高速钢热处理宝典六则

赵步青

(安徽嘉龙锋钢刀具有限公司，安徽 马鞍山 243131)

高速钢是高速工具钢的简称，俗称锋钢(因为在空气中也能淬硬，也称风钢)。自1898年美国人Fred W. Taylor 及其助手 M. Whiet发明高速钢至今，已走过双甲年华。纵观目前世界上所有的钢种，无论其化学成分、组织、性能之间的复杂关系，还是冶炼、浇注、锻造、辊轧、拉拔、塑性成形和热处理等，整个制造过程的难度，高速钢无疑是最难搞的钢种之一。有人说“高速钢奥妙无穷”，也有人说“高速钢变化莫测”。笔者1968年大学毕业后从事高速钢热处理整整50个春秋，积累了比较丰富的实践经验，同时记录了不少失败的教训，现总结出高速钢热处理宝典六则，和同仁们共享，不妥之处请指正。

1 高速钢分级淬火用盐浴

从中国有高速钢盐浴加热淬火以来，就沿用前苏联的5-3-2配方(质量分数，%)，即50% BaCl2+30% KCl+20% NaCl，熔点温度560 ℃，使用温度580～620 ℃。对于有效尺寸在20 mm以下的工具，HSS钢制件，均可达到65 HRC以上的高硬度；HSS-E钢制件均可达≥66 HRC。我国的工具行业，使用这个分级淬火工艺，创造了一个又一个省优、部优、国优，说明它极具生命力。

时代在发展，技术在进步。随着人们对冷却速度重要性认识的深化，发现工件在1000～800 ℃的平均冷却速度<7 ℃/s，将有碳化物析出而影响硬度及其它性能[1]，于是不惜巨资从欧美引进钙基分级盐，其配方(质量分数，%)，即48% CaCl2+31% BaCl2+21% NaCl,熔点435 ℃，使用温度480～560 ℃。国内有的厂为了简化配方，改为50% CaCl2+30% BaCl2+20% NaCl，熔点较传统钙基盐略有提高，但分级温度仍维持在480～560 ℃的水平。

关于Ca基盐浴，并不是什么新东西，前苏联在上世纪40年代就公开了，50年代传到中国，60年代不少厂试用过，笔者1974～1978年在桂林工作时，也曾配过Ca基盐浴，由于当时是每周开一次炉，歇炉时间长，盐浴吸湿性太强，被迫淘汰。

有的厂对分级盐浴的冷却速度进行了现场测试，40 mm工件加热到1000～800 ℃于550 ℃中冷却速度正好为7 ℃/s，意思说有效尺寸在40 mm以下完全可以淬硬，一串φ25 mm工件在500 ℃钙基冷却，1000～800 ℃的冷却速度为9 ℃/s[2]。

毫无疑问，580～620 ℃钡基盐浴工件在1000～800 ℃的冷却速度肯定比480～560 ℃钙基盐浴要慢，当工件的有效直径在φ20～φ40 mm时，钙基盐优越，但尺寸在φ20 mm以下，没有必要换成钙基盐，关键是如何将盐浴温度控制在600 ℃以下。

对于直径>φ40 mm以上的工件可采用先油冷却后转分级盐冷，然后再到硝盐中分级，这样可以保证热处理后硬度≥65 HRC。至于国外的经验，本着“洋为中用、改革创新”的原则，千万不可盲从，外国的月亮不比中国圆，中国热处理工作者有能力有智慧管好用好分级盐。

2 回火程度及其次数

高速钢淬火后必须回火，而且要及时，回火的目的有4个：1)彻底消除淬火应力；2)促使残留奥氏体充分分解；3)产生最佳的二次硬化效果；4)达到所要求的综合力学性能和称心的使用性能。

回火温度540～560 ℃，不管是盐浴淬火还是真空淬火，拟选用100% KNO3或100% NaNO3盐浴，保温1 h。每次回火后一定要冷到室温方可进行下一次回火。回火次数一般为3次，如果回火不充分，或经等温淬火者，以及高性能高速钢制件，均要进行4次回火。

回火程度一般分三个级别，不是以回火次数为依据，而是金相说了算。

1)一级(充分)：金相上表征为黑色的回火马氏体+星星点点的碳化物；

2)二级(一般)：个别区域或碳化物堆积处有白色区存在；

3)三级(不足)：较大部分视场为白色区，隐约可见淬火晶粒。

欲进行蒸汽处理、氧氮处理等工具需在回火温度区域表面强化者，回火程度达二级即可，这样可以节能。

检查回火程度用4%硝酸酒精溶液侵蚀，温度18～25 ℃，侵蚀时间2～4 min，500倍显微镜下观察，以最差视场为判据。

3 二次贝氏体处理

为了提高刀具的韧性、强度和切削性能，往往采取一次贝氏体处理，即中性盐浴480～560 ℃分级后立即转入240～280 ℃硝盐浴中等温1～2 h。二次贝氏体处理适用于形状极其复杂的特大型刀具(如模数>15的铣刀、滚刀以及有效厚度>100 mm的有孔刀具)，在第一次贝氏体处理时产生约40%～50%的下贝氏体，其余是残留奥氏体及少量的碳化物；在第一次回火过程中，就有大量的残留奥氏体转变为马氏体，如果第一次回火出炉后不放在空气中冷，而是直接转入240～280 ℃的硝盐浴中等温一定的时间，不让残留奥氏体转变成马氏体而转变成贝氏体，即所谓的二次贝氏体处理，这样可以减少和防止大型复杂刀具的开裂倾向。

二次贝氏体处理工艺虽复杂些，但对防止大型刀具热处理开裂很有好处。回火过程要缓慢升温，每次回火应低于500 ℃入炉，回火出炉后不准风吹，最好静冷。由于二次贝氏体处理，4次回火不一定很充分，应补充一次回火。

4 摩擦焊刀具的热处理

为了节约昂贵的高速钢，国内外普遍采用摩擦焊生产φ10 mm以上的杆式刀具。摩擦焊时产生1000 ℃以上的高温，在焊缝两侧很小的区域产生较大的温差，焊后若直接空冷，焊缝的高速钢一侧发生马氏体转变，而结构钢的一侧空冷只发生珠光体转变，由于比体积的差异，将引起很大的组织应力，以致产生开裂。为此，焊后的刀具应立即放到650～750 ℃的炉中保温，待料罐装满后保温1～2 h退火，炉冷至500 ℃以下出炉空冷。如果生产量很大，不便实施上述工艺，应将焊件保温温度选择在740～760 ℃，保温时间延长至2～3 h，使焊缝两侧充分转变成珠光体+索氏体，随后空冷再退火。

摩擦焊刀具淬火争论的焦点是是否要超焊缝加热。超焊缝加热的论据是：改善了焊后的原始组织、考验了焊接质量、提高了焊缝强度、充分利用了高速钢；低于焊缝加热的论据是为了防止淬火裂纹，避免质量纠纷。自以焊接刀具真空淬火成功后，怀疑盐浴淬火超焊缝加热致裂的声音少了，笔者坚持超焊缝加热的观点，实践证明超焊缝加热跟淬火裂纹没有直接关系。目前工具厂大多数采用低于焊缝15～20 mm加热，实际上缩短了高速钢的切削长度，造成浪费，很不经济。

超焊缝加热的刀具严禁酸洗，如果一定要酸洗，一定要控制好酸的浓度、酸洗的时间、酸液温度三大要素，防止氢脆。

5 深冷处理

高速钢刀具经正常淬火回火后的组织是回火马氏体+微量的残留奥氏体+碳化物。要不要把微量(<5%)的残留奥氏体消灭掉？笔者认为完全没有必要！高速钢刀具正常淬火经过550～570 ℃×1 h，3次回火后，热处理已达极致，再经深冷处理有画蛇添足之嫌。奥氏体是钢组织中极软的相，其硬度只有200 HBW左右，其数值与高速钢刀具使用硬度65～66 HRC相比后可以看出，过多的残留奥氏体显然不会使刀具高硬度。日本学者饭岛一昭等通过试验认为：15%以下的残留奥氏体不会使刀具硬度下降，但能提高钢的塑性和韧性[3]。因此，用深冷处理减少残留奥氏体对韧性肯定是有害的。自上世纪70年代开始一直到本世纪初，国内很多工具厂都曾作过高速钢刀具的冷处理和深冷处理，失败的多，成功的极少，我们嘉龙公司也做过几年的深冷处理，也未见什么成效，于是设备搁置待命。

高速钢刀具与其他超硬材料刀具相比，最大的优势是韧性稍高一点，深冷处理使残存的残留奥氏体再降低，韧性更差，岂不是向伤口上撒盐吗？

实践证明，5%以下的残留奥氏体对刀具使用没有害处。HSS钢的使用硬度65～66 HRC，HSS-E钢的使用硬度66～67 HRC，在其他条件都相同的情况下，硬度高者磨损少，刀具的耐用度就高。由此可以判断，会降低硬度的残留奥氏体显然不受欢迎。但刀具的寿命历来不以硬度高低论英雄，过高的硬度导致脆性增大，不光不会提高寿命，反而会折寿。

影响高速钢刀具寿命的因素是多方面的，不能一味地追求高硬度，我们的原则是在满足韧性的前提下力求高硬度。经验表明，回火充分的刀具施以深冷处理，基本上不会增加硬度，更不会提高红硬性，反而会使韧性下降。国内有一些工具厂对部分刀具增加深冷处理，比如剃齿刀、小模数滚刀之类，其目的是消除应力稳定尺寸，因为两者是要以内径定心的，希望刀具在使用过程中，内孔不发生尺寸变化。还有一些高速钢制高端量具、模具进行深冷处理，目的也是稳定尺寸。

从以上分析不难发现，高速钢经正常的淬火回火后，组织中有微量的残留奥氏体，对刀具的使用及综合力学性能并无大碍，是否一定要进行深冷处理？这个有争议的问题，有待大量的试验数据及应用实例佐证，但笔者经验持反对观点。国内数百家工具制造厂无人问津就是一个有力论据。铺天盖地地报道，基本上是大学、研究所的科研成果或实验室的产物，但到面上推广就失败，所谓的回火新工艺，都是昙花一现，在大生产中广泛应用550～570 ℃×1 h，3次回火的成熟工艺，实践是检验真理的唯一标准，任何新工艺都必须经得起实践生产的考验。全国的工具厂都盼望有指导生产的热处理新工艺涌现，不喜欢“花拳绣腿”式的表演。

6 涂层

对高速钢刀具进行表面涂层，是金属切削刀具发展长河中一项重大改革，它是在刀具韧性较高(相对于硬质合金、陶瓷等超硬刀具材料)的基体上涂一层、两层乃至多层耐磨的高硬度的难熔化合物，从而使刀具的性能得到极大改善。经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长刀具的使用寿命，因此普遍受到人们的广泛关注。

我国的高速钢刀具涂层技术起步较晚，但发展很快，现在涂层网点遍布全国，不少城市都设有涂层中心，规模以上工具厂都有涂层车间，加工对象多数为麻花钻、滚刀、螺平刀等切削刀具。时代在发展，社会在进步，高速钢热处理也与时俱进，涂层技术的新发展主要体现在以下三个方面:

1)膜系材料多元化。目前应用最多的涂层物质是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。涂层材料由最初的TiC、TiN单层发展到现在的复合涂层。复合涂层及相关技术的出现，使涂层既可以提高与基体的结合强度，又具有多种材料的复合性能。近年来开发的TiN/NbN、TiC、TiN/CNx等多元复合涂层，使刀具获得了高耐磨、低摩擦、热稳定好和抗氧化性能等优良的综合性能。

2)软涂层。高硬度涂层是涂层工作者的初心，然而高硬度涂层并非万能，如高强度铝合金、钛合金及某些贵重材料都不适合用硬涂层刀具加工，而软涂层则收到奇效，如在高速钢刀具上涂MoS2、WS2、TaS2等。

3)纳米涂层。美国等国家开发的纳米涂层，可使刀具材料具有优异的减摩抗摩功能及自润滑性能，适合于高速干切削，尤其适合于在数控机床上使用。具有一定代表性的是AlTiN晶粒与无定型的Si3N4纳米组成的纳米混合膜，其硬度可达45 GPa，膜层的稳定性和抗氧化性可达1000 ℃，满足了高温高速切削要求。

实践中我们体会到对高速钢涂层刀具也有一定要求：

(1)理想的金相组织。硬度是表面现象，金相组织才是本质的东西，丝锥、钻头、螺伞刀等刀具涂前是不可以过热的；齿轮滚刀、锥柄钻等重切削刀具可以适度过热，其他刀具涂层前应处于理想的金相状态。

(2)高的硬度。除了理想的金相组织，还应有很高的硬度。除个别小刀具外，HSS钢制刀具硬度应保持在65～66 HRC，HSS-E钢制刀具为66～67.5 HRC。如果涂前硬度比较低，即使加了涂层，也不会有好效果，外观很美，实质很差，犹如鲜花插在牛粪上。

(3)涂层硬度。JB/T 8365《氮化钛涂层刀具技术规范》要求高速钢刀具涂层硬度≥2000 HV，但有些单位往往达不到此硬度值，只是表面上的装饰镀，涂层厚度也达不到要求。

(4)退磁。涂层前应进行退磁处理，因为磁性会影响涂层效果。

高速钢热处理太深奥了，但只要我们认真对待，敢于探索，反复实践，大胆改革创新，就一定能制造出高质量、高寿命的刀具，为振兴机械工业做出热处理人应有的贡献。