高速钢热处理问答

T透的水滴

高速钢热处理问答
作者：赵步青
纵观现在世界上所有的钢种，无论其化学成分、组织、性能之间的复杂关系，还是冶炼、浇注、锻造、轧制、拉丝、塑性成形、焊接和热处理等整个制造过程的难度，高速钢无疑是最难搞的钢种之一。高速钢自问世至今已有100多年历史，一直以制造金属切削刀具著称。有人说“高速钢奥妙无穷”，也有人说“高速钢变化莫测”。长期以来，人们对高速钢进行了大量的基础研究和改革创新，丰富了热处理宝库。笔者1968年大学毕业后，从事高速钢热处理整整50个春秋，积累了不少经验，也记录了一些失败的教训，总结出高速钢热处理值得关注的23个问题，和同行们商讨，不妥之处请批评指正。

碳是高速钢中最重要的元素，作用机制是碳化物的形成及转变——溶解、析出、聚集。含量必须适当，不可过多，也不能太少。当含量较低时，不能形成足够数量的复合碳化物，因而在淬火加热时溶入固溶体的碳化物减少，会降低钢的硬度、红硬性及耐磨性；若含碳量高，淬火加热时，碳和合金元素的浓度增高，使钢的硬度、红硬性提高，但也带来一些不利影响：在碳化物不均匀度增大、塑性降低脆性增加、工艺性能变坏（锻造、轧制易开裂）、降低钢的熔点，所以容易产生过热过烧。含碳量增高，会使淬火后残留奥氏体（rR）增多，增加回火难度。以前的M35钢因含碳量偏低（0.80%~0.90%），淬回火后根本达不到67HRC以上的高硬度；501钢（M2A1）因含碳量偏高，问题不少，现在两钢都回归到正常的含碳量了。GB/T9943新标准和原标准相比，最大的亮点莫过于碳的变化。
   高速钢中究竟含多少碳好？应遵循定比碳法则确定。钢厂生产的高速钢成分虽都符合国家标准，但不一定适合你。工具厂应根据自家的产品，选择有竞争力适中的含碳量钢种。

平衡碳是给出钢中所有的碳化物形成元素，按定比碳关系达到平衡时的碳含量，通常按下式进行近似地计算。
Cs=0.33W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V
式中，Cs是理论上计算的“平衡碳”，“平衡碳差值”表示计算出来的Cs与实际含碳量的差值，即ΔC= Cs-C实
     C实／Cs的比值即为碳饱和度，常用“A”来表示。
例如：M2钢的实际化学成分为（质量分数：%）：0.85C、5.97W、4.95Mo、3.97 Cr、1.82V。平衡碳、平衡碳差值、碳饱和度计算式分别为：
平衡碳（Cs）=0.033×5.97+0.063×4.95+0.06×3.97+0.2×1.82=1.103
平衡碳差值（ΔC）=1.103-0.85=0.253
碳饱和度（A）=0.85/1.103=0.771
  笔者统计分析了M2钢267个炉号340t含碳量，并热处理试验A值对钢性能的影响，结论是：A值在0.76~0.83时，综合性能佳。

在正常的淬火温度范围内，每提高11~13℃，晶粒度就升高1级，如果按9.5～10.5级晶粒度组织生产，对于Ｍ２钢淬火温度（t）与A值有一定的对应关系，笔者的经验是：
   A=0.70      t=1227~1238℃
   A=0.73      t=1222~1233℃
   A=0.76      t=1218~1231℃
   A=0.79      t=1212~1223℃
   A=0.82      t=1210~1221℃
Ａ值越高，淬火温度越低，反之亦然，根据Ａ值确定淬火温度是科学的，行之有效的，已被国内同行认可。
知道了Ａ值，就能准确地预测淬回火后的硬度，经验式为：
对于Ｍ２钢而言：ＨＲＣ＝Ａ／(０．０１２８５Ａ＋０．００１８５)　例如Ｍ２钢Ａ值为０．７７，则ＨＲＣ＝０．７７/０．０１２８５×０．７７＋０．００１８５＝０．７７/０．０１１７４４５≈６５．6。实际生产中的刀具硬度在６５～６６ＨＲＣ，非常吻合，要想硬度高，必须选择Ａ值高的钢制作。

高速钢属高合金工具钢，含有众多的合金元素，导热性差、塑性低，所以高速钢淬火必须经过预热，有四大好处。
（1）减少应力及变形开裂的几率。
（2）缩短高温加热时间，减少氧化、脱碳倾向。
（3）先在空气炉中预热再到盐浴炉预热，避免发生爆炸危险，有利于安全生产。
（4）中温预热一般在850℃左右，使珠光体向奥氏体转变在较低温度下进行，有利于减少最后相变应力。

严重的碳化物不均匀度将使钢的硬度及红硬性下降，若呈网状堆积，破坏了钢组织的连续性，导致刀具在使用过程中易脆断或崩刀。高速钢碳化物不均匀在×100倍显微镜下观察。GB/T9943-2008《高速工具钢》将共晶碳化物分为8级，诠释如下，供参考。见表1.
   表1    高速钢碳化物不均匀度级别
        标准细则
1        碳化物分布均匀
2        碳化物呈微细状
3        带系——细带宽约2mm，网系——细网中局部有不明显分叉
4        带系——有明显集中带，带宽约4mm；网系——有明显的微细分叉
5        带系——集中带宽约7.5mm；网系——网状残余
6        带系——集中带宽约11mm；网系——破碎网及少量堆积
7        带系——集中带宽约15mm；网系——拉长多形网有明显堆积
8        带系  明显集中带宽约19mm；网系  封闭完整网有明显堆积

高速钢中大块角状碳化物和大颗粒碳化物统称为大块碳化物，根据GB/T9943-2008，大块碳化物的评级分W系和W-M0系，见表2和表3.
表2  高速钢中大块碳化物评级标准（W系）

        1        2        3        4
大块角状碳化物最大尺寸/μm        18        21        23        25
大颗粒碳化物最大尺寸/μm        16        18        21        23
表3  高速钢中大块碳化物评级标准 （W-MO系）
        1        2        3        4        5        6
碳化物最大尺寸/μm        -        6.1        8.3        12.5        15.6        22.1
   检查大块碳化物应在试样直径或对角线的1/4处的纵向截面上进行，以视场中最严重为判据，试样按规定的热处理工艺淬火后于680～720℃×１～２h回火，试样厚度10～１２mm,×500倍下观察。
   对于高速钢来讲，碳化物是一把双刃剑，它既是保证了高速钢具有高硬度、耐磨性、红硬性等使用性能，同时又是产生各种质量问题的重要根源。为了提高刀具寿命，必须深入研究高速钢中的碳化物，深刻理解碳化物的生成和变化规律。高速钢的热处理，无非是在做碳化物的转变与转换工作，必须高度重视。

高速钢的碳化物类型有M3C、M23C6、M7C3、M6C、MC、M2C等。高速钢加热时碳化物溶解情况决定了奥氏体中碳合金元素的含量，并影响晶粒度，从而影响钢淬火后的力学性能及使用性能。碳化物溶解越充分，硬度越高，耐磨性、红硬性越高。但韧性下降脆性增大，炉前金相一定要注视碳化物的溶解情况，只看晶粒号不看碳化物溶解度是很不全面的。
我们在实践摸索出判断碳化物溶解度的简易方法：在一颗奥氏体晶粒中，5～８颗粒溶解充分，８～１２颗溶解一般，﹥１２颗溶解不好。在现实生产中，视刀具类别及使用情况，控制碳化物溶解度非常重要，这也是高速钢热处理的精髓。

HSS及HSS-E钢淬火后显示奥氏体晶粒度常用4%硝酸酒精溶液（体积分数），温室，侵蚀时间灵合掌握，也有用7%～１３％三氯化铁水溶液。ＨＳＳ－Ｌ钢淬火后显示奥氏体晶粒度用１０％硝酸酒精或１０％三氯化铁水溶液。
不管什么类别的高速钢回火后再显示奥氏体晶粒度是很难的，需专配。我们的配方１：100ml乙醇+10ml盐酸+3ml硝盐。配方2：100ml甲醇+10ml盐酸+3ml硝酸。


2004年笔者在全国工具厂厂长经理会上作“制定热处理工艺应该个性化”的学术报告【文章载《机械工人-热加工》2005年第6期】，受到一致好评。我举同成分的M2钢为例，制作不同的工具，热处理工艺见表4.
     表4   M2钢制作不同刀具的热处理工艺
        淬火温度
/℃        冷却工艺        晶粒度
/级        回火工艺        回火后硬度
HRC        过热程度
/级
车刀        1230～１２３５        油淬或中性盐分级        ８．５～９        ５５０℃×１h×3次        65～67        ２～４
滚刀        １２２５～１２３０        ５００～６００℃盐浴分级        ９．５～１０        第一次350～380℃，以后550℃×１h×3次as        ≧６４        １～２
三面刃铣刀        １２２０～１２３０        ５００～６００℃盐浴分级        ９．５～１０．５        550℃×１h×3次        ６５～６７        ﹤２
直柄钻头        １２１０～１２２５        ５００～６００℃盐浴分级        １０～１１        550℃×１h×3次        ６４～６６．５        ﹤２
拉刀        １２０５～１２１５        油淬或中性分级后再２６０℃等温        １０．５～１１．５        550℃×１h×4次        ６４～６６．５        不允许
机用丝锥        １１９０～１２１０        ５００～６００盐浴分级后再２６０℃等温        １０．５～１２        550℃×１h×4次        ６３～６６        不允许
大锯片        １１８０～１２００        ５００～６００盐浴分级后再２６０℃等温        １１～１２        550℃×１h×4次        ６２～６５        不允许