高速鋼的熱處理
1 高速鋼的退火處理
由于高速鋼中有較高的碳含量和大量的合金元素，在冶金廠軋制或鍛造以后。即使空冷的情況下，也會有較高的硬度，因此必須進(jìn)行退火軟化處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度值才能出廠。工具制造者有時要對高速鋼進(jìn)行鍛造成型或為改善碳化物偏析而進(jìn)行鍛造，有時用熱軋成型方法制造工具，有時需要對淬火件進(jìn)行返修等，這都需要對高速鋼進(jìn)行退火。
國內(nèi)外的實驗都表明，高速鋼退火時如果保溫時間太長，會顯著降低工具的使用壽命，因此，選擇合理的退火工藝規(guī)范非常重要。
常用高速鋼的退火溫度和退火以后的硬度見表1 。
▼表1 高速鋼的熱處理規(guī)范
退火的保溫時間根據(jù)裝爐量等情況有所不同，一般應(yīng)在3~4h以上。保溫后可采用10℃~20℃的速度冷卻至600℃以下出爐。也可以采用冷卻至740℃~760℃，停留4~5h，再冷至600℃以下出爐的等溫退火方法。
高速鋼還有一種高溫退火方法可以大大縮短退火生產(chǎn)周期，提高退火質(zhì)量。高溫退火的加熱溫度是由普通退火的840℃~860℃，提高到880℃~920℃。普通退火方法在Ar1點以下保溫，由于溫度較低，雖然保溫時間長，但高速鋼仍然不能進(jìn)行充分結(jié)晶，鋼材不能充分軟化。高溫退火時將溫度提到到Ar1以上，相變可以瞬間完成，并且進(jìn)行得很充分，實現(xiàn)了完全再結(jié)晶，因此鋼材得到充分軟化。
圖1為高溫退火工藝曲線與普通退火工藝曲線的比較。
▲圖1 高速鋼普通退火與高溫退火工藝曲線
a）高速鋼普通退火 b）高溫退火工藝
由圖可見，高溫退火工藝的保溫時間大大縮短。高溫退火鋼材的硬度更低，切削性能更好，切削效率可以提高20%，制成刀具的切削壽命，比普通退火的高15%~20%。
2 可改善加工性能的熱處理
改善高速鋼的可加工性和表面粗糙度，可以按照表2推薦的工藝對高速鋼進(jìn)行預(yù)備熱處理。使毛坯的硬度達(dá)到280~370HBW。
▼表2 改善高速鋼可加工性的預(yù)備熱處理
表2中的一次處理方法（工藝方法Ⅰ、Ⅱ）比調(diào)質(zhì)處理（工藝方法Ⅲ）的效果更好。采用此方法處理的高速鋼在較大的切削用量條件下，加工的表面粗糙度Ra可以達(dá)到1.6μm。
一次處理的方法加熱溫度較低，在以后加熱時奧氏體晶粒度不均勻長大的傾向小。退火前做一次720℃~760℃的退火，可以避免晶粒不均勻長大。
3 去應(yīng)力
經(jīng)塑性變形加工方法制成的毛坯以及冷拉、冷擠壓的各種原材料或毛坯，為了消除工的冷作硬化現(xiàn)象，采用720℃~760℃的低溫退火方法。對于形狀復(fù)雜、切削量較大或薄片狀工具。為了減少淬火畸變或產(chǎn)生淬火裂紋，常用600℃~650℃的高溫回火消除應(yīng)力。為了消除磨削加工的應(yīng)力，可在200℃~500℃溫度下回火1~2h，粗磨后可在500℃的溫度下消除應(yīng)力，精磨后在200℃溫度下消除應(yīng)力。
4 淬火
說明：以下敘述的高速鋼熱處理工藝主要適用于鹽浴爐。
4.1 預(yù)熱
高速鋼導(dǎo)熱性差，工件不容易熱透，淬火加熱前必須進(jìn)行預(yù)熱。一般要進(jìn)行兩次預(yù)熱，工藝參數(shù)如下：
低溫預(yù)熱：450℃~500℃，保溫1~1.5min/mm（空氣爐）；
600℃~650℃，保溫0.8~1.0min/mm（鹽浴爐）。
中溫預(yù)熱：800℃~850℃，保溫0.4~1.0min/mm（鹽浴爐）。
尺寸不大，形狀簡單的工具可以采用一次預(yù)熱，對于大多數(shù)工具來說，以兩次預(yù)熱為好，這有利于減少淬火畸變和開裂，而且第一次預(yù)熱可以烤干工件表面水分，不會產(chǎn)生濺鹽現(xiàn)象，利于安全。
4.2 淬火加熱
4.2.1 加熱溫度
高速鋼淬火加熱溫度的選擇，首先是由其牌號成分決定的，同時也要考慮工具的種類和規(guī)格，專門針對具體加工對象制造的工具還必須考慮到被加工材料的可加工性和切削規(guī)范等使用條件。
各種高速鋼的淬火加熱溫度如表3所示。
▼表3 幾種低合金高速鋼的熱處理規(guī)范
隨著加熱溫度的升高，碳化物不斷溶入高速鋼基體，高速鋼中的殘留碳化物數(shù)量不斷減少。圖2顯示了W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩種高速鋼在淬火加熱時碳化物數(shù)量逐漸減少的情況。
▲圖2 高速鋼中碳化物數(shù)量與淬火溫度的關(guān)系
圖2中，W18Cr4V碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加熱前在25%以上，加熱到1300℃時只有15%左右，W6Mo5Cr4V2高速鋼中碳化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)淬火前在20%以上，加熱到1300℃時只有10%多一些。
隨著碳化物的不斷溶入基體，基體中的C、W、Mo、Cr、V等元素含量不斷升高，這有利于提高淬火后形成的馬氏體的耐磨性和熱硬性。圖3 為W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩種高速鋼C及W、Mo、Cr、V含量隨淬火溫度的升高而升高的情況。
▲圖3 高速鋼中合金元素含量與淬火溫度的關(guān)系
其中C含量幾乎隨淬火溫度的升高呈直線上升。Cr的含量隨著淬火溫度的升高而增加，1100℃以上Cr含量不再增加，說明Cr的碳化物幾乎全部溶入了基體。W、Mo、V的含量隨著淬火加熱溫度的升高而不斷上升，直到1300℃還在增加，說明此時這些碳化物只是部分溶入奧氏體，尚未完全溶解。
4.2.2 淬火加熱時間
高速鋼的淬火加熱時間通常以工件的有效厚度乘以加熱系數(shù)來計算，有效厚度參照表4 。
▼表4 有效厚度的計算方法和淬火加熱系數(shù)
高速鋼在鹽浴中的加熱系數(shù)與淬火加熱溫度有關(guān)，1150℃~1240℃加熱可選10~20s/mm。工件種類、規(guī)格不同，加熱系數(shù)也應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。
加熱系數(shù)只是作為單件加熱時間的計算依據(jù)，在實際生產(chǎn)中裝爐量大的時候，必須考慮加熱爐的類型、結(jié)構(gòu)、功率、升溫速度、零件的裝卡方式、裝爐量大小和預(yù)熱情況等等因素來最終確定加熱時間。
高速鋼淬火加熱時要達(dá)到比較高的奧氏體化程度，淬火加熱溫度和保溫時間都很重要，只是淬火溫度的作用相對大一些。對兩者作用進(jìn)行綜合考慮，可以用淬火參量公式表達(dá)。
P=t（37+logτ）
式中 P——淬火參量
t——淬火加熱溫度
τ——淬火加熱時間
公式中淬火參量P，代表了淬火加熱溫度和加熱時間的綜合作用。在淬火過程中，無論淬火加熱溫度和保溫時間怎樣變化，只要兩者的作用結(jié)果和淬火參量相同，那么奧氏體化的程度就是相同的。圖4表示淬火參量、碳化物量和殘留奧氏體量的關(guān)系。
▲圖4 淬火參量與碳化物量和留奧氏體量的關(guān)系
4.3 冷卻
高速鋼的淬火冷卻，從確保在冷卻過程中碳化物不從奧氏體中析出、保證最好的合金化程度的 角度來說，應(yīng)該是冷卻速度越快越好；但從避免零件開裂和減少畸變防止開裂的角度上說，冷卻速度越慢越好。這兩者相互矛盾，在實際生產(chǎn)中，是通過保證淬火硬度的前提下盡量緩慢冷卻，以免產(chǎn)生廢品來掌握的。
高速鋼在從高溫爐中出來后，在浸入淬火介質(zhì)之前即使在高溫短時間的停留都會有碳化物析出。這種碳化物的析出過程，通過高倍電子顯微鏡可以清晰地觀察到。
圖5顯示了M7高速鋼在1190℃奧氏體化后，冷卻時中間停留對 碳化物析出的影響。
▲圖5 高溫停留有碳化物析出
a）從奧氏體化溫度直接水冷（無碳化物）12600X
b）在890℃停留30s后水冷（有碳化物）12600X
圖5 a）是中間沒有停留，奧氏體化后直接水冷，可以看到?jīng)]有析出物，晶界很清晰。圖5 b）是從1190℃冷卻到980℃，停留了30s，可以看到晶界及基體內(nèi)都明顯的有小顆粒狀碳化物析出。
從高速鋼制工具的使用壽命角度看，高速鋼淬火冷卻時最好是出爐立即浸入冷卻介質(zhì)，中間停留會引起碳化物析出，從而損害耐磨性和熱硬性。
關(guān)于高速鋼淬火的冷卻方法，早期較普遍的做法是采用油冷淬火，現(xiàn)在已較少采用。目前國內(nèi)多采用600℃左右的分級冷卻。俄羅斯曾實驗提高分級溫度到680℃，以利減少淬火畸變。歐美國家采用550℃的分級溫度。從工具使用壽命角度來說，應(yīng)該是分級溫度越低，壽命越高。
從減少淬火畸變和防止開裂的角度來說，等溫淬火更為有利。要進(jìn)行等溫淬火的高速鋼工件，應(yīng)先在分級鹽浴中冷卻，然后再到貝氏體區(qū)域做等溫停留。通常是在240℃~260℃等溫60~240min。表5列出了等溫時間對W18Cr4V高速鋼組織和硬度的影響。
▼表5 等溫時間對高速鋼組織和硬度的影響
由表5可以看出，W18Cr4V高速鋼從淬火加熱的奧氏體狀態(tài)在260℃停留60min以上，可以形成大量貝氏體。隨著停留時間延長，貝氏體量增加，馬氏體量減少，殘留奧氏體含量也增加。大量貝氏體形成可以顯著提高鋼的韌性，但剛的硬度有所下降。
5 回火
高速鋼的回火應(yīng)達(dá)到以下三大目的：
1）最佳的二次硬化物析出的硬化效應(yīng)。
2）殘留奧氏體充分分解。
3）徹底消除殘留應(yīng)力。
普通高速鋼的回火硬化峰值560℃左右，所以高速鋼的回火溫度通常選擇560℃。回火硬度峰值的位置與回火的保溫時間有一定關(guān)系。圖6為回火保溫時間從0.5h增加到100h，回火硬度峰值的變化情況。
▲圖5 高速鋼回火溫度和回火時間與硬度之間的關(guān)系
回火溫度與回火保溫時間的關(guān)系可以用回火參量來說明。其表達(dá)公式如下：
P=（20+logτ）
式中 P——回火參量
t——回火溫度
τ——回火時間
盡管回火溫度、回火保溫時間可以不同，但只要回火參量相同，回火效果就是相同的。
形狀簡單的一般高速鋼工件可以采用兩次回火，形狀復(fù)雜的大型工件需要三次甚至四次回火。貝氏體等溫淬火高速鋼由于淬火后殘留奧氏體量較多，可以適當(dāng)增加回火次數(shù)。
低、高溫回火法，先在320℃~380℃回火一次，然后在560℃回火兩次，可以使W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速鋼的硬度增加0.5~2HRC，沖擊韌度提高20%~50%，刀具的切削壽命提高40%。這是由于低溫回火時有滲碳體型碳化物析出，促進(jìn)了560℃高溫回火時M2C型碳化物大量析出，減少了碳化物沿晶界析出的緣故。同時低溫回火時也有部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成了貝氏體。低、高溫回火的高速鋼比普通回火的高速鋼有較高的韌性。
在單件加熱或自動線上回火時，可采用580℃X20min或600℃X10min的高溫快速回火法。
為了防止回火過程中奧氏體陳化穩(wěn)定，回火后以應(yīng)快冷卻至室溫。形狀復(fù)雜的工件第一次回火必須緩慢加熱，可在400℃進(jìn)行一次預(yù)熱均溫，或在500℃以下溫度入爐，再緩慢升溫至回火溫度，冷卻時也應(yīng)緩慢，也可以置于鐵,桶冷卻，以防開裂。
6 高速鋼的同步熱處理
同步熱處理是指高速鋼工件在鹽浴熱處理時，實行淬火加熱、冷卻、回火各工序采用同樣的時間，即以同一節(jié)拍進(jìn)行生產(chǎn)。它可以實現(xiàn)熱處理的全過程自動化。大大縮短生產(chǎn)周期，同時也保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。生產(chǎn)實踐證明，自動化生產(chǎn)的高速鋼工具，比普通熱處理工具的切削壽命可以提高20%~40%。
實現(xiàn)同步熱處理的關(guān)鍵是正確選擇回火溫度和保溫時間，以便和淬火加熱的保溫時間相匹配，實現(xiàn)同節(jié)拍生產(chǎn)。圖6提供了W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Co5高速鋼的高溫回火溫度與保溫時間的關(guān)系，可以用于選擇回火規(guī)范時參考。
▲圖6 高速鋼高溫回火溫度與保溫時間的關(guān)系
a）W6Mo5Cr4V2（1200℃加熱淬火）
b）W6Mo5Cr4V2Co5（1235℃加熱淬火）
圖6中，在Ⅰ區(qū)內(nèi)任何一點的回火溫度與回火時間搭配組成的回火規(guī)范，均可使高速鋼達(dá)到正常回火的目的。在Ⅱ區(qū)內(nèi)選擇的回火規(guī)范會造成過度回火，在Ⅲ區(qū)內(nèi)選擇的回火規(guī)范會造成回火不足。
7 高溫鹽浴熱處理表面脫碳的檢查和溫度控制
7.1 鹽浴加熱表面脫碳的檢測
高速鋼工具在高溫鹽浴爐中加熱，雖然有對鹽浴定期進(jìn)行脫氧的工藝，但由于加熱溫度高，脫氧過的鹽浴加熱工件，其表面也不可避免地要產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象，因此將影響高速鋼工具的淬火質(zhì)量。
國外很多國家采用鋼箔法測量高溫鹽浴的脫碳傾向，這比測量鹽浴中氧化鋇的含量能更直接地反映出工具表面的脫碳情況。具體的方法是：用0.1mm厚、尺寸為70mm×20mm的含碳為1.0%的高碳鋼箔，在鹽浴的使用溫度下加熱8min，然后水冷。根據(jù)鋼箔的脫碳情況可以判斷鹽浴的脫碳傾向。
用這種方法判斷鋼箔的脫碳情況有以下三種做法：
(1)彎曲法。
對加熱并水冷的鋼箔進(jìn)行彎曲，根據(jù)鋼箔的彎曲程度，可以判斷鹽浴的脫碳傾向。根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合化驗分析，可以確定某個彎曲度以上為合格標(biāo)準(zhǔn)。
(2)定碳法。
化驗經(jīng)高溫鹽浴加熱并水冷的鋼箔的碳含量，如果含碳量在0.96%以上，
即可確定鹽浴狀態(tài)良好。
(3)儀器法。
由于鋼的碳含量不同，其熱電勢的高低也不同，因此可以利用測量鋼箔表面熱電勢的方法來顯示鋼的表面碳含量的高低。國外已有專門的儀器——交流器，來測量鋼箔的脫碳情況。
圖7是這種儀器的原理示意圖，主要是利用兩個熱電對2和3，一個是被加熱的電極，另一個是冷的電極，兩個電極之間由于溫差產(chǎn)生熱電勢，并且這個電勢隨鋼箔表面的含碳量不同而有規(guī)律地變化。
▲圖7 交流器示意圖
1-機殼 2、3-被加熱的、冷的熱電對
4-被測鋼箔 5-夾持壓緊器 6-夾持壓緊器外殼
7-交流器的連接線和補償接頭
由于鹽浴的脫碳情況不同，因而鋼箔的碳含量不同，所以在兩個電極之間產(chǎn)生的熱電勢不同，由此可以檢測出試樣的脫碳情況。由于事先測量了不同的碳含量鋼箔的熱電勢，因此很容易測出鋼箔的脫碳情況。
7.2 高溫鹽浴的溫度控制
高溫鹽浴的溫度控制一直是個難題，其難點在于，在1200℃~1300℃的高溫下，由于沒有合適的耐高溫材料作保護(hù)管，無法直接用熱電偶作為感溫元件。長期以來一直采用輻射高溫計作為感溫元件。
采用輻射高溫計作為感溫元件的最大缺點是由于輻射高溫計固定在鹽浴爐的上方，高溫鹽浴表面有大量的煙霧，影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；且輻射高溫計測量的只是鹽浴表面溫度，這與鹽浴內(nèi)部加熱的工件的實際溫度有一定的差值。
有一種插入式輻射高溫計可以克服上述缺點。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
▲圖8 插入式輻射高溫計示意圖
（1in即1英寸=25.4mm）
它是在輻射高溫計的下面，接一個封閉的延長管，并把延長管插入鹽浴內(nèi)部。在工作時，向管內(nèi)通壓縮空氣，還可以吹走管頂端的煙霧。這樣就測到了鹽浴內(nèi)部的溫度，并克服了煙霧對測量準(zhǔn)確性的影響。
制作插入式輻射高溫計的關(guān)鍵，是插入鹽浴內(nèi)部的那一段管子的材料，它既要耐高溫，又要耐急冷急熱。一種稱為硅線石的陶瓷材料具有這種耐高溫又耐急冷急熱的性能，插入式輻射高溫計頂端的接管，就是用這種材料制造的。
隨著對耐高溫材料的開發(fā)，已經(jīng)可以制造耐高溫的熱電偶保護(hù)管，可以用高溫?zé)犭娕贾苯硬迦臌}浴爐進(jìn)行測溫、控溫，因而可以更穩(wěn)定、更精確地控制高溫鹽浴爐的溫度。雖然國內(nèi)外都已經(jīng)有關(guān)于在鹽浴中試驗和使用高溫?zé)犭娕嫉膱蟮溃牵瑹犭娕继坠艿膲勖沁@項技術(shù)能否普遍應(yīng)用的關(guān)鍵。
8 高速鋼工具的真空熱處理
高速鋼工具在真空爐中進(jìn)行熱處理，畸變小，表面光潔，無氧化脫碳，車間工作環(huán)境好，采用微機控制可以減少手工操作，工藝重復(fù)性好。工件在真空爐中加熱，只能靠輻射傳熱，加熱速度比鹽浴爐慢得多，必須采用多段預(yù)熱，長時間保溫。可采用3~4段預(yù)熱，4段預(yù)熱的溫度可以采用700°C、800°C、1050℃、1150℃。加熱系數(shù)可以延長到40~60s/mm。在裝爐量不太大時，可以采用接近或稍低于鹽浴爐加熱的淬火加熱溫度。例如W6Mo5Cr4V2高速鋼可以采用1200-1220°C。在裝爐量較大時，應(yīng)注意爐子中心部位的工件被遮擋，形成“陰影”，造成較大的溫差，因此應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)匮娱L淬火加熱的保溫時間。
高速鋼工具在真空爐加熱淬火，現(xiàn)在大都采用高純氮氣冷卻（純度99.999%）。采用氮氣冷卻隨著使用壓力的加大，冷卻能力也增加。采用常壓氣體冷卻時，冷卻速度很小，只適用于很小尺寸或?qū)τ捕纫蟛桓叩牧慵３簹獯愎ぞ呋冃。刑蓟镒曰w中析出，因此硬度和熱硬性顯著下降。圖9表示出了冷卻方式對高速鋼熱硬性的影響。
▲圖9 冷卻方式對高速鋼熱硬性的影響
采用0.2MPa的壓力進(jìn)行真空淬火時，高速鋼零件尺寸不能太大，否則也會產(chǎn)生硬度和熱硬性下降的現(xiàn)象。采用0.5PMa壓力淬火時，高速鋼工具尺寸可以達(dá)到100mm，接近鹽浴分級淬火的冷卻能力。也有的真空爐不增加或少增加冷卻氮氣的壓力，而是加大氣體流量，這樣也可以達(dá)到理想的冷卻效果。
高速鋼工模具在真空爐中淬火時，容易產(chǎn)生混晶現(xiàn)象，即晶粒尺寸大小相差懸殊。有時也會因為冷卻不足而產(chǎn)生碳化物析出現(xiàn)象。工件表面合金元素脫離現(xiàn)象也是真理淬火容易產(chǎn)生的表面缺陷。
9 粉末高速鋼的熱處理
9.1 粉末高速鋼的特性
粉末高速鋼采用熔融的鋼液高壓霧化制粉。經(jīng)過篩選、裝罐壓實、抽真空密封和熱等靜壓等工序制成鋼錠，再經(jīng)過鍛造、軋制而成為粉末冶金鋼材。
粉末冶金鋼因為是由非常細(xì)小的的顆粒壓制而成，它的碳化物顆粒均勻細(xì)小，因此它克服了冶金高速鋼碳化物偏析帶來的一系列缺點，并誕生了冶煉法不可能制造的新成分高速鋼。下面敘述粉末高速鋼的一些特點。
9.1.1 改善了材料的力學(xué)性能
與冶金法制造的普通高速鋼相比，粉末冶金法制造的高速鋼力學(xué)性能大幅度提高。粉末冶金法制造的M2（W18Cr4V）高速鋼力學(xué)性能，比普通M2高速鋼的韌性提高20%。表6為普通M42、T15和CPMM4高速鋼，在相近的化學(xué)成分和熱處理硬度條件下，力學(xué)性能的比較情況。
▼表6 部分粉末冶金高速鋼的力學(xué)性能
粉末高速鋼熱處理后的硬度更均勻，組織也更均勻，工具不會因為碳化物堆積或存在大塊碳化物而產(chǎn)生刀尖崩刃現(xiàn)象。
9.1.2 改善了材料的工藝性能
首先是改善材料的可磨削性，對大部分粉末高速鋼來說，可以比普通高速鋼成倍地提高可磨削性。由表6可見，CPMM42、CPMT15、CPMM4三個牌號粉末冶金高速鋼的磨削比，分別比普通高速鋼的磨削比提高2.8、3.7、2.5倍。
普通高速鋼的含V量大于3%時就已經(jīng)不易磨削，大于5%就幾乎不能磨削了。但粉末高速鋼T15的含V量為5%，仍然有較好的可磨削性。有的粉末高速鋼含V為9%依然可以磨削。
粉末高速鋼還克服了普通高速鋼的鍛造困難、熱處理易過熱、開裂、畸變等缺點。
9.1.3 可制造出合金元素含量更高的新牌號高速鋼
由于不再擔(dān)心碳化物的偏析問題和磨削及鍛造等工藝問題，粉末高速鋼的成分有巨大突破。首先是提高了鋼的含V量，幾乎所有的粉末高速鋼的含V量都大于3%，有的含V高達(dá)9.8%。同時還提高了剛的含碳量，幾乎所有的粉末高速鋼都是高碳高速鋼，含碳量均＞1.2%，有的高達(dá)2%。
粉末高速鋼的價格比普通高速鋼昂貴，一般只有對特殊要求的齒輪刀具和難加工材料刀具才予以采用。
9.2 粉末高速鋼的牌號和成分
目前粉末高速鋼的生產(chǎn)廠家主要在瑞典、美國、日本、奧地利等國。其生產(chǎn)的粉末高速鋼牌號和化學(xué)成分如表7所示。
▼表7 粉末高速鋼的牌號和化學(xué)成分
9.3 粉末高速鋼的熱處理
各國高速鋼根據(jù)牌號和化學(xué)成分不同都有其相應(yīng)的熱處理規(guī)范。以下為一些熱處理工藝參數(shù)舉例。
9.3.1 退火
瑞典對其四種牌號和化學(xué)成分的粉末高速鋼推薦的退火規(guī)范為：850℃~900℃保溫后，以≤10℃/h冷卻速度，緩冷至700℃出爐。
9.3.2 淬火
從熱處理基本原理來說，粉末高速鋼與普通高速鋼的熱處理應(yīng)該是相同的，其差別在于粉末高速鋼的碳化物顆粒均勻細(xì)小，更容易溶入基體，因此相同化學(xué)成分的粉末高速鋼可以可以選擇比普通高速鋼低的淬火溫度，一般可以降低5℃~8℃。同樣，由于粉末高速鋼的奧氏體更容易均勻化，可以采用較短的保溫時間，一般可以比普通高速鋼的保溫時間縮短1/3 。
各國粉末高速鋼根據(jù)牌號不同，其熱處理規(guī)范也不同。瑞典的四種牌號粉末高速鋼的淬火溫度均設(shè)為1160℃~1180℃。美國粉末高速鋼CPM Rex42的淬火溫度采用1230℃，CPM Rex20采用1190℃。奧地利的粉末高速鋼S390PM淬火溫度采用1150℃~1240℃。日本的幾種牌號高速鋼的熱處理規(guī)范見表8 。
▼表8 日本粉末高速鋼的熱處理規(guī)范
9.3.3 回火
由于粉末高速鋼的碳化物均勻細(xì)小，奧氏體化更充分回火二次硬化更充分，所以同樣的回火規(guī)范回火效果更好。粉末高速鋼的回火溫度和保溫時間與普通高速鋼大致相同。一般采用兩次或三次回火。但也有的牌號粉末高速鋼回火溫度有所調(diào)整。例如，奧地利的S390PM粉末高速鋼回火溫度為500℃ 。
10 高速鋼的深冷處理
高速鋼一般使用液氮做深冷處理。其流程如圖10所示。
▲圖10 液氮深冷處理箱示意圖
在深冷處理箱中通常采用較長的保溫時間，其程序為：緩冷到-193.9℃，保溫10~40h，然后再升溫到50℃，最后緩冷到室溫。工藝過程由工控機控制自動完成。
采用液氮深冷的工具如鉆頭、車刀、銼刀、絲錐、拉刀、齒輪滾刀等刀具比沒經(jīng)過深冷的壽命提高2~4倍，高者可達(dá)5倍。詳見表9 。
▼表9 高速鋼深冷處理效果比較
11 高速鋼刀具的表面強化
高速鋼刀具的表面強化方法很多，蒸汽處理和氧氮共滲是目前國內(nèi)在商品鉆頭上應(yīng)用最多的處理方法。QPQ技術(shù)在國外應(yīng)用較多，效果也很好。它適用于大量廉價的通用刀具。PVD氮化鈦涂層是強化效果最好的方法，價格較貴，適用于精密貴重刀具。液體硫氮共滲、點解強化、電火花強化、超聲波強化、鍍硬鉻等方法對自用刀具也有較好的強化效果。激光表面強化和離子注入等新技術(shù)也正在一起關(guān)注。
11.1 蒸汽處理
蒸汽處理是很老但很實用的方法，至今在國內(nèi)外在高速鋼鉆頭等工具上依然普遍應(yīng)用。蒸汽處理是將工件在過熱的蒸汽中加熱，表面形成1~5μm厚的致密Fe3O4氧化膜。氧化膜不僅使工件有了漂亮的外觀，增加了工件表面的防銹能力，它還能儲存切削液，減少摩擦，從而延長工具使用壽命。
蒸汽處理溫度為540℃~560℃，保溫時間60~90min。進(jìn)氣壓力0.04MPa-0.05MPa。正常處理時爐膛壓力0.03~0.05MPa。處理次數(shù)為一次或兩次。工件的預(yù)清理可以采用化學(xué)脫脂法，或采用三氯乙烯氣相脫脂。氧化膜的檢驗方法是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的CuSO3溶液浸蝕，10min內(nèi)工件表面不析出銅為合格。
11.2 氧氮化（氧氮共滲）
氧氮化處理是目前國內(nèi)在高速鋼直柄鉆頭上應(yīng)用最多的表面強化方法。它是在含氮和含氧的氣氛中做氧氮共滲，滲層內(nèi)部是氮的擴散層，外層為氧化膜。滲氮層有較高的耐磨性，氧化膜起防銹作用，對提高切削性能也有一定好處。機標(biāo)JB3192對氧氮化的質(zhì)量和檢驗方法作了規(guī)定。高速鋼直柄鉆頭氧氮化層的深度應(yīng)為15~45μm表面硬度為900~1150HV，氧化膜的厚度為1~5μm。氧氮化處理可以使直柄鉆頭的壽命提高50%~100%。
氧氮化處理根據(jù)使用原料不同分為很多種，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是氨水或者氨氣和水蒸氣混合法。
11.2.1 氨水汽化法
以質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的氨水滴入滲氮爐中分解。工件約350℃入爐，以45kw的井式爐為例，滴入量為140~160滴/min，排氣30min，升溫到540℃~560℃，滴量加大到200滴/min，保溫90~120min。出爐后空冷、浸油。這種方法設(shè)備投資少，但氨水的濃度不穩(wěn)定，會引起滲層質(zhì)量的波動。
11.2.2 氨水+水蒸氣混合法
這種方法是，由液氨汽化和鍋爐水蒸氣混合后，通過加熱的爐子使混合氣的溫度升到250℃以上，然后再通入氧氮共滲爐中。通過控制水氨氣和水蒸氣的比例，可以控制深層中的氮濃度。通常氨水和水蒸氣的比例為1:1，氧氮共滲的溫度為540-560℃，保溫時間根據(jù)裝爐量的不同通常為1.5-3h。該法的優(yōu)點是可以較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氮的濃度，缺點是質(zhì)量不容易控制穩(wěn)定，管道設(shè)備較復(fù)雜，設(shè)備投資較大。
11.3 QPQ處理
QPQ處理是在鹽浴氮碳共滲基礎(chǔ)上開發(fā)的兼有耐磨和抗蝕雙重作用的表面強化技術(shù)。由于QPQ處理滲層中的氮的濃度更高，它比一般的氮碳共滲和氧氮化處理有更高的耐磨性，而且具有非常好的抗蝕性。它是目前國外在高速鋼工具上應(yīng)用最多的表面強化方法。
高速鋼刀具QPQ處理工藝：
1)去油。大量生產(chǎn)采用金屬清洗劑或噴砂，少量生產(chǎn)采用汽油清洗；
2)預(yù)熱。350-400℃的空氣爐中預(yù)熱15~20min;
3)氮化。530-550℃的鹽浴中，保溫10~40min；
4)氧化。350-370℃的鹽浴中，保溫15~20min；
5)空冷一清洗→干燥→浸油
滲氮鹽浴中的氰酸根含量的控制非常重要，通常應(yīng)控制在30%-35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)，最佳含量為32%-34%。影響強化效果最大的因素是滲氮的規(guī)范，滲氮規(guī)范的選擇最好以切削試驗為準(zhǔn)。在某一滲氮溫度下，逐漸加長滲氮時間，并作相應(yīng)的切削試驗，直到得到最好的切削壽命。
在滲氮爐中工件表面形成氮的擴散層，其深度為10~45μm硬度可達(dá)1200HV以上，但脆性很小。在滲氮爐中不允許形成化合物層，否則刀具的刃口會變脆。工件在氧化爐中處理后，在滲氮層的外面形成了一層厚度為1~3μm的氧化膜，對提高刀具的壽命也有一定好處。
QPQ技術(shù)設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本低，強化效果好，無公害，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。QPQ技術(shù)用于鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、齒輪滾刀和拉刀等刀具，均可提高切削壽命2倍以上。對切削耐熱合金和難加工材料效果更佳。
這種方法不僅大幅度提高工具的使用壽命，而且可以大幅度降低工具使用壽命的分散度，提高工具壽命的穩(wěn)定性。表10是對一盒10支鉆頭，取5支不作QPQ處理，另外5支作了QPQ處理后的壽命對比數(shù)據(jù)。
▼表10 QPQ處理對鉆頭壽命的影響
11.4 硫氮共滲
硫氮共滲也稱硫氰共滲。滲層中除碳氮以外還有硫的滲入，硫在工具表面有潤滑和減少摩擦的作用。這種工藝通常可以提高刀具壽命1~2倍。
硫碳氮共滲的鹽浴含有30%~34%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氰酸根，含氰根0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下，鹽浴中加入硫化鉀。活性硫的含量控制在(2~5)×10E-6。為提高鹽浴的活性，要向鹽浴中通空氣，通空氣的量為每100kg鹽浴劑1.53L/min。高速鋼工具硫碳氮共滲的溫度為560~570°C，時間為10~60min由于硫碳氮共滲的鹽浴中含有氰根，因此硫氮共滲處理后，清洗工件的水必須經(jīng)過消毒處理才能排放。
11.5 物理涂層(PVD)
物理涂層也稱氣相沉積，在工具上應(yīng)用的主要是氮化鈦涂層。物理涂層的方法一般是在真空中使金屬Ti氣化，且離子化，與氮離子互相撞擊，在電場的作用下，在工件表面形成氮化鈦涂層。
作為高速鋼工具的物理涂層方法按沉積過程中，金屬T熔化，蒸發(fā)并離子化形成的原理不同，鍍層的主要方法有陰極濺射法、輝光放電離子鍍法和弧光放電離子鍍法。目前較先進(jìn)的方法是弧光放電離子鍍方法中的多弧離子鍍。陰極濺射法生成的鍍層組織致密，生產(chǎn)過程容易控制。多弧離子鍍沉積速度快，生產(chǎn)效率高，結(jié)合強度高，大小件均適合。弧光放電離子鍍就是將Ti置于真空中，用弧光放電使其熔化、蒸發(fā)，由放電的強弱來控制蒸發(fā)量的大小。圖11是多弧離子鍍的一種裝置原理圖。冷陰極弧源置于上部及四周，可以在整個真空室內(nèi)獲得大量均布的單原子金屬Ti，可以均勻快速地在工件表面形成鍍層。
▲圖11 多弧離子鍍裝置原理圖
1-陰極電弧源 2-主電弧源 3-反應(yīng)氣進(jìn)口
4-工件 5-工件偏壓電源
PVD涂層法通常是在刀具表面上形成2~5μm的TiN鍍層，其硬度在2000HV以上。鍍層不宜過厚，否則容易使刀刃脆化。PVD涂層具有很高的耐磨性，一般可以提高工具壽命2~5倍。可以提高切削效率30%左右，由其適用于齒輪滾刀，插齒刀等精密工具。
11.6 激光表面強化
很多國家對高速鋼的激光熱處理進(jìn)行了大量實驗研究工作。高速鋼表面激光強化有激光淬火，激光熔化和激光合金化涂敷等多種方法。
11.6.1 激光淬火
他是利用激光束的高密度能量，使高速鋼工具表面快速加熱到相變，然后利用工具本身的質(zhì)量快速冷卻，使表面淬硬。快速加熱及快速冷卻的結(jié)果，在工具表面形成高硬度淬火層（1000HV以上）從而提高工具的耐磨性。
工具激光淬火實際上是一種表面硬化，形成的是馬氏體與碳化物的混合物淬火層。采用激光淬火的工具通常需要預(yù)先進(jìn)行常規(guī)淬火才有較好的效果。
11.6.2 激光熔化
它是利用激光快速加熱，使工件表面相當(dāng)薄的一層組織快速熔化。高速鋼快速熔化區(qū)的組織為精細(xì)孿晶馬氏體、殘留奧氏體、未熔碳化物和δ鐵素體的混合物，回火后析出支晶狀的M6C碳化物。激光表面熔化區(qū)在高溫回火時，在600℃時才能達(dá)到硬度峰值，最高硬度可達(dá)1299HV。
W6Mo5Cr4V2高速鋼車刀采用800W的CO2激光熔化后，與560℃X2h回火后，熔化區(qū)域深度0.6~0.8mm，結(jié)果是提高了高速鋼的硬度和韌性，車刀壽命提高了2~5倍。
11.6.3 激光合金化涂覆
它是在工件表面上圖上冶金粉末，利用高能密度激光束使其快速熔化，在工件表面上形成一層合金層，以提高鋼的耐磨性和熱穩(wěn)定性。用于激光合金化的常用元素和化合物有C、WC、Co、BC等粉末，再加添加劑、粘結(jié)劑、混和后制成飽和涂料。
激光合金化的涂層厚度一般不超過80~100um，最好利用10-40J銣激光器熔化。利用Co（鈷）作合金化涂料，激光合金化后Co溶入基體，提高了α→B的轉(zhuǎn)變溫度和回火穩(wěn)定性，回火時形成金屬間化合物，并析出MC碳化物，促進(jìn)彌散硬化，提高了二次硬化作用。表面軟化溫度比普通高速鋼提高了350℃，比激光淬火提高了70-100℃，具可承受675~680℃的高溫。
用功率1kW的CO2激光器在W6Mo5Cr4V2高速鋼的表面采用W粉末激光合金化，可以形成80-100m的合金層，進(jìn)行560℃兩次回火以后，把合金層磨削到40-50μm，經(jīng)這樣處理的單刃車刀，切削壽命可以提高6倍。
11.6.7 離子注入法
它首先將要注入的元素離子化，并在數(shù)千伏的電壓下，將離子導(dǎo)入質(zhì)量分
析器進(jìn)行篩選，然后在幾十千伏到幾百千伏的高壓下將離子加速到要求的高能狀態(tài)。最后在處理室內(nèi)對工件進(jìn)行掃描，把離子注入到工件的表面。
注入的元素有N、Ti、C、Mo、P、B、Ta、Co等，主要作用是改善材料的耐磨性，抗蝕性和疲勞性能。英國采用離子注入法可使高速鋼絲錐的壽命提高12倍。美國對M35、M7、M2等高速鋼注入WC、Co，可使高速鋼工具壽命提高2~6倍，已經(jīng)大量用于生產(chǎn)。離子注入法用于M2高速鋼的沖頭甚至可以提高壽命70~80倍。
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