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(huì)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(shí)要對(duì)高速鋼進(jìn)行鍛造成型或?yàn)楦纳铺蓟锲龆M(jìn)行鍛造，有時(shí)用熱軋成型方法制造工具，有時(shí)需要對(duì)淬火件進(jìn)行返修等，這都需要對(duì)高速鋼進(jìn)行退火。
國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)都表明，高速鋼退火時(shí)如果保溫時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)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(jiàn)表1 。
▼表1 高速鋼的熱處理規(guī)范
退火的保溫時(shí)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(diǎn)以下保溫，由于溫度較低，雖然保溫時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)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(shí)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(jiàn)，高溫退火工藝的保溫時(shí)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(duì)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(shí)奧氏體晶粒度不均勻長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(shuō)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(jiǎn)單的工具可以采用一次預(yù)熱，對(duì)于大多數(shù)工具來(lái)說(shuō)，以兩次預(yù)熱為好，這有利于減少淬火畸變和開(kāi)裂，而且第一次預(yù)熱可以烤干工件表面水分，不會(huì)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(hào)成分決定的，同時(shí)也要考慮工具的種類和規(guī)格，專門(mén)針對(duì)具體加工對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shuō)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(shuō)明此時(shí)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(shí)間
高速鋼的淬火加熱時(shí)間通常以工件的有效厚度乘以加熱系數(shù)來(lái)計(jì)算，有效厚度參照表4 。
▼表4 有效厚度的計(jì)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(shí)間的計(jì)算依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中裝爐量大的時(shí)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(lái)最終確定加熱時(shí)間。
高速鋼淬火加熱時(shí)要達(dá)到比較高的奧氏體化程度，淬火加熱溫度和保溫時(shí)間都很重要，只是淬火溫度的作用相對(duì)大一些。對(duì)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(shí)間
公式中淬火參量P，代表了淬火加熱溫度和加熱時(shí)間的綜合作用。在淬火過(guò)程中，無(wú)論淬火加熱溫度和保溫時(shí)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(guò)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(lái)說(shuō)，應(yīng)該是冷卻速度越快越好；但從避免零件開(kāi)裂和減少畸變防止開(kāi)裂的角度上說(shuō)，冷卻速度越慢越好。這兩者相互矛盾，在實(shí)際生產(chǎn)中，是通過(guò)保證淬火硬度的前提下盡量緩慢冷卻，以免產(chǎn)生廢品來(lái)掌握的。
高速鋼在從高溫爐中出來(lái)后，在浸入淬火介質(zhì)之前即使在高溫短時(shí)間的停留都會(huì)有碳化物析出。這種碳化物的析出過(guò)程，通過(guò)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(shí)中間停留對(duì) 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(wú)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(méi)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(shí)最好是出爐立即浸入冷卻介質(zhì)，中間停留會(huì)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(guó)內(nèi)多采用600℃左右的分級(jí)冷卻。俄羅斯曾實(shí)驗(yàn)提高分級(jí)溫度到680℃，以利減少淬火畸變。歐美國(guó)家采用550℃的分級(jí)溫度。從工具使用壽命角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是分級(jí)溫度越低，壽命越高。
從減少淬火畸變和防止開(kāi)裂的角度來(lái)說(shuō)，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(jí)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(shí)間對(duì)W18Cr4V高速鋼組織和硬度的影響。
▼表5 等溫時(shí)間對(duì)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(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)間有一定關(guān)系。圖6為回火保溫時(shí)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(shí)間與硬度之間的關(guān)系
回火溫度與回火保溫時(shí)間的關(guān)系可以用回火參量來(lái)說(shuō)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(shí)間
盡管回火溫度、回火保溫時(shí)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(jiǎn)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(shí)有滲碳體型碳化物析出，促進(jìn)了560℃高溫回火時(shí)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(shí)低溫回火時(shí)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(dòng)線上回火時(shí)，可采用580℃X20min或600℃X10min的高溫快速回火法。
為了防止回火過(guò)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(shí)也應(yīng)緩慢，也可以置于鐵,桶冷卻，以防開(kāi)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(shí)，實(shí)行淬火加熱、冷卻、回火各工序采用同樣的時(shí)間，即以同一節(jié)拍進(jìn)行生產(chǎn)。它可以實(shí)現(xiàn)熱處理的全過(guò)程自動(dòng)化。大大縮短生產(chǎn)周期，同時(shí)也保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。生產(chǎn)實(shí)踐證明，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)同步熱處理的關(guān)鍵是正確選擇回火溫度和保溫時(shí)間，以便和淬火加熱的保溫時(shí)間相匹配，實(shí)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(shí)間的關(guān)系，可以用于選擇回火規(guī)范時(shí)參考。
▲圖6 高速鋼高溫回火溫度與保溫時(shí)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(diǎn)的回火溫度與回火時(shí)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(huì)造成過(guò)度回火，在Ⅲ區(qū)內(nèi)選擇的回火規(guī)范會(huì)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(cè)
高速鋼工具在高溫鹽浴爐中加熱，雖然有對(duì)鹽浴定期進(jìn)行脫氧的工藝，但由于加熱溫度高，脫氧過(guò)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(guó)外很多國(guó)家采用鋼箔法測(cè)量高溫鹽浴的脫碳傾向，這比測(cè)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(duì)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(yàn)并結(jié)合化驗(yàn)分析，可以確定某個(gè)彎曲度以上為合格標(biāo)準(zhǔn)。
(2)定碳法。
化驗(yàn)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(shì)的高低也不同，因此可以利用測(cè)量鋼箔表面熱電勢(shì)的方法來(lái)顯示鋼的表面碳含量的高低。國(guó)外已有專門(mén)的儀器——交流器，來(lái)測(cè)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(gè)熱電對(duì)2和3，一個(gè)是被加熱的電極，另一個(gè)是冷的電極，兩個(gè)電極之間由于溫差產(chǎn)生熱電勢(shì)，并且這個(gè)電勢(shì)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(jī)殼 2、3-被加熱的、冷的熱電對(duì)
4-被測(cè)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(bǔ)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(gè)電極之間產(chǎn)生的熱電勢(shì)不同，由此可以檢測(cè)出試樣的脫碳情況。由于事先測(cè)量了不同的碳含量鋼箔的熱電勢(shì)，因此很容易測(cè)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(gè)難題，其難點(diǎn)在于，在1200℃~1300℃的高溫下，由于沒(méi)有合適的耐高溫材料作保護(hù)管，無(wú)法直接用熱電偶作為感溫元件。長(zhǎng)期以來(lái)一直采用輻射高溫計(jì)作為感溫元件。
采用輻射高溫計(jì)作為感溫元件的最大缺點(diǎn)是由于輻射高溫計(jì)固定在鹽浴爐的上方，高溫鹽浴表面有大量的煙霧，影響測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；且輻射高溫計(jì)測(cè)量的只是鹽浴表面溫度，這與鹽浴內(nèi)部加熱的工件的實(shí)際溫度有一定的差值。
有一種插入式輻射高溫計(jì)可以克服上述缺點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
▲圖8 插入式輻射高溫計(jì)示意圖
（1in即1英寸=25.4mm）
它是在輻射高溫計(jì)的下面，接一個(gè)封閉的延長(zhǎng)管，并把延長(zhǎng)管插入鹽浴內(nèi)部。在工作時(shí)，向管內(nèi)通壓縮空氣，還可以吹走管頂端的煙霧。這樣就測(cè)到了鹽浴內(nèi)部的溫度，并克服了煙霧對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。
制作插入式輻射高溫計(jì)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(jì)頂端的接管，就是用這種材料制造的。
隨著對(duì)耐高溫材料的開(kāi)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(cè)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(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有關(guān)于在鹽浴中試驗(yàn)和使用高溫?zé)犭娕嫉膱?bào)道，但是，熱電偶套管的壽命是這項(xiàng)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(wú)氧化脫碳，車間工作環(huán)境好，采用微機(jī)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(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)到40~60s/mm。在裝爐量不太大時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)淬火加熱的保溫時(shí)間。
高速鋼工具在真空爐加熱淬火，現(xiàn)在大都采用高純氮?dú)饫鋮s（純度99.999%）。采用氮?dú)饫鋮s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(shí)，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(duì)高速鋼熱硬性的影響。
▲圖9 冷卻方式對(duì)高速鋼熱硬性的影響
采用0.2MPa的壓力進(jìn)行真空淬火時(shí)，高速鋼零件尺寸不能太大，否則也會(huì)產(chǎn)生硬度和熱硬性下降的現(xiàn)象。采用0.5PMa壓力淬火時(shí)，高速鋼工具尺寸可以達(dá)到100mm，接近鹽浴分級(jí)淬火的冷卻能力。也有的真空爐不增加或少增加冷卻氮?dú)獾膲毫Γ羌哟髿怏w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(shí)，容易產(chǎn)生混晶現(xiàn)象，即晶粒尺寸大小相差懸殊。有時(shí)也會(huì)因?yàn)槔鋮s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(guò)篩選、裝罐壓實(shí)、抽真空密封和熱等靜壓等工序制成鋼錠，再經(jīng)過(guò)鍛造、軋制而成為粉末冶金鋼材。
粉末冶金鋼因?yàn)槭怯煞浅＜?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(lái)的一系列缺點(diǎn)，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(diǎn)。
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(huì)因?yàn)樘蓟锒逊e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(duì)大部分粉末高速鋼來(lái)說(shuō)，可以比普通高速鋼成倍地提高可磨削性。由表6可見(jiàn)，CPMM42、CPMT15、CPMM4三個(gè)牌號(hào)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(shí)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(guò)熱、開(kāi)裂、畸變等缺點(diǎn)。
9.1.3 可制造出合金元素含量更高的新牌號(hào)高速鋼
由于不再擔(dān)心碳化物的偏析問(wèn)題和磨削及鍛造等工藝問(wèn)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(shí)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(jià)格比普通高速鋼昂貴，一般只有對(duì)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(hào)和成分
目前粉末高速鋼的生產(chǎn)廠家主要在瑞典、美國(guó)、日本、奧地利等國(guó)。其生產(chǎn)的粉末高速鋼牌號(hào)和化學(xué)成分如表7所示。
▼表7 粉末高速鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分
9.3 粉末高速鋼的熱處理
各國(guó)高速鋼根據(jù)牌號(hào)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(duì)其四種牌號(hào)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(lái)說(shuō)，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(shí)間，一般可以比普通高速鋼的保溫時(shí)間縮短1/3 。
各國(guó)粉末高速鋼根據(jù)牌號(hào)不同，其熱處理規(guī)范也不同。瑞典的四種牌號(hào)粉末高速鋼的淬火溫度均設(shè)為1160℃~1180℃。美國(guó)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(hào)高速鋼的熱處理規(guī)范見(jiàn)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(shí)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(hào)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(zhǎng)的保溫時(shí)間，其程序?yàn)椋壕徖涞?193.9℃，保溫10~40h，然后再升溫到50℃，最后緩冷到室溫。工藝過(guò)程由工控機(jī)控制自動(dòng)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(méi)經(jīng)過(guò)深冷的壽命提高2~4倍，高者可達(dá)5倍。詳見(jiàn)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(qiáng)化
高速鋼刀具的表面強(qiáng)化方法很多，蒸汽處理和氧氮共滲是目前國(guó)內(nèi)在商品鉆頭上應(yīng)用最多的處理方法。QPQ技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用較多，效果也很好。它適用于大量廉價(jià)的通用刀具。PVD氮化鈦涂層是強(qiáng)化效果最好的方法，價(jià)格較貴，適用于精密貴重刀具。液體硫氮共滲、點(diǎn)解強(qiáng)化、電火花強(qiáng)化、超聲波強(qiáng)化、鍍硬鉻等方法對(duì)自用刀具也有較好的強(qiáng)化效果。激光表面強(qiáng)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(shí)用的方法，至今在國(guó)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(guò)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(chǔ)存切削液，減少摩擦，從而延長(zhǎng)工具使用壽命。
蒸汽處理溫度為540℃~560℃，保溫時(shí)間60~90min。進(jìn)氣壓力0.04MPa-0.05MPa。正常處理時(shí)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(yàn)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(guó)內(nèi)在高速鋼直柄鉆頭上應(yīng)用最多的表面強(qiáng)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(kuò)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(duì)提高切削性能也有一定好處。機(jī)標(biāo)JB3192對(duì)氧氮化的質(zhì)量和檢驗(yàn)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(guó)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(huì)引起滲層質(zhì)量的波動(dòng)。
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(guò)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(guò)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(shí)間根據(jù)裝爐量的不同通常為1.5-3h。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氮的濃度，缺點(diǎn)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(kāi)發(fā)的兼有耐磨和抗蝕雙重作用的表面強(qiáng)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(guó)外在高速鋼工具上應(yīng)用最多的表面強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)為準(zhǔn)。在某一滲氮溫度下，逐漸加長(zhǎng)滲氮時(shí)間，并作相應(yīng)的切削試驗(yàn)，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(kuò)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(huì)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(duì)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(qiáng)化效果好，無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)比數(shù)據(jù)。
▼表10 QPQ處理對(duì)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(rùn)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(shí)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(guò)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(qiáng)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(qiáng)弱來(lái)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(gè)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(guò)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(qiáng)化
很多國(guó)家對(duì)高速鋼的激光熱處理進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究工作。高速鋼表面激光強(qiáng)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(shí)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(shí)，在600℃時(shí)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(guò)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(shí)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(duì)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(guó)采用離子注入法可使高速鋼絲錐的壽命提高12倍。美國(guó)對(duì)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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