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，高速鋼無疑使最難搞的鋼種之一。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五則，與同仁們共享，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?jǐn)?shù)，%），即50BaCl2+30KCl+20NaCl，熔點溫度560℃，使用溫度580～620℃。對于有效尺寸在20mm以下的工具或HSS鋼制件，均可達(dá)到65HRC以上的高硬度；HSS-E鋼制件均可達(dá)≥66HRC。我國的工具行業(yè)，使用這個分級淬火工藝，創(chuàng)造一個又一個省優(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(rèn)識的深化，發(fā)現(xiàn)工件在800～1000℃的平均冷卻速度<7℃?s，將有碳化物析出而影響硬度及其他性能，于是不惜巨資從歐美引進鈣基分級鹽，其配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）即48CaCl2+31BaCl2+21NaCl，熔點435℃，使用溫度480～560℃。國內(nèi)有的廠為簡化配方，改為50CaCl2+30BaCl2+20NaCl，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基鹽浴技術(shù)，原蘇聯(lián)在20世紀(jì)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(dāng)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，φ40mm工件在800～1000℃于550℃中冷卻速度正好為7℃?s，意思說有效尺寸在40mm以下完全可以淬硬，一串φ25mm工件在500℃鈣基冷卻，800～1000℃的冷卻速度為9℃?s。
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(dāng)工件的有效直徑在20～40mm時，鈣基鹽優(yōu)越，但尺寸在20mm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>40mm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≥65HRC。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的圓，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(dá)到所要求的綜合力學(xué)性能和良好的使用性能。
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1h。每次回火后一定要冷到室溫方可進行下一次回火。回火次數(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，不是依回火次數(shù)為據(jù)，而是金相說了算。
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。
二級（一般）：個別區(qū)域或碳化物堆積處有白色區(qū)存在。
三級（不足）：較大部分視場為白色區(qū)，隱約可見淬火晶粒。
欲進行蒸氣處理、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(dá)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2～4min，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，工具廠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1～2h；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>100mm的有孔刀具），在第一次貝氏體處理時產(chǎn)生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，第一次回火出爐后不要放在空氣中冷，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。回火過程要緩慢升溫，每次回火應(yīng)低于500℃入爐，回火出爐后不準(zhǔn)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)φ10mm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1～2h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2～3h，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為是否超焊縫加熱。超焊縫加熱的論據(jù)：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)：為了防止淬火裂紋，避免質(zhì)量糾紛。自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。目前工具廠大多采用低于焊縫15～20mm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(yán)禁酸洗，如果一定要酸洗，必須控制好酸的濃度、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+微量殘留奧氏體+碳化物。對于要不要消除殘存的微量（<5%）殘留奧氏體，筆者認(rèn)為完全沒有必要。高速鋼刀具正常淬火經(jīng)550～570℃×1h×3次回火后，熱處理已達(dá)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200HBW左右，與高速鋼刀具使用硬度65～66HRC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(rèn)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。因此，用深冷處理減少殘留奧氏體對韌性肯定是有害的。自20世紀(jì)70年代開始一直到21世紀(jì)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65～66HRC，HSS-E鋼的使用硬度66～67HRC，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，不僅不會提高壽命，反而會減少壽命。
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，更不會提高熱硬性，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)試驗持反對觀點。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)用的還是550～570℃×1h×3次的成熟工藝，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，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。
高速鋼熱處理太深奧了，但只要我們認(rèn)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。
來源：熱處理生態(tài)圈
作者：趙步青
單位：安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司
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