高速鋼熱處理問答

T透的水滴

高速鋼熱處理問答
作者：趙步青
縱觀現在世界上所有的鋼種，無論其化學成分、組織、性能之間的復雜關系，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制造過程的難度，高速鋼無疑是最難搞的鋼種之一。高速鋼自問世至今已有100多年歷史，一直以制造金屬切削刀具著稱。有人說“高速鋼奧妙無窮”，也有人說“高速鋼變化莫測”。長期以來，人們對高速鋼進行了大量的基礎研究和改革創新，豐富了熱處理寶庫。筆者1968年大學畢業后，從事高速鋼熱處理整整50個春秋，積累了不少經驗，也記錄了一些失敗的教訓，總結出高速鋼熱處理值得關注的23個問題，和同行們商討，不妥之處請批評指正。

碳是高速鋼中最重要的元素，作用機制是碳化物的形成及轉變——溶解、析出、聚集。含量必須適當，不可過多，也不能太少。當含量較低時，不能形成足夠數量的復合碳化物，因而在淬火加熱時溶入固溶體的碳化物減少，會降低鋼的硬度、紅硬性及耐磨性；若含碳量高，淬火加熱時，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，所以容易產生過熱過燒。含碳量增高，會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%），淬回火后根本達不到67HRC以上的高硬度；501鋼（M2A1）因含碳量偏高，問題不少，現在兩鋼都回歸到正常的含碳量了。GB/T9943新標準和原標準相比，最大的亮點莫過于碳的變化。
   高速鋼中究竟含多少碳好？應遵循定比碳法則確定。鋼廠生產的高速鋼成分雖都符合國家標準，但不一定適合你。工具廠應根據自家的產品，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，按定比碳關系達到平衡時的碳含量，通常按下式進行近似地計算。
Cs=0.33W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V
式中，Cs是理論上計算的“平衡碳”，“平衡碳差值”表示計算出來的Cs與實際含碳量的差值，即ΔC= Cs-C實
     C實／Cs的比值即為碳飽和度，常用“A”來表示。
例如：M2鋼的實際化學成分為（質量分數：%）：0.85C、5.97W、4.95Mo、3.97 Cr、1.82V。平衡碳、平衡碳差值、碳飽和度計算式分別為：
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
  筆者統計分析了M2鋼267個爐號340t含碳量，并熱處理試驗A值對鋼性能的影響，結論是：A值在0.76~0.83時，綜合性能佳。

在正常的淬火溫度范圍內，每提高11~13℃，晶粒度就升高1級，如果按9.5～10.5級晶粒度組織生產，對于Ｍ２鋼淬火溫度（t）與A值有一定的對應關系，筆者的經驗是：
   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Ａ值確定淬火溫度是科學的，行之有效的，已被國內同行認可。
知道了Ａ值，就能準確地預測淬回火后的硬度，經驗式為：
對于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。實際生產中的刀具硬度在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，導熱性差、塑性低，所以高速鋼淬火必須經過預熱，有四大好處。
（1）減少應力及變形開裂的幾率。
（2）縮短高溫加熱時間，減少氧化、脫碳傾向。
（3）先在空氣爐中預熱再到鹽浴爐預熱，避免發生爆炸危險，有利于安全生產。
（4）中溫預熱一般在850℃左右，使珠光體向奧氏體轉變在較低溫度下進行，有利于減少最后相變應力。

嚴重的碳化物不均勻度將使鋼的硬度及紅硬性下降，若呈網狀堆積，破壞了鋼組織的連續性，導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，詮釋如下，供參考。見表1.
   表1    高速鋼碳化物不均勻度級別
        標準細則
1        碳化物分布均勻
2        碳化物呈微細狀
3        帶系——細帶寬約2mm，網系——細網中局部有不明顯分叉
4        帶系——有明顯集中帶，帶寬約4mm；網系——有明顯的微細分叉
5        帶系——集中帶寬約7.5mm；網系——網狀殘余
6        帶系——集中帶寬約11mm；網系——破碎網及少量堆積
7        帶系——集中帶寬約15mm；網系——拉長多形網有明顯堆積
8        帶系  明顯集中帶寬約19mm；網系  封閉完整網有明顯堆積

高速鋼中大塊角狀碳化物和大顆粒碳化物統稱為大塊碳化物，根據GB/T9943-2008，大塊碳化物的評級分W系和W-M0系，見表2和表3.
表2  高速鋼中大塊碳化物評級標準（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級標準 （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
   檢查大塊碳化物應在試樣直徑或對角線的1/4處的縱向截面上進行，以視場中最嚴重為判據，試樣按規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，同時又是產生各種質量問題的重要根源。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律。高速鋼的熱處理，無非是在做碳化物的轉變與轉換工作，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，只看晶粒號不看碳化物溶解度是很不全面的。
我們在實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。在現實生產中，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。

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（體積分數），溫室，侵蝕時間靈合掌握，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。


2004年筆者在全國工具廠廠長經理會上作“制定熱處理工藝應該個性化”的學術報告【文章載《機械工人-熱加工》2005年第6期】，受到一致好評。我舉同成分的M2鋼為例，制作不同的工具，熱處理工藝見表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        回火工藝        回火后硬度
HRC        過熱程度
/級
車刀        1230～１２３５        油淬或中性鹽分級        ８．５～９        ５５０℃×１h×3次        65～67        ２～４
滾刀        １２２５～１２３０        ５００～６００℃鹽浴分級        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        ９．５～１０．５        550℃×１h×3次        ６５～６７        ﹤２
直柄鉆頭        １２１０～１２２５        ５００～６００℃鹽浴分級        １０～１１        550℃×１h×3次        ６４～６６．５        ﹤２
拉刀        １２０５～１２１５        油淬或中性分級后再２６０℃等溫        １０．５～１１．５        550℃×１h×4次        ６４～６６．５        不允許
機用絲錐        １１９０～１２１０        ５００～６００鹽浴分級后再２６０℃等溫        １０．５～１２        550℃×１h×4次        ６３～６６        不允許
大鋸片        １１８０～１２００        ５００～６００鹽浴分級后再２６０℃等溫        １１～１２        550℃×１h×4次        ６２～６５        不允許