9341鋼作等溫淬火試驗[4]，第一種方案是1230℃加熱淬火，600℃分級后分別在240℃、270℃和300℃的硝鹽中均等溫2h；第二種方案是在與第一種方案相同的溫度加熱后，在270℃硝鹽中分別等溫0.5h、1.0h、2h、4h，等溫時間對力學性能的影響如圖8所示。兩種方案等溫后均經(jīng)540℃×1h×4次回火，結(jié)果表明，240℃×2h或270℃×1h等溫，經(jīng)回火后其強度和韌性都比非等溫淬火要低，只有在270℃×2h等溫才有較高的韌性，但提高幅度不大。

圖8 9341鋼等溫時間對力學性能的影響

符長璞等[5]研究高速鋼等溫淬火得出如下結(jié)論。

1）在200～300℃等溫，M2鋼經(jīng)230℃×2h等溫淬火和回火處理后性能最佳；在230℃等溫時，隨著時間延長（1～4h），除硬度略有下降外，熱硬性、無缺口沖擊韌度aK、斷裂韌度KIC、抗彎強度、破裂功均有逐漸升高的趨勢。

2）W18鋼在260℃×2h等溫也出現(xiàn)上述規(guī)律。

3）與普通淬火相比，高速鋼等溫淬火后除熱硬性和aK值升高外，其他性能均有不同程度的降低。等溫淬火能否提高熱硬性，業(yè)內(nèi)人士有不同的見解，大多數(shù)人認為熱硬性與加熱時奧氏體中的合金度和冷卻速度有關(guān)，而與等溫淬火無關(guān)。

5 高速鋼等溫淬火的優(yōu)缺點

5.1 優(yōu)點

1）熱應力、組織應力小，可減少工件畸變，避免開裂。

2）與普通淬火相比，韌性有一定提高。

3）由于等溫淬火后產(chǎn)生大量的殘留奧氏體，因此韌性好，便于校直。

5.2 缺點

盡管等溫淬火有不少長處，但也不是十全十美的，缺點也十分明顯。

1）大截面工具不適合等溫淬火。

2）大批量生產(chǎn)不適合等溫淬火。

3）生產(chǎn)周期長，能耗比普通淬火高。

4）等溫硝鹽易老化，再生能力差。

由于等溫淬火存在上述缺點，因此用普通淬火能解決問題時，盡量不用等溫淬火。如用等溫淬火，則需認真研究其工藝參數(shù)，將等溫淬火優(yōu)勢發(fā)揮到極致。

6 等溫淬火在實際生產(chǎn)中的應用

綜上所述，在實際生產(chǎn)中，應具體情況進行具體分析，等溫淬火不能千篇一律，必須靈活應用，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，將等溫淬火工藝細化如下。

為防止開裂：（260～280）℃×（60～120）min。

為減少畸變：（260～280℃×（30～45）min。

為便于熱校：（260～280℃×（15～20）min。

為提高韌性：（250～270）℃×（90～15）min。

為便于清洗：（250～270）℃×（10～15）min。

等溫淬火應用實例如下。

（1）中心鉆等溫淬火工藝 由于中心鉆的工作部位在頭部，對韌性要求特別高，所以除分級等溫淬火外，加熱溫度宜取中限，淬火晶粒度不宜超過10級，根據(jù)尺寸及幾何形狀，爐前金相控制在10.5～10級較妥，φ3mm以下規(guī)格11～10.5級。例如，M2鋼制φ4mmA型中心鉆，鹽浴加熱溫度1220℃，裝爐量20件/爐，加熱時間260s，500℃分級260s，270℃×2h等溫，550℃×1.5h×4次回火后硬度65.2HRC，較非等溫淬火的鉆頭斷裂率大幅降低。

（2）大薄鋸片銑刀等溫淬火工藝 用M2鋼制φ250～φ410mm、厚度2mm、要求63～66HRC、平面度≤0.20mm、端面跳動≤0.50mm的大薄鋸片銑刀，熱處理工藝為：1190～1200℃加熱，600℃分級后（260～280）℃×（15～20）min等溫，出爐后冷卻至室溫清洗干凈，利用殘留奧氏體塑性好和馬氏體相變超塑性的原理，抓緊壓平夾直，第一次在空氣爐中施以（350～380）℃×（2.5～3）h回火，然后再硝鹽550℃×1h×3次回火后，硬度64～66HRC，平面度90%以上合格。

（3）航空鉆及細長高速鋼刀具的等溫淬火工藝 這類刀具對變形要求特別嚴，需利用熱處理手段盡量減少變形，淬火前校直并去應力，加熱溫度取下限，（260～280）℃×（30～45）min，等溫出爐后冷至室溫清洗干凈，立即校直并夾直，550℃×1h回火4～5次。

（4）高速鋼制大型滾刀的二次貝氏體等溫淬火工藝 這類刀具制造難度大，附加值高，除采取分級等溫外，在第一次回火出爐后，不要放到空氣中冷卻，而是繼續(xù)放回硝鹽槽再等溫冷卻，不讓殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，而要轉(zhuǎn)變成下貝氏體，所以稱之為二次貝氏體等溫淬火（見圖5）。后3次回火宜采用在帶有風扇的井式爐或箱式爐中回火，爐冷至300℃左右出爐空冷，可大幅降低回火開裂傾向。

另外，還有很多等溫淬火應用實例，如前所述，等溫淬火有利有弊，只要能減少廢品，提高刀具壽命，增加經(jīng)濟效益，就要堅決采用。

7 結(jié)束語

任何牌號的高速鋼刀具，在理想的奧氏體化后，先經(jīng)500～600℃中性鹽分級，再入硝鹽中施以（250～270）℃×（1～2）h等溫，最后經(jīng)（540～560）℃×1h×4次回火，能達到少變形、不開裂、硬度≥64HRC的要求。等溫淬火確實能提高刀具韌性，減少早期崩刃，但并不能提高硬度和熱硬性。