高速工具鋼鋼絲制品的熱處理

趙步青

安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

1 序言

高速工具鋼亦稱鋒鋼，自1900年問世至今已有120多年歷史。該鋼因其獨(dú)特的冶金成分以及后續(xù)制品熱處理所獲得的優(yōu)異性能，引起了機(jī)床與工具制造業(yè)、模具產(chǎn)業(yè)等革命性的變革，推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，因此研究高速鋼及其制品的性能具有現(xiàn)實(shí)意義。本文從高速鋼的共性入手，介紹用高速鋼絲制作各種工具的熱處理工藝，以期引起業(yè)內(nèi)人士的重視。其目的是把高速鋼熱處理搞上去，對(duì)社會(huì)做點(diǎn)貢獻(xiàn)。

2 高速鋼材料的共性

高速鋼屬萊氏體鋼，除含有較高C，還含較多的W、Mo、Cr、V等重要的合金元素，因此造就了高速鋼特殊的工藝性能。

高速鋼按化學(xué)成分可分為低合金高速鋼（HSS-L）、普通高速鋼（HSS）、高性能高速鋼（HSS-E）；按成形方法可分為冶金高速鋼、粉末鋼、噴射鋼。不管以何種方法生產(chǎn)的高速鋼，其都有以下共性。

1）含C較高，一般均＞0.70%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。

2）全部屬高合金鋼（含合金總量＞10%）。

3）大多含Cr達(dá)4%。

4）都含有很高的合金元素和足夠的碳與之相配合，在熱處理過程中形成不同的碳化物。

5）正常的淬火加熱溫度低于該鋼熔點(diǎn)80℃左右。

6）淬火、回火后的硬度都≥63HRC。

7）淬火、回火后的金相組織雷同。

8）淬火后都要進(jìn)行多次回火才充分，都有二次硬化現(xiàn)象，二次硬化溫度在540～560℃。

9）除車刀產(chǎn)品外，大眾產(chǎn)品刀具淬火晶粒度在9.5～10級(jí)，晶粒都比較細(xì)。

10）具有良好的淬透性，厚度＜200mm的制品在整個(gè)截面都可以獲得均勻的高硬度，小件空冷自硬。

11）有很高的熱硬性。

12）可以制作多種形式的工具。

13）有優(yōu)良的冷熱加工性能。

14）用高速鋼制成的各種工具、模具等，都可以進(jìn)行多種形式的表面強(qiáng)化處理。

15）價(jià)格昂貴，是同規(guī)格45鋼價(jià)格的10倍以上。

16）熱處理難度大，影響因素多，制造出來的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不易受控。

3 高速鋼鋼絲制刀具制品的熱處理工藝

GB/T 3080—2001《高速工具鋼絲》和YB/T 5302—2010《高速工具鋼絲》都規(guī)定鋼絲的直徑為1.0～16.0mm。以下簡(jiǎn)介不同直徑制品的熱處理工藝。

3.1 直徑≤3.0mm制品的熱處理工藝

對(duì)于直柄小鉆頭的熱處理，JB/T 9986—2013《工具熱處理金相檢驗(yàn)》規(guī)定：直徑≤3mm的鉆頭淬火晶粒度10～11.5級(jí)（W-Mo系），過熱≤1級(jí)，回火程度合格。淬火、回火后硬度62～65HRC。筆者制定和施行的實(shí)用工藝：若用M2鋼制造，經(jīng)預(yù)熱，870～880℃鹽浴加熱（裝套筒），1215～1220℃鹽浴加熱，晶粒度控制在11～12級(jí)，φ2.5mm的M2鋼制鉆頭淬火金相組織如圖1所示。500～550℃中性鹽（50%CaCl2+30%BaCl2+20%NaCl），三角盒夾直回火，560～570℃×1h×4次回火后硬度63～65.5HRC。如果硬度超標(biāo)應(yīng)作金相檢測(cè)，不過熱應(yīng)作切削試驗(yàn)，達(dá)到合格品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)放行。

圖1 φ2.5mm鉆頭淬火金相組織（500×）

3.2 直徑3～16mm鋼絲制品的熱處理工藝

直徑＞3mm以上的高速鋼絲，可以制作各種鉆頭、直柄立銑刀、鍵槽銑刀、圓柱形銑刀、直柄T形槽銑刀、燕尾槽銑刀、倒角刀、中心鉆、直柄機(jī)用鉸刀、機(jī)用絲錐及圓孔拉刀等幾十種金屬切削刀具。由于這種刀具形狀各異，切削加工對(duì)象不同，因此不能施行同一種工藝，制定熱處理工藝必須個(gè)性化。總的原則是既要硬度高，又要韌性好，在保證韌性的情況下，力求高硬度。直徑＞3～6mm的刀具，淬火加熱溫度用中限，直徑＞6～15mm的刀具，淬火加熱溫度選中上限，碳化物溶解要充分，前者淬火、回火后硬度在64.5～66HRC較好，后者硬度在65～66.5HRC更有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。下面以用M2（W6Mo5Cr4V2）鋼制作的直柄麻花鉆為例：1220～1225℃鹽浴加熱淬火，晶粒度9.5級(jí)，M2鋼絲制φ8mm直柄鉆頭淬火金相組織（見圖2），回火后硬度66～66.5HRC。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，用此工藝熱處理的鉆頭壽命最高。如果是M8的機(jī)用絲錐，淬火加熱溫度要適當(dāng)?shù)鸵稽c(diǎn)，晶粒度控制在10.5～10級(jí)，硬度在65～66HRC較妥。制定熱處理工藝要了解刀具的加工對(duì)象，突出某一方面的性能，這樣制造出來的刀具會(huì)深受市場(chǎng)青睞。

圖2 φ8mm鉆頭淬火金相組織（500×）

4 高速鋼模具制品的熱處理

筆者是國(guó)內(nèi)較早應(yīng)用高速鋼制造模具的科技人員之一。1975年在桂林某兵工廠工作時(shí)，應(yīng)桂林某五金廠的要求，用M2鋼制造M12規(guī)格梅花六角扳手取得了成功，其壽命為原Cr12MoV鋼的幾倍。1984年在浙江用M2鋼制造沖棒，壽命比原Cr12MoV鋼提高10倍以上，為此工廠組建高速鋼沖棒制造車間，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全國(guó)各地。經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐，筆者摸索出比較成熟的高速鋼模具鹽浴熱處理工藝，現(xiàn)簡(jiǎn)介如下。

1）淬火加熱溫度比相同尺寸的刀具要低得多。

2）加熱時(shí)間較長(zhǎng)一點(diǎn)。

3）第一次回火溫度用580～590℃。

4）根據(jù)沖棒等模具的工況，確定硬度很重要。

筆者在實(shí)踐中總結(jié)出非常適用的高速鋼模具淬火溫度與硬度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[1]，即

W18Cr4V鋼：T=1260－10（64－H）

W6Mo5Cr4V2鋼：T=1190－10（64－H）

式中T——確定的淬火加熱溫度（℃）；

H——要求硬度的平均值（HRC）。

這里要特別強(qiáng)調(diào)的是，淬火后模具的第一次回火溫度用580～590℃，如用刀具淬火后的550℃回火，則計(jì)算出來的加熱溫度要減去20℃。

5 高速鋼制高溫軸承的熱處理

在500℃以上高溫下服役的軸承零部件，除要求＞62HRC的高硬度外，還必須具備耐磨損、耐疲勞、抗氧化、耐腐蝕、抗沖擊，以及良好的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能，高速鋼正是兼?zhèn)渖鲜龈鞣N性能為數(shù)不多的鋼種之一。以下簡(jiǎn)介幾種高速鋼制作高溫軸承的熱處理工藝，僅供參考。

（1）M50鋼的熱處理 M50（相當(dāng)于我國(guó)Cr4Mo4V鋼）屬低合金高速鋼，我國(guó)高溫軸承用鋼標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38886—2020也將該鋼納入其內(nèi)。制作高溫軸承的熱處理工藝[2]可選擇：1130～1140℃加熱，晶粒度10～11級(jí)，540～550℃×1h×4次回火后，硬度可達(dá)63～65HRC。

（2）我國(guó)自產(chǎn)的低合金高速鋼301、4341鋼的熱處理 301（W3Mo2Cr4VSi）及4341（W4Mo3Cr4VSi）鋼經(jīng)1175～1180℃加熱淬火，晶粒度10～11級(jí)，540～560℃×1h×4次回火后，硬度可達(dá)64～66HRC。

（3）M2及9341鋼的熱處理 M2（W6Mo5Cr4V2）及9341（W9Mo3Cr4V）鋼經(jīng)1155～1165℃加熱淬火，晶粒度10.5～11.5級(jí)，550～560℃×1h×4次回火后，硬度可達(dá)64～66.5HRC。

6 高速鋼制塞規(guī)量具的熱處理

塞規(guī)是常用的量具，國(guó)內(nèi)曾用20Cr鋼滲碳淬火，也有用CrWMn、9SiCr等合金鋼制作。高速鋼熱處理后有很高的硬度，鋸片銑刀、三面刃銑刀、螺釘槽等有內(nèi)孔的刀具，操作者往往在機(jī)床未停穩(wěn)就測(cè)量，這使9SiCr等合金鋼因塞規(guī)磨損很快而失效。筆者使用高速鋼廢料頭和45鋼摩擦焊制造塞規(guī)，收到了意想不到的效果。

塞規(guī)材料選用碳飽和度較高的M2或高性能高速鋼制造，淬火加熱溫度取中上限，爐前晶粒度控制在9.5～10級(jí)，經(jīng)550℃×1h×4次回火后，硬度≥65HRC，使用壽命是9SiCr鋼的20倍以上。

7 處理好成分-組織-性能、產(chǎn)品壽命“三點(diǎn)一線”的關(guān)系

筆者在職時(shí)主管工廠的熱加工全部技術(shù)事宜，除對(duì)高速鋼實(shí)施分爐號(hào)管理外，還堅(jiān)持原材料進(jìn)廠試淬制度。合格者方可入庫(kù)，試淬數(shù)據(jù)作為批量生產(chǎn)的參考。因此，從事熱處理的技術(shù)人員一定要研究材料，如果不懂材料等于沒有入門。

50多年來，筆者悟出一個(gè)道理，要搞好熱處理必須處理好成分、組織、性能與工件壽命（產(chǎn)品生命線）之間的復(fù)雜關(guān)系（可稱為“三點(diǎn)一線”）。材料是基礎(chǔ)，基礎(chǔ)不牢地動(dòng)山搖，成分決定組織，組織決定性能，性能決定壽命。根據(jù)工件的用途，我們應(yīng)該建議采購(gòu)適合成分的鋼材，施行最佳的熱處理工藝，獲得該產(chǎn)品所需的突出性能，這樣制造出來的產(chǎn)品才是高檔次、有品位的，而不只是合格品。當(dāng)今社會(huì)給合格品沒有留多少生存空間，必須出精品。

8 結(jié)束語

高速工具鋼與其他鋼種相比，有多種特性。用高速鋼絲制作的鉆頭、銑刀、絲錐、沖棒、軸承及塞規(guī)等產(chǎn)品，由于要求的性能不同，失效形式各異，所以熱處理工藝必須個(gè)性化。熱處理工作者要正確處理好成分、組織、性能與產(chǎn)品壽命“三點(diǎn)一線”的關(guān)系，把單位的產(chǎn)品質(zhì)量搞上去，爭(zhēng)得市場(chǎng)份額才是硬道理。