縱觀現(xiàn)在世界上所有的鋼種，無(wú)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、軋制、拉絲、塑性成形、焊接和熱處理等整個(gè)制造過(guò)程的難度，高速鋼無(wú)疑是最難搞的鋼種之一。高速鋼自問(wèn)世至今已有100多年歷史，一直以制造金屬切削刀具著稱。有人說(shuō)“高速鋼奧妙無(wú)窮”，也有人說(shuō)“高速鋼變化莫測(cè)”。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)高速鋼進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和改革創(chuàng)新，豐富了熱處理寶庫(kù)。筆者1968年大學(xué)畢業(yè)后，從事高速鋼熱處理整整50個(gè)春秋，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，也記錄了一些失敗的教訓(xùn)，總結(jié)出高速鋼熱處理值得關(guān)注的23個(gè)問(wèn)題，和同行們商討，不妥之處請(qǐng)批評(píng)指正。
碳在高速鋼中作用是什么？
碳是高速鋼中最重要的元素，作用機(jī)制是碳化物的形成及轉(zhuǎn)變——溶解、析出、聚集。含量必須適當(dāng)，不可過(guò)多，也不能太少。當(dāng)含量較低時(shí)，不能形成足夠數(shù)量的復(fù)合碳化物，因而在淬火加熱時(shí)溶入固溶體的碳化物減少，會(huì)降低鋼的硬度、紅硬性及耐磨性；若含碳量高，淬火加熱時(shí)，碳和合金元素的濃度增高，使鋼的硬度、紅硬性提高，但也帶來(lái)一些不利影響：在碳化物不均勻度增大、塑性降低脆性增加、工藝性能變壞（鍛造、軋制易開(kāi)裂）、降低鋼的熔點(diǎn)，所以容易產(chǎn)生過(guò)熱過(guò)燒。含碳量增高，會(huì)使淬火后殘留奧氏體（rR）增多，增加回火難度。以前的M35鋼因含碳量偏低（0.80%~0.90%），淬回火后根本達(dá)不到67HRC以上的高硬度；501鋼（M2A1）因含碳量偏高，問(wèn)題不少，現(xiàn)在兩鋼都回歸到正常的含碳量了。GB/T9943新標(biāo)準(zhǔn)和原標(biāo)準(zhǔn)相比，最大的亮點(diǎn)莫過(guò)于碳的變化。
高速鋼中究竟含多少碳好？應(yīng)遵循定比碳法則確定。鋼廠生產(chǎn)的高速鋼成分雖都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但不一定適合你。工具廠應(yīng)根據(jù)自家的產(chǎn)品，選擇有競(jìng)爭(zhēng)力適中的含碳量鋼種。
高速鋼的碳飽和度如何計(jì)算？
平衡碳是給出鋼中所有的碳化物形成元素，按定比碳關(guān)系達(dá)到平衡時(shí)的碳含量，通常按下式進(jìn)行近似地計(jì)算。
Cs=0.33W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V
式中，Cs是理論上計(jì)算的“平衡碳”，“平衡碳差值”表示計(jì)算出來(lái)的Cs與實(shí)際含碳量的差值，即ΔC= Cs-C實(shí)
C實(shí)／Cs的比值即為碳飽和度，常用“A”來(lái)表示。
例如：M2鋼的實(shí)際化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%）：0.85C、5.97W、4.95Mo、3.97 Cr、1.82V。平衡碳、平衡碳差值、碳飽和度計(jì)算式分別為：
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
碳飽和度（A）=0.85/1.103=0.771
筆者統(tǒng)計(jì)分析了M2鋼267個(gè)爐號(hào)340t含碳量，并熱處理試驗(yàn)A值對(duì)鋼性能的影響，結(jié)論是：A值在0.76~0.83時(shí)，綜合性能佳。
碳飽和度與淬火溫度及熱處理后硬度的關(guān)系？
在正常的淬火溫度范圍內(nèi)，每提高11~13℃，晶粒度就升高1級(jí)，如果按9.5～10.5級(jí)晶粒度組織生產(chǎn)，對(duì)于Ｍ２鋼淬火溫度（t）與A值有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，筆者的經(jīng)驗(yàn)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，淬火溫度越低，反之亦然，根據(jù)Ａ值確定淬火溫度是科學(xué)的，行之有效的，已被國(guó)內(nèi)同行認(rèn)可。
知道了Ａ值，就能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)淬回火后的硬度，經(jīng)驗(yàn)式為：
對(duì)于Ｍ２鋼而言：ＨＲＣ＝Ａ／(０．０１２８５Ａ＋０．００１８５) 例如Ｍ２鋼Ａ值為０．７７，則ＨＲＣ＝０．７７/０．０１２８５×０．７７＋０．００１８５＝０．７７/０．０１１７４４５≈６５．6。實(shí)際生產(chǎn)中的刀具硬度在６５～６６ＨＲＣ，非常吻合，要想硬度高，必須選擇Ａ值高的鋼制作。
高速鋼刀具淬火為什么要預(yù)熱？
高速鋼屬高合金工具鋼，含有眾多的合金元素，導(dǎo)熱性差、塑性低，所以高速鋼淬火必須經(jīng)過(guò)預(yù)熱，有四大好處。
（1）減少應(yīng)力及變形開(kāi)裂的幾率。
（2）縮短高溫加熱時(shí)間，減少氧化、脫碳傾向。
（3）先在空氣爐中預(yù)熱再到鹽浴爐預(yù)熱，避免發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，有利于安全生產(chǎn)。
（4）中溫預(yù)熱一般在850℃左右，使珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)谳^低溫度下進(jìn)行，有利于減少最后相變應(yīng)力。
高速鋼碳化物不均勻級(jí)別判定標(biāo)準(zhǔn)是什么？
嚴(yán)重的碳化物不均勻度將使鋼的硬度及紅硬性下降，若呈網(wǎng)狀堆積，破壞了鋼組織的連續(xù)性，導(dǎo)致刀具在使用過(guò)程中易脆斷或崩刀。高速鋼碳化物不均勻在×100倍顯微鏡下觀察。GB/T9943-2008《高速工具鋼》將共晶碳化物分為8級(jí)，詮釋如下，供參考。見(jiàn)表1.
表1 高速鋼碳化物不均勻度級(jí)別
標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則 | |
1 | 碳化物分布均勻 |
2 | 碳化物呈微細(xì)狀 |
3 | 帶系——細(xì)帶寬約2mm，網(wǎng)系——細(xì)網(wǎng)中局部有不明顯分叉 |
4 | 帶系——有明顯集中帶，帶寬約4mm；網(wǎng)系——有明顯的微細(xì)分叉 |
5 | 帶系——集中帶寬約7.5mm；網(wǎng)系——網(wǎng)狀殘余 |
6 | 帶系——集中帶寬約11mm；網(wǎng)系——破碎網(wǎng)及少量堆積 |
7 | 帶系——集中帶寬約15mm；網(wǎng)系——拉長(zhǎng)多形網(wǎng)有明顯堆積 |
8 | 帶系 明顯集中帶寬約19mm；網(wǎng)系 封閉完整網(wǎng)有明顯堆積 |
高速鋼中碳化物顆粒度級(jí)別判定標(biāo)準(zhǔn)是什么？
高速鋼中大塊角狀碳化物和大顆粒碳化物統(tǒng)稱為大塊碳化物，根據(jù)GB/T9943-2008，大塊碳化物的評(píng)級(jí)分W系和W-M0系，見(jiàn)表2和表3.
表2 高速鋼中大塊碳化物評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（W系）
1 | 2 | 3 | 4 | |
大塊角狀碳化物最大尺寸/μm | 18 | 21 | 23 | 25 |
大顆粒碳化物最大尺寸/μm | 16 | 18 | 21 | 23 |
表3 高速鋼中大塊碳化物評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn) （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 |
檢查大塊碳化物應(yīng)在試樣直徑或?qū)蔷€的1/4處的縱向截面上進(jìn)行，以視場(chǎng)中最嚴(yán)重為判據(jù)，試樣按規(guī)定的熱處理工藝淬火后于680～720℃×１～２h回火，試樣厚度10～１２mm,×500倍下觀察。
對(duì)于高速鋼來(lái)講，碳化物是一把雙刃劍，它既是保證了高速鋼具有高硬度、耐磨性、紅硬性等使用性能，同時(shí)又是產(chǎn)生各種質(zhì)量問(wèn)題的重要根源。為了提高刀具壽命，必須深入研究高速鋼中的碳化物，深刻理解碳化物的生成和變化規(guī)律。高速鋼的熱處理，無(wú)非是在做碳化物的轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)換工作，必須高度重視。
碳化物的溶解度對(duì)高速鋼的性能有何影響？
高速鋼的碳化物類型有M3C、M23C6、M7C3、M6C、MC、M2C等。高速鋼加熱時(shí)碳化物溶解情況決定了奧氏體中碳合金元素的含量，并影響晶粒度，從而影響鋼淬火后的力學(xué)性能及使用性能。碳化物溶解越充分，硬度越高，耐磨性、紅硬性越高。但韌性下降脆性增大，爐前金相一定要注視碳化物的溶解情況，只看晶粒號(hào)不看碳化物溶解度是很不全面的。
我們?cè)趯?shí)踐摸索出判斷碳化物溶解度的簡(jiǎn)易方法：在一顆奧氏體晶粒中，5～８顆粒溶解充分，８～１２顆溶解一般，﹥１２顆溶解不好。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，視刀具類別及使用情況，控制碳化物溶解度非常重要，這也是高速鋼熱處理的精髓。
顯示高速鋼奧氏體晶粒度用什么試劑？
HSS及HSS-E鋼淬火后顯示奧氏體晶粒度常用4%硝酸酒精溶液（體積分?jǐn)?shù)），溫室，侵蝕時(shí)間靈合掌握，也有用7%～１３％三氯化鐵水溶液。ＨＳＳ－Ｌ鋼淬火后顯示奧氏體晶粒度用１０％硝酸酒精或１０％三氯化鐵水溶液。
不管什么類別的高速鋼回火后再顯示奧氏體晶粒度是很難的，需專配。我們的配方１：100ml乙醇+10ml鹽酸+3ml硝鹽。配方2：100ml甲醇+10ml鹽酸+3ml硝酸。
用M2鋼同成分制作不同的刀具熱處理工藝有何不同？
2004年筆者在全國(guó)工具廠廠長(zhǎng)經(jīng)理會(huì)上作“制定熱處理工藝應(yīng)該個(gè)性化”的學(xué)術(shù)報(bào)告【文章載《機(jī)械工人-熱加工》2005年第6期】，受到一致好評(píng)。我舉同成分的M2鋼為例，制作不同的工具，熱處理工藝見(jiàn)表4.
表4 M2鋼制作不同刀具的熱處理工藝
淬火溫度 /℃ | 冷卻工藝 | 晶粒度 /級(jí) | 回火工藝 | 回火后硬度HRC | 過(guò)熱程度 /級(jí) | |
車刀 | 1230～１２３５ | 油淬或中性鹽分級(jí) | ８．５～９ | ５５０℃×１h×3次 | 65～67 | ２～４ |
滾刀 | １２２５～１２３０ | ５００～６００℃ 鹽浴分級(jí) | ９．５～１０ | 第一次350～380℃， 以后550℃×１h×3次as | ≧６４ | １～２ |
三面刃銑刀 | １２２０～１２３０ | ５００～６００℃ 鹽浴分級(jí) | ９．５～１０．５ | 550℃×１h×3次 | ６５～６７ | ﹤２ |
直柄鉆頭 | １２１０～１２２５ | ５００～６００℃ 鹽浴分級(jí) | １０～１１ | 550℃×１h×3次 | ６４～６６．５ | ﹤２ |
拉刀 | １２０５～１２１５ | 油淬或中性分級(jí)后 再２６０℃等溫 | １０．５～１１．５ | 550℃×１h×4次 | ６４～６６．５ | 不允許 |
機(jī)用絲錐 | １１９０～１２１０ | ５００～６００鹽浴分級(jí)后 再２６０℃等溫 | １０．５～１２ | 550℃×１h×4次 | ６３～６６ | 不允許 |
大鋸片 | １１８０～１２００ | ５００～６００鹽浴分級(jí)后 再２６０℃等溫 | １１～１２ | 550℃×１h×4次 | ６２～６５ | 不允許 |
end
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