高速钢工模具热处理工艺浅析

吴景猷

（江汉大学文理学院，湖北武汉430056）

高速钢在业内以其胜任高速切割而著名，且历经百年而不衰，就是因为其具有比硬质合金材料更加优秀的可加工性和强韧性。高速钢比碳素工具钢、铬模具钢和合金钢具有更加优良的耐磨性能和热韧性，而且成本远比超硬材料低廉。例如车刀、钻头、锉刀等，还大量应用在制作冷镦压模具和冷挤压模具。热处理是高速钢工模具制作的重要技术工艺，保证和提高了高速钢工模具的各项性能（硬度、红硬性等），也改善了毛坯的组织结构和应力状态，可以更好地进行冷热加工。

1 高速钢的化学成分特点分析

高速钢选用的材质主要有 W6Mo5Cr4V、W18Cr4V、W9Mo3Cr4V三种，这三种类型的高速钢占我国高速钢材料市场的90%以上。W9Mo3Cr4V的强度和热塑性，在这三种类型的高速钢中是最好的，硬度可以达到HRC 63-64，W9Mo3Cr4V的热处理技术工艺范围很广，但其脱碳敏感性相对较差。

高速钢作为化学成分复杂的合金钢，含有C、W、Mo、Cr、V、Co等碳化物形成元素。合金元素的总含量可以达到10%～25%左右，其各合金元素在高速钢中作用各有分工。

（1）C的作用。淬火加热时，碳C溶入到高速钢的基体内，提高了高速钢基体内的碳的浓度，提高了高速钢的淬透性能，还获得了高碳马氏体，提高了硬度。C和W、Cr、Mo、V等合金元素，形成了合金碳化物，经过科学的热处理和热加工，使合金元素分布弥散合理，提高了高速钢的硬度、耐磨性和红硬性。但高速钢中含C量和合金元素必须相匹配，如果C的含量过低，高速钢内碳化物数量就会减少，从而会降低高速钢的耐磨性和红硬性；如果C的含量偏高，高速钢的硬度和红硬性得到提高，同时也形成了大量的剩余碳化物，从而降低了钢的韧性和塑性；如果再提高含C量，就会使钢的熔点下降，淬火温度也会下降，使高速钢的机械性和红硬性同比下降。

（2）W的作用。高速钢淬火加热时，W固溶7%左右，就可以造成高速钢的红硬度提高和二次硬化，W是影响高速钢红硬性最主要的化学元素。V在高速钢的含量比对W在高速钢的作用有着直接的影响，含V比较低时（1%～2%），高速钢的切割性能和红硬性随着W数量增加而增加，含W比达到18%时，这时得到的高速钢性能最良。高速钢的加热和冷却过程一定要缓慢进行，因为W会降低高速钢的导热系数，同时还可增加高速钢的淬透性能，但其也会使高速钢内的碳化物不均匀性增加。

（3）Cr的作用。铬在进行热处理时，其作用就是提高高速钢的淬透性，在淬火加热时，Cr溶入到奥氏体内，使得奥氏体稳定性提高，从而增加高速钢的淬透性能，4%含量的Cr就可以满足高速钢的淬透性要求，Cr还在一定程度上提高了高速钢的抗腐蚀能力和抗氧化脱碳能力。

（4）V的作用。V同样是影响高速钢红硬性的化学元素之一，但V的弥散分化作用大大高于W，W溶入固溶体内，可一定程度提高马氏体的稳定性，V也可以提高马氏体的分解温度，但其作用小于W，随着V容量的增加，高速钢的耐磨性能和红硬性能都相应提高。

（5）Mo的作用。作为同族元素的W和Mo，Mo提高了高速钢的硬性和造成高速钢的二次硬化，并和W的作用一样，提高高速钢的红硬性和淬透性。

2 高速钢工模具的热处理工艺

高速钢内的化学成分特点，使得高速钢的红硬性能、耐磨性能和淬透性特点，需要经过热处理技术工艺才可以表现出来。高速钢工模具的热处理工艺主要包括了锻造后退火、粗加工后去应力的低温回火或高温回火、精加工的回火及淬火、点火花切割后去应力的低温回火等。需要冷热加工相互合作相互配合，才能保证优良高速钢工模具的使用寿命的延长。

（1）预热。由于高速钢内化学元素较多，从室温直接加热至淬火的高温，工件就会产生相应的内应力，会引起工件的变形和开裂。这种内应力在冷却的时候，也会增加高速钢变形开裂的倾向，如果把冷却的工件直接加热到淬火高温，会延长高速钢工件在高温中的时间，也会增加高速钢的脱碳和氧化的倾向。可以选用在淬火加热以前，先进行两次预热来缩小其与高温炉之间的巨大温差，减少工件变形弯曲的可能。例加热工艺中550℃及850℃的预热，我们在处理这类高速钢工件的两次预热时，可在不同温度下的电炉进行。第一次预热，使高速钢工件表面水分烘干；在第二次预热时，就会使得高速钢工件的索氏体向奥氏体的转变可以在低温中进行。

（2）淬火加热。在高速钢中有大量的难容碳化物如W、Cr、V等，这些化学元素只有在1 200℃的高温，才可以大量的融入奥氏体内。融入奥氏体的合金元素数量越多，马氏体中的合金元素浓度就会越高，从而获得最佳的硬度、红硬度和优秀的耐磨性。由于合金元素W、Mo等对高速钢的红硬性影响比较大，且也只能在1 000℃高温以上，合金元素溶解量才会大量的增加，但是如果加热到1 300℃以上，即使合金元素溶解量还是有所增加，但奥氏体晶粒也会大量的增加，还可能在晶界处出现熔化的现象，从而导致高速钢韧性、强度减少。所以在淬火加热时，一定要严格控制加热时间和温度，在基本满足高速钢工模具的要求下，选用较低的加热温度和较短的加热时间。

（3）淬火加热时间。淬火的加热时间与加热温度有着直接的关系，以高速钢工模具来讲，淬火加热温度是第一选择。在淬火加热的高温范围内，如果加热温度高，相应的高速钢加热时间就会减少；如果加热温度低，相应的高速钢的加热时间就会增加，淬火的加热时间按照工件的一般厚度和直径来计量，加热系数可以按照8～10/mm。厚度小的，可以取加热温度的下限；厚度偏大，则可以取上限，最小件的加热时间也不能少于2 min。

（4）冷却。高速钢在淬火加热以后冷却，就可以获取到马氏体，空冷后的工件较容易氧化，高速钢的冷却过程中出现的二次碳化物，会降低高速钢的红硬性和硬度。所以我们一般选用油冷的淬火冷却方式。经过淬火加温，高速钢的硬度可以达到HRC 63，其组织结构是马氏体及少量的残余碳化物。

（5）回火。进行回火时，为了消除淬火时产生的内应力，减少奥氏体的数量和稳定钢的组织结构，高速钢的二次硬化的温度一般在550～570℃，进行回火3次。高速钢的热硬性在回火的过程中得到，回火时V与W的合金碳化物也从马氏体中分出，使得合金碳化物分散在马氏体的基体上，明显增加了高速钢的硬度。淬火马氏体转换为回火马氏体，残余的奥氏体也转换为马氏体，再次使得硬度增加，就保证了高速钢的硬度和红硬性，高速钢的强韧性也得到提高。V、W的合金碳化物，经过析出并导致二次硬化，使高速钢具有了优秀的稳定性能，由于其难以聚集，碳化物的马氏体上也有足够的W，马氏体就会出现难以溶解的现象，从而可以保证高速钢回火温度高到600℃仍能保持相应的硬度。淬火后高速钢大多转为马氏体，奥氏体仅剩下不足25%左右，经过第一次回火，15%的残余奥氏体转化为马氏体，加上新转换的马氏体产生新的应力，还会增加高速钢的红硬性和硬度。经过第二次回火，剩余奥氏体又有6%转换为马氏体，第三次回火后，剩余的奥氏体就不足3%，足以保证高速钢的热硬性能。经过3次回火，高速钢的硬度就可以达到HRC 65，组织结构是黑色回火马氏体并剩余少量的奥氏体。

3 结束语

从实践中可以看出，高速钢工模具的热处理质量水平，对其使用寿命和各项性能的影响是十分巨大的。从失效的统计分析看以看出，大多数的高速钢工模具失效，就是因为热处理不当所引起的。例如淬火加热过程中引起的变形与开裂、使用过程早期的变形等，都和热处理的技术工艺有关。通过对高速钢工模具的热处理技术工艺进行改善和研究，可以提高高速钢工模具的强度、韧性、耐磨性和使用寿命，从而降低了模具的制造成本及避免了因热处理不当和转换不均匀造成的加工过程的各种缺陷。

[1]王宗华.高速钢锻造工艺[J].锻压设备与锻造技术，2004，(3)：66-67.

[2]赫保红，王 鹏.高速钢回火处理的分析研究[J].北京石油化工学院学报，2006，14(3)：5-7.

[3]上海工具厂.刀具热处理[M].上海:上海人民出版社，1971.

[4]朱正才.W18Cr4V钢的锻造与热处理[J].锻压技术，2007，32(2):17-18.

[5]郭耕三.高速钢及其热处理[M].北京：机械工业出版社，1985.

[6]王荣滨.高速钢模具锻造和淬火裂纹分析与消除措施[J].模具制造，2006，(7)：74-77.

[7]许天已.高速钢的热处理·钢铁热处理使用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.