高速钢的同步热处理

同步热处理是指高速钢工件在盐浴热处理时，实行淬火加热、冷却、回火各工序采用同样的时间，即以同一节拍进行生产。它可以实现热处理的全过程自动化。大大缩短生产周期，同时也保证了产品质量的一致性和稳定性。生产实践证明，自动化生产的高速钢工具，比普通热处理工具的切削寿命可以提高20%~40%。

   实现同步热处理的关键是正确选择回火温度和保温时间，以便和淬火加热的保温时间相匹配，实现同节拍生产。图6提供了W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Co5高速钢的高温回火温度与保温时间的关系，可以用于选择回火规范时参考。

  ▲图6   高速钢高温回火温度与保温时间的关系 

a）W6Mo5Cr4V2（1200℃加热淬火）

b）W6Mo5Cr4V2Co5（1235℃加热淬火）

   图6中，在Ⅰ区内任何一点的回火温度与回火时间搭配组成的回火规范，均可使高速钢达到正常回火的目的。在Ⅱ区内选择的回火规范会造成过度回火，在Ⅲ区内选择的回火规范会造成回火不足。

七  高温盐浴热处理表面脱碳的检查和温度控制

7.1 盐浴加热表面脱碳的检测

   高速钢工具在高温盐浴炉中加热，虽然有对盐浴定期进行脱氧的工艺，但由于加热温度高，脱氧过的盐浴加热工件，其表面也不可避免地要产生脱碳现象，因此将影响高速钢工具的淬火质量。

   国外很多国家采用钢箔法测量高温盐浴的脱碳倾向，这比测量盐浴中氧化钡的含量能更直接地反映出工具表面的脱碳情况。具体的方法是：用0.1mm厚、尺寸为70mm×20mm的含碳为1.0%的高碳钢箔，在盐浴的使用温度下加热8min，然后水冷。根据钢箔的脱碳情况可以判断盐浴的脱碳倾向。

用这种方法判断钢箔的脱碳情况有以下三种做法：

(1)弯曲法。

   对加热并水冷的钢箔进行弯曲，根据钢箔的弯曲程度，可以判断盐浴的脱碳倾向。根据经验并结合化验分析，可以确定某个弯曲度以上为合格标准。

(2)定碳法。

    化验经高温盐浴加热并水冷的钢箔的碳含量，如果含碳量在0.96%以上，

即可确定盐浴状态良好。

(3)仪器法。

   由于钢的碳含量不同，其热电势的高低也不同，因此可以利用测量钢箔表面热电势的方法来显示钢的表面碳含量的高低。国外已有专门的仪器——交流器，来测量钢箔的脱碳情况。

    图7是这种仪器的原理示意图，主要是利用两个热电对2和3，一个是被加热的电极，另一个是冷的电极，两个电极之间由于温差产生热电势，并且这个电势随钢箔表面的含碳量不同而有规律地变化。

▲图7  交流器示意图

1-机壳    2、3-被加热的、冷的热电对  

4-被测钢箔  5-夹持压紧器  6-夹持压紧器外壳  

7-交流器的连接线和补偿接头

   由于盐浴的脱碳情况不同，因而钢箔的碳含量不同，所以在两个电极之间产生的热电势不同，由此可以检测出试样的脱碳情况。由于事先测量了不同的碳含量钢箔的热电势，因此很容易测出钢箔的脱碳情况。

7.2 高温盐浴的温度控制

  高温盐浴的温度控制一直是个难题，其难点在于，在1200℃~1300℃的高温下，由于没有合适的耐高温材料作保护管，无法直接用热电偶作为感温元件。长期以来一直采用辐射高温计作为感温元件。

   采用辐射高温计作为感温元件的最大缺点是由于辐射高温计固定在盐浴炉的上方，高温盐浴表面有大量的烟雾，影响测量结果的稳定性和准确性；且辐射高温计测量的只是盐浴表面温度，这与盐浴内部加热的工件的实际温度有一定的差值。

   有一种插入式辐射高温计可以克服上述缺点。其结构如图8所示。

▲图8 插入式辐射高温计示意图

（1in即1英寸=25.4mm）

   它是在辐射高温计的下面，接一个封闭的延长管，并把延长管插入盐浴内部。在工作时，向管内通压缩空气，还可以吹走管顶端的烟雾。这样就测到了盐浴内部的温度，并克服了烟雾对测量准确性的影响。

   制作插入式辐射高温计的关键，是插入盐浴内部的那一段管子的材料，它既要耐高温，又要耐急冷急热。一种称为硅线石的陶瓷材料具有这种耐高温又耐急冷急热的性能，插入式辐射高温计顶端的接管，就是用这种材料制造的。

   随着对耐高温材料的开发，已经可以制造耐高温的热电偶保护管，可以用高温热电偶直接插入盐浴炉进行测温、控温，因而可以更稳定、更精确地控制高温盐浴炉的温度。虽然国内外都已经有关于在盐浴中试验和使用高温热电偶的报道，但是，热电偶套管的寿命是这项技术能否普遍应用的关键。

八    高速钢工具的真空热处理

   高速钢工具在真空炉中进行热处理，畸变小，表面光洁，无氧化脱碳，车间工作环境好，采用微机控制可以减少手工操作，工艺重复性好。工件在真空炉中加热，只能靠辐射传热，加热速度比盐浴炉慢得多，必须采用多段预热，长时间保温。可采用3~4段预热，4段预热的温度可以采用700°C、800°C、1050℃、1150℃。加热系数可以延长到40~60s/mm。在装炉量不太大时，可以采用接近或稍低于盐浴炉加热的淬火加热温度。例如W6Mo5Cr4V2高速钢可以采用1200-1220°C。在装炉量较大时，应注意炉子中心部位的工件被遮挡，形成“阴影"，造成较大的温差，因此应当适当地延长淬火加热的保温时间。

   高速钢工具在真空炉加热淬火，现在大都采用高纯氮气冷却（纯度99.999%）。采用氮气冷却随着使用压力的加大，冷却能力也增加。采用常压气体冷却时，冷却速度很小，只适用于很小尺寸或对硬度要求不高的零件。常压气淬工具畸变小，有碳化物自基体中析出，因此硬度和热硬性显著下降。图9表示出了冷却方式对高速钢热硬性的影响。

▲图9  冷却方式对高速钢热硬性的影响

   采用0.2MPa的压力进行真空淬火时，高速钢零件尺寸不能太大，否则也会产生硬度和热硬性下降的现象。采用0.5PMa压力淬火时，高速钢工具尺寸可以达到100mm，接近盐浴分级淬火的冷却能力。也有的真空炉不增加或少增加冷却氮气的压力，而是加大气体流量，这样也可以达到理想的冷却效果。

   高速钢工模具在真空炉中淬火时，容易产生混晶现象，即晶粒尺寸大小相差悬殊。有时也会因为冷却不足而产生碳化物析出现象。工件表面合金元素脱离现象也是真理淬火容易产生的表面缺陷。

九  粉末高速钢的热处理

9.1 粉末高速钢的特性

   粉末高速钢采用熔融的钢液高压雾化制粉。经过筛选、装罐压实、抽真空密封和热等静压等工序制成钢锭，再经过锻造、轧制而成为粉末冶金钢材。

   粉末冶金钢因为是由非常细小的的颗粒压制而成，它的碳化物颗粒均匀细小，因此它克服了冶金高速钢碳化物偏析带来的一系列缺点，并诞生了冶炼法不可能制造的新成分高速钢。下面叙述粉末高速钢的一些特点。

9.1.1 改善了材料的力学性能

   与冶金法制造的普通高速钢相比，粉末冶金法制造的高速钢力学性能大幅度提高。粉末冶金法制造的M2（W18Cr4V）高速钢力学性能，比普通M2高速钢的韧性提高20%。表6为普通M42、T15和CPMM4高速钢，在相近的化学成分和热处理硬度条件下，力学性能的比较情况。

▼表6  部分粉末冶金高速钢的力学性能

   粉末高速钢热处理后的硬度更均匀，组织也更均匀，工具不会因为碳化物堆积或存在大块碳化物而产生刀尖崩刃现象。

9.1.2 改善了材料的工艺性能

   首先是改善材料的可磨削性，对大部分粉末高速钢来说，可以比普通高速钢成倍地提高可磨削性。由表6可见，CPMM42、CPMT15、CPMM4三个牌号粉末冶金高速钢的磨削比，分别比普通高速钢的磨削比提高2.8、3.7、2.5倍。

   普通高速钢的含V量大于3%时就已经不易磨削，大于5%就几乎不能磨削了。但粉末高速钢T15的含V量为5%，仍然有较好的可磨削性。有的粉末高速钢含V为9%依然可以磨削。

   粉末高速钢还克服了普通高速钢的锻造困难、热处理易过热、开裂、畸变等缺点。

9.1.3 可制造出合金元素含量更高的新牌号高速钢

   由于不再担心碳化物的偏析问题和磨削及锻造等工艺问题，粉末高速钢的成分有巨大突破。首先是提高了钢的含V量，几乎所有的粉末高速钢的含V量都大于3%，有的含V高达9.8%。同时还提高了刚的含碳量，几乎所有的粉末高速钢都是高碳高速钢，含碳量均＞1.2%，有的高达2%。

   粉末高速钢的价格比普通高速钢昂贵，一般只有对特殊要求的齿轮刀具和难加工材料刀具才予以采用。

9.2 粉末高速钢的牌号和成分

   目前粉末高速钢的生产厂家主要在瑞典、美国、日本、奥地利等国。其生产的粉末高速钢牌号和化学成分如表7所示。

▼表7  粉末高速钢的牌号和化学成分

9.3 粉末高速钢的热处理

   各国高速钢根据牌号和化学成分不同都有其相应的热处理规范。以下为一些热处理工艺参数举例。

9.3.1 退火

   瑞典对其四种牌号和化学成分的粉末高速钢推荐的退火规范为：850℃~900℃保温后，以≤10℃/h冷却速度，缓冷至700℃出炉。

9.3.2 淬火

   从热处理基本原理来说，粉末高速钢与普通高速钢的热处理应该是相同的，其差别在于粉末高速钢的碳化物颗粒均匀细小，更容易溶入基体，因此相同化学成分的粉末高速钢可以可以选择比普通高速钢低的淬火温度，一般可以降低5℃~8℃。同样，由于粉末高速钢的奥氏体更容易均匀化，可以采用较短的保温时间，一般可以比普通高速钢的保温时间缩短1/3 。

   各国粉末高速钢根据牌号不同，其热处理规范也不同。瑞典的四种牌号粉末高速钢的淬火温度均设为1160℃~1180℃。美国粉末高速钢CPM Rex42的淬火温度采用1230℃，CPM Rex20采用1190℃。奥地利的粉末高速钢S390PM淬火温度采用1150℃~1240℃。日本的几种牌号高速钢的热处理规范见表8 。

▼表8  日本粉末高速钢的热处理规范

9.3.3 回火

   由于粉末高速钢的碳化物均匀细小，奥氏体化更充分回火二次硬化更充分，所以同样的回火规范回火效果更好。粉末高速钢的回火温度和保温时间与普通高速钢大致相同。一般采用两次或三次回火。但也有的牌号粉末高速钢回火温度有所调整。例如，奥地利的S390PM粉末高速钢回火温度为500℃ 。

十  高速钢的深冷处理

     高速钢一般使用液氮做深冷处理。其流程如图10所示。

▲图10  液氮深冷处理箱示意图

   在深冷处理箱中通常采用较长的保温时间，其程序为：缓冷到-193.9℃，保温10~40h，然后再升温到50℃，最后缓冷到室温。工艺过程由工控机控制自动完成。

   采用液氮深冷的工具如钻头、车刀、锉刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀等刀具比没经过深冷的寿命提高2~4倍，高者可达5倍。详见表9 。

▼表9  高速钢深冷处理效果比较

十一  高速钢刀具的表面强化

   高速钢刀具的表面强化方法很多，蒸汽处理和氧氮共渗是目前国内在商品钻头上应用最多的处理方法。QPQ技术在国外应用较多，效果也很好。它适用于大量廉价的通用刀具。PVD氮化钛涂层是强化的方法，价格较贵，适用于精密贵重刀具。液体硫氮共渗、点解强化、电火花强化、超声波强化、镀硬铬等方法对自用刀具也有较好的强化效果。激光表面强化和离子注入等新技术也正在一起关注。

11.1 蒸汽处理

   蒸汽处理是很老但很实用的方法，至今在国内外在高速钢钻头等工具上依然普遍应用。蒸汽处理是将工件在过热的蒸汽中加热，表面形成1~5μm厚的致密Fe3O4氧化膜。氧化膜不仅使工件有了漂亮的外观，增加了工件表面的防锈能力，它还能储存切削液，减少摩擦，从而延长工具使用寿命。

   蒸汽处理温度为540℃~560℃，保温时间60~90min。进气压力0.04MPa-0.05MPa。正常处理时炉膛压力0.03~0.05MPa。处理次数为一次或两次。工件的预清理可以采用化学脱脂法，或采用三氯乙烯气相脱脂。氧化膜的检验方法是用质量分数为10%的CuSO3溶液浸蚀，10min内工件表面不析出铜为合格。

11.2 氧氮化（氧氮共渗）

   氧氮化处理是目前国内在高速钢直柄钻头上应用最多的表面强化方法。它是在含氮和含氧的气氛中做氧氮共渗，渗层内部是氮的扩散层，外层为氧化膜。渗氮层有较高的耐磨性，氧化膜起防锈作用，对提高切削性能也有一定好处。机标JB3192对氧氮化的质量和检验方法作了规定。高速钢直柄钻头氧氮化层的深度应为15~45μm表面硬度为900~1150HV，氧化膜的厚度为1~5μm。氧氮化处理可以使直柄钻头的寿命提高50%~100%。

   氧氮化处理根据使用原料不同分为很多种，目前国内应用较多的是氨水或者氨气和水蒸气混合法。

11.2.1 氨水汽化法

   以质量分数25%的氨水滴入渗氮炉中分解。工件约350℃入炉，以45kw的井式炉为例，滴入量为140~160滴/min，排气30min，升温到540℃~560℃，滴量加大到200滴/min，保温90~120min。出炉后空冷、浸油。这种方法设备投资少，但氨水的浓度不稳定，会引起渗层质量的波动。

11.2.2 氨水+水蒸气混合法

   这种方法是，由液氨汽化和锅炉水蒸气混合后，通过加热的炉子使混合气的温度升到250℃以上，然后再通入氧氮共渗炉中。通过控制水氨气和水蒸气的比例，可以控制深层中的氮浓度。通常氨水和水蒸气的比例为1:1，氧氮共渗的温度为540-560℃，保温时间根据装炉量的不同通常为1.5-3h。该法的优点是可以较大范围内调节氮的浓度，缺点是质量不容易控制稳定，管道设备较复杂，设备投资较大。

11.3 QPQ处理

   QPQ处理是在盐浴氮碳共渗基础上开发的兼有耐磨和抗蚀双重作用的表面强化技术。由于QPQ处理渗层中的氮的浓度更高，它比一般的氮碳共渗和氧氮化处理有更高的耐磨性，而且具有非常好的抗蚀性。它是目前国外在高速钢工具上应用最多的表面强化方法。

  高速钢刀具QPQ处理工艺：

1)去油。大量生产采用金属清洗剂或喷砂，少量生产采用汽油清洗；

2)预热。350-400℃的空气炉中预热15~20min;

3)氮化。530-550℃的盐浴中，保温10~40min；

4)氧化。350-370℃的盐浴中，保温15~20min；

 5)空冷一清洗→干燥→浸油

   渗氮盐浴中的氰酸根含量的控制非常重要，通常应控制在30%-35%(质量分数)范围内，最佳含量为32%-34%。影响强化效果最大的因素是渗氮的规范，渗氮规范的选择最好以切削试验为准。在某一渗氮温度下，逐渐加长渗氮时间，并作相应的切削试验，直到得到切削寿命。

   在渗氮炉中工件表面形成氮的扩散层，其深度为10~45μm硬度可达1200HV以上，但脆性很小。在渗氮炉中不允许形成化合物层，否则刀具的刃口会变脆。工件在氧化炉中处理后，在渗氮层的外面形成了一层厚度为1~3μm的氧化膜，对提高刀具的寿命也有一定好处。

   QPQ技术设备投资少，生产成本低，强化效果好，无公害，产品质量稳定。QPQ技术用于钻头、铣刀、铰刀、丝锥、齿轮滚刀和拉刀等刀具，均可提高切削寿命2倍以上。对切削耐热合金和难加工材料效果更佳。

   这种方法不仅大幅度提高工具的使用寿命，而且可以大幅度降低工具使用寿命的分散度，提高工具寿命的稳定性。表10是对一盒10支钻头，取5支不作QPQ处理，另外5支作了QPQ处理后的寿命对比数据。

▼表10  QPQ处理对钻头寿命的影响

11.4 硫氮共渗

   硫氮共渗也称硫氰共渗。渗层中除碳氮以外还有硫的渗入，硫在工具表面有润滑和减少摩擦的作用。这种工艺通常可以提高刀具寿命1~2倍。

   硫碳氮共渗的盐浴含有30%~34%(质量分数)的氰酸根，含氰根0.8%(质量分数)以下，盐浴中加入硫化钾。活性硫的含量控制在(2~5)×10E-6。为提高盐浴的活性，要向盐浴中通空气，通空气的量为每100kg盐浴剂1.53L/min。高速钢工具硫碳氮共渗的温度为560~570°C，时间为10~60min由于硫碳氮共渗的盐浴中含有氰根，因此硫氮共渗处理后，清洗工件的水必须经过消毒处理才能排放。

11.5 物理涂层(PVD)

   物理涂层也称气相沉积，在工具上应用的主要是氮化钛涂层。物理涂层的方法一般是在真空中使金属Ti气化，且离子化，与氮离子互相撞击，在电场的作用下，在工件表面形成氮化钛涂层。

   作为高速钢工具的物理涂层方法按沉积过程中，金属T熔化，蒸发并离子化形成的原理不同，镀层的主要方法有阴极溅射法、辉光放电离子镀法和弧光放电离子镀法。目前较先进的方法是弧光放电离子镀方法中的多弧离子镀。阴极溅射法生成的镀层组织致密，生产过程容易控制。多弧离子镀沉积速度快，生产效率高，结合强度高，大小件均适合。弧光放电离子镀就是将Ti置于真空中，用弧光放电使其熔化、蒸发，由放电的强弱来控制蒸发量的大小。图11是多弧离子镀的一种装置原理图。冷阴极弧源置于上部及四周，可以在整个真空室内获得大量均布的单原子金属Ti，可以均匀快速地在工件表面形成镀层。

▲图11 多弧离子镀装置原理图

1-阴极电弧源  2-主电弧源  3-反应气进口

4-工件  5-工件偏压电源

   PVD涂层法通常是在刀具表面上形成2~5μm的TiN镀层，其硬度在2000HV以上。镀层不宜过厚，否则容易使刀刃脆化。PVD涂层具有很高的耐磨性，一般可以提高工具寿命2~5倍。可以提高切削效率30%左右，由其适用于齿轮滚刀，插齿刀等精密工具。

11.6 激光表面强化

   很多国家对高速钢的激光热处理进行了大量实验研究工作。高速钢表面激光强化有激光淬火，激光熔化和激光合金化涂敷等多种方法。

11.6.1 激光淬火

   他是利用激光束的高密度能量，使高速钢工具表面快速加热到相变，然后利用工具本身的质量快速冷却，使表面淬硬。快速加热及快速冷却的结果，在工具表面形成高硬度淬火层（1000HV以上）从而提高工具的耐磨性。

   工具激光淬火实际上是一种表面硬化，形成的是马氏体与碳化物的混合物淬火层。采用激光淬火的工具通常需要预先进行常规淬火才有较好的效果。

11.6.2 激光熔化

   它是利用激光快速加热，使工件表面相当薄的一层组织快速熔化。高速钢快速熔化区的组织为精细孪晶马氏体、残留奥氏体、未熔碳化物和δ铁素体的混合物，回火后析出支晶状的M6C碳化物。激光表面熔化区在高温回火时，在600℃时才能达到硬度峰值，最高硬度可达1299HV。

   W6Mo5Cr4V2高速钢车刀采用800W的CO2激光熔化后，与560℃X2h回火后，熔化区域深度0.6~0.8mm，结果是提高了高速钢的硬度和韧性，车刀寿命提高了2~5倍。

11.6.3 激光合金化涂覆

   它是在工件表面上图上冶金粉末，利用高能密度激光束使其快速熔化，在工件表面上形成一层合金层，以提高钢的耐磨性和热稳定性。用于激光合金化的常用元素和化合物有C、WC、Co、BC等粉末，再加添加剂、粘结剂、混和后制成饱和涂料。

   激光合金化的涂层厚度一般不超过80~100um，最好利用10-40J铷激光器熔化。利用Co（钴）作合金化涂料，激光合金化后Co溶入基体，提高了α→B的转变温度和回火稳定性，回火时形成金属间化合物，并析出MC碳化物，促进弥散硬化，提高了二次硬化作用。表面软化温度比普通高速钢提高了350℃，比激光淬火提高了70-100℃，具可承受675~680℃的高温。

  用功率1kW的CO2激光器在W6Mo5Cr4V2高速钢的表面采用W粉末激光合金化，可以形成80-100m的合金层，进行560℃两次回火以后，把合金层磨削到40-50μm，经这样处理的单刃车刀，切削寿命可以提高6倍。

11.6.7 离子注入法

    它首先将要注入的元素离子化，并在数千伏的电压下，将离子导入质量分

析器进行筛选，然后在几十千伏到几百千伏的高压下将离子加速到要求的高能状态。最后在处理室内对工件进行扫描，把离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，抗蚀性和疲劳性能。英国采用离子注入法可使高速钢丝锥的寿命提高12倍。美国对M35、M7、M2等高速钢注入WC、Co，可使高速钢工具寿命提高2~6倍，已经大量用于生产。离子注入法用于M2高速钢的冲头甚至可以提高寿命70~80倍。