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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、軋制易開裂）、降低鋼的熔點(diǎn)，所以容易產(chǎn)生過熱過燒。含碳量增高，會(huì)使淬火后殘留奧氏體（r_R）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，選擇有競爭力適中的含碳量鋼種。

 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。

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，已被國內(nèi)同行認(rèn)可。

知道了Ａ值，就能準(zhǔn)確地預(yù)測淬回火后的硬度，經(jīng)驗(yàn)式為：

對(duì)于Ｍ_２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)過預(yù)熱，有四大好處。

（1）減少應(yīng)力及變形開裂的幾率。

（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。

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。見表1.

   表1    高速鋼碳化物不均勻度級(jí)別

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）

表3  高速鋼中大塊碳化物評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn) （W-M_O系）

   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，無非是在做碳化物的轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)換工作，必須高度重視。

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。

用M2鋼同成分制作不同的刀具熱處理工藝有何不同？