高速钢的退火处理

由于高速钢中有较高的碳含量和大量的合金元素，在冶金厂轧制或锻造锻以后。即使空冷的情况下，也会有较高的硬度，因此必须进行退火软化处理，达到标准规定的硬度值才能出厂。工具制造者有时要对高速钢进行锻造成型或为改善碳化物偏析而进行锻造，有时用热轧成型方法制造工具，有时需要对淬火件进行返修等，这都需要对高速钢进行退火。

   国内外的实验都表明，高速钢退火时如果保温时间太长，会显著降低工具的使用寿命，因此，选择合理的退火工艺规范非常重要。 

常用高速钢的退火温度和退火以后的硬度见表1 。

▼表1  高速钢的热处理规范

   退火的保温时间根据装炉量等情况有所不同，一般应在3~4h以上。保温后可采用10℃~20℃的速度冷却至600℃以下出炉。也可以采用冷却至740℃~760℃，停留4~5h，再冷至600℃以下出炉的等温退火方法。

   高速钢还有一种高温退火方法可以大大缩短退火生产周期，提高退火质量。高温退火的加热温度是由普通退火的840℃~860℃，提高到880℃~920℃。普通退火方法在Ar1点以下保温，由于温度较低，虽然保温时间长，但高速钢仍然不能进行充分结晶，钢材不能充分软化。高温退火时将温度提到到Ar1以上，相变可以瞬间完成，并且进行得很充分，实现了*再结晶，因此钢材得到充分软化。

▲图1  高速钢普通退火与高温退火工艺曲线

a）高速钢普通退火  b）高温退火工艺

   由图可见，高温退火工艺的保温时间大大缩短。高温退火钢材的硬度更低，切削性能更好，切削效率可以提高20%，制成刀具的切削寿命，比普通退火的高15%~20%。

二   可改善加工性能的热处理

    改善高速钢的可加工性和表面粗糙度，可以按照表2推荐的工艺对高速钢进行预备热处理。使毛坯的硬度达到280~370HBW。 

▼表2  改善高速钢可加工性的预备热处理

   表2中的一次处理方法（工艺方法Ⅰ、Ⅱ）比调质处理（工艺方法Ⅲ）的效果更好。采用此方法处理的高速钢在较大的切削用量条件下，加工的表面粗糙度Ra可以达到1.6μm。

   一次处理的方法加热温度较低，在以后加热时奥氏体晶粒度不均匀长大的倾向小。退火前做一次720℃~760℃的退火，可以避免晶粒不均匀长大。

三  去应力

   经塑性变形加工方法制成的毛坯以及冷拉、冷挤压的各种原材料或毛坯，为了消除工的冷作硬化现象，采用720℃~760℃的低温退火方法。对于形状复杂、切削量较大或薄片状工具。为了减少淬火畸变或产生淬火裂纹，常用600℃~650℃的高温回火消除应力。为了消除磨削加工的应力，可在200℃~500℃温度下回火1~2h，粗磨后可在500℃的温度下消除应力，精磨后在200℃温度下消除应力。

四  淬火

说明：以下叙述的高速钢热处理工艺主要适用于盐浴炉。

4.1 预热

   高速钢导热性差，工件不容易热透，淬火加热前必须进行预热。一般要进行两次预热，工艺参数如下：

低温预热：450℃~500℃，保温1~1.5min/mm（空气炉）；

         600℃~650℃，保温0.8~1.0min/mm（盐浴炉）。

中温预热：800℃~850℃，保温0.4~1.0min/mm（盐浴炉）。

   尺寸不大，形状简单的工具可以采用一次预热，对于大多数工具来说，以两次预热为好，这有利于减少淬火畸变和开裂，而且第一次预热可以烤干工件表面水分，不会产生溅盐现象，利于安全。

4.2 淬火加热

4.2.1 加热温度

   高速钢淬火加热温度的选择，首先是由其牌号成分决定的，同时也要考虑工具的种类和规格，专门针对具体加工对象制造的工具还必须考虑到被加工材料的可加工性和切削规范等使用条件。

    各种高速钢的淬火加热温度如表3所示。

▼表3  几种低合金高速钢的热处理规范

   随着加热温度的升高，碳化物不断溶入高速钢基体，高速钢中的残留碳化物数量不断减少。图2显示了W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2两种高速钢在淬火加热时碳化物数量逐渐减少的情况。

▲图2  高速钢中碳化物数量与淬火温度的关系

   图2中，W18Cr4V碳化物的质量分数加热前在25%以上，加热到1300℃时只有15%左右，W6Mo5Cr4V2高速钢中碳化物质量分数淬火前在20%以上，加热到1300℃时只有10%多一些。

   随着碳化物的不断溶入基体，基体中的C、W、Mo、Cr、V等元素含量不断升高，这有利于提高淬火后形成的马氏体的耐磨性和热硬性。图3 为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2两种高速钢C及W、Mo、Cr、V含量随淬火温度的升高而升高的情况。

▲图3  高速钢中合金元素含量与淬火温度的关系

其中C含量几乎随淬火温度的升高呈直线上升。Cr的含量随着淬火温度的升高而增加，1100℃以上Cr含量不再增加，说明Cr的碳化物几乎全部溶入了基体。W、Mo、V的含量随着淬火加热温度的升高而不断上升，直到1300℃还在增加，说明此时这些碳化物只是部分溶入奥氏体，尚未*溶解。

4.2.2 淬火加热时间

   高速钢的淬火加热时间通常以工件的有效厚度乘以加热系数来计算，有效厚度参照表4 。

▼表4  有效厚度的计算方法和淬火加热系数

  高速钢在盐浴中的加热系数与淬火加热温度有关，1150℃~1240℃加热可选10~20s/mm。工件种类、规格不同，加热系数也应做适当调整。

   加热系数只是作为单件加热时间的计算依据，在实际生产中装炉量大的时候，必须考虑加热炉的类型、结构、功率、升温速度、零件的装卡方式、装炉量大小和预热情况等等因素来最终确定加热时间。

   高速钢淬火加热时要达到比较高的奥氏体化程度，淬火加热温度和保温时间都很重要，只是淬火温度的作用相对大一些。对两者作用进行综合考虑，可以用淬火参量公式表达。

      P=t（37+logτ）

式中  P——淬火参量

          t——淬火加热温度

         τ——淬火加热时间

   式中淬火参量P，代表了淬火加热温度和加热时间的综合作用。在淬火过程中，无论淬火加热温度和保温时间怎样变化，只要两者的作用结果和淬火参量相同，那么奥氏体化的程度就是相同的。图4表示淬火参量、碳化物量和残留奥氏体量的关系。

▲图4 淬火参量与碳化物量和留奥氏体量的关系

4.3 冷却

   高速钢的淬火冷却，从确保在冷却过程中碳化物不从奥氏体中析出、保证合金化程度的 角度来说，应该是冷却速度越快越好；但从避免零件开裂和减少畸变防止开裂的角度上说，冷却速度越慢越好。这两者相互矛盾，在实际生产中，是通过保证淬火硬度的前提下尽量缓慢冷却，以免产生废品来掌握的。

   高速钢在从高温炉中出来后，在浸入淬火介质之前即使在高温短时间的停留都会有碳化物析出。这种碳化物的析出过程，通过高倍电子显微镜可以清晰地观察到。

   图5显示了M7高速钢在1190℃奥氏体化后，冷却时中间停留对碳化物析出的影响。

▲图5  高温停留有碳化物析出

a）从奥氏体化温度直接水冷（无碳化物）12600X

b）在890℃停留30s后水冷（有碳化物）12600X

   图5 a）是中间没有停留，奥氏体化后直接水冷，可以看到没有析出物，晶界很清晰。图5 b）是从1190℃冷却到980℃，停留了30s，可以看到晶界及基体内都明显的有小颗粒状碳化物析出。

   从高速钢制工具的使用寿命角度看，高速钢淬火冷却时最好是出炉立即浸入冷却介质，中间停留会引起碳化物析出，从而损害耐磨性和热硬性。

   关于高速钢淬火的冷却方法，早期较普遍的做法是采用油冷淬火，现在已较少采用。目前国内多采用600℃左右的分级冷却。俄罗斯曾实验提高分级温度到680℃，以利减少淬火畸变。欧美国家采用550℃的分级温度。从工具使用寿命角度来说，应该是分级温度越低，寿命越高。

   从减少淬火畸变和防止开裂的角度来说，等温淬火更为有利。要进行等温淬火的高速钢工件，应先在分级盐浴中冷却，然后再到贝氏体区域做等温停留。通常是在240℃~260℃等温60~240min。表5列出了等温时间对W18Cr4V高速钢组织和硬度的影响。 

表5  等温时间对高速钢组织和硬度的影响

   由表5可以看出，W18Cr4V高速钢从淬火加热的奥氏体状态在260℃停留60min以上，可以形成大量贝氏体。随着停留时间延长，贝氏体量增加，马氏体量减少，残留奥氏体含量也增加。大量贝氏体形成可以显著提高钢的韧性，但刚的硬度有所下降。

五  回火

高速钢的回火应达到以下三大目的：

1）最佳的二次硬化物析出的硬化效应。

2）残留奥氏体充分分解。

3）*消除残留应力。

   普通高速钢的回火硬化峰值560℃左右，所以高速钢的回火温度通常选择560℃。回火硬度峰值的位置与回火的保温时间有一定关系。图6为回火保温时间从0.5h增加到100h，回火硬度峰值的变化情况。

▲图5  高速钢回火温度和回火时间与硬度之间的关系

     回火温度与回火保温时间的关系可以用回火参量来说明。其表达公式如下：

      P=（20+logτ）

式中  P——回火参量

      t——回火温度

     τ——回火时间

   尽管回火温度、回火保温时间可以不同，但只要回火参量相同，回火效果就是相同的。

   形状简单的一般高速钢工件可以采用两次回火，形状复杂的大型工件需要三次甚至四次回火。贝氏体等温淬火高速钢由于淬火后残留奥氏体量较多，可以适当增加回火次数。

   低、高温回火法，先在320℃~380℃回火一次，然后在560℃回火两次，可以使W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速钢的硬度增加0.5~2HRC，冲击韧度提高20%~50%，刀具的切削寿命提高40%。这是由于低温回火时有渗碳体型碳化物析出，促进了560℃高温回火时M2C型碳化物大量析出，减少了碳化物沿晶界析出的缘故。同时低温回火时也有部分残留奥氏体转变成了贝氏体。低、高温回火的高速钢比普通回火的高速钢有较高的韧性。

  在单件加热或自动线上回火时，可采用580℃X20min或600℃X10min的高温快速回火法。

   为了防止回火过程中奥氏体陈化稳定，回火后以应快冷却至室温。形状复杂的工件第一次回火必须缓慢加热，可在400℃进行一次预热均温，或在500℃以下温度入炉，再缓慢升温至回火温度，冷却时也应缓慢，也可以置于铁,桶冷却，以防开裂。