高速钢热处理公式

赵步青，徐利建，胡会峰，朱昌宏，蒋荣坤

1.安徽嘉龙锋钢刀具有限公司 安徽马鞍山 243131

2.金华东山机械厂 浙江金华 321000

3.江苏晶工工具有限公司 江苏丹阳 212312

1 序言

高速钢是高速工具钢的简称，在我国冶金行业简称“高工钢”，民间俗称“锋钢”，因为在空气中淬火能达到63HRC以上的高硬度，所以也有人称之为“风钢”。它虽然产量不大，但对国民经济的发展有着举足轻重的作用。纵观当今世界上所有的钢种，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、轧制、拉拔、塑性成形和热处理整个过程的难度，高速钢无疑是最难的钢种之一。有人说“高速钢奥妙无穷”，也有人说“高速钢变化莫测”。为了解决上述问题，传统的做法是进行一系列的工艺试验，计算或测定钢的临界点、适合不同产品的淬火温度，但在实际生产现场不可能快速制定合理的热处理工艺。为此，我们热处理工作者经过数年不懈地努力，通过科学试验总结出有价值的定量化的经验公式和数学模型，为今后热处理工艺的定量化、程序化和数字化提供了宝贵的经验和重要依据。以下汇集了高速钢热处理公式，实用性、可操作性强。

2 热处理公式

2.1 高速钢碳饱和度公式

碳是高速钢中最重要的元素，碳含量的多少将直接影响钢的性能，其合适的含量，应根据碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等含量来确定。从钢号标准可知，HSS钢C含量较低，HSS-E钢C含量较高，接近于“平衡碳”。所谓的“平衡碳”是指钢中所有的碳化物形成元素按碳化物定比关系达到平衡的碳量，此时可产生最大的二次硬化效果。

通常可按式（1）进行近似地计算[1]，即

式中CS——理论上计算所得的平衡碳；W、Mo、Cr、V——分别表示各元素的实际质量分数（%）。平衡碳又称定比碳。

平衡碳（CS）与实际含碳量（C实）之差为平衡碳差值（△C），即

C实与CS的比值叫碳饱和度，常用“A”来表示[2]，即

由于A值高低对钢的性能会产生很大影响，所以钢厂、工具厂都十分关注。对其反应最敏感的是硬度，A值高则硬度高，A值低则硬度也低，这就是为什么成分虽然均符合国标，但A值低，会造成硬度达不到64HRC的真正原因。M2钢的A值与淬火、回火后的硬度关系见式（4），即

2.2 高速钢的热处理参量

由于热处理的一切变化，都是在温度的驱动下，经过适当的时间才完成的，所以热处理工艺曲线往往是以温度-时间形式来表达。钢在加热时，淬火加热温度和保温时间都很重要，只是温度的作用更大一些，但丝毫不能小视时间的作用，两者的作用应综合考虑，可以用淬火参量公式来表达。高速钢的淬火参量表达式为

式中Pc——淬火参量；

tc——淬火加热温度（℃）；

τc——淬火加热时间（s）。

式（5）中，Pc代表了加热温度和加热时间的综合作用。在淬火过程中，无论加热温度和加热时间怎么变化，只要两者最终作用结果的淬火参量相同，那么奥氏体化的程度也应该相同，由此派生出快速加热和半快速加热的新理念。

高速钢的回火也有一个回火参量公式，其表达式为

式中Ph——回火参量；

th——回火温度（℃）；

τh——回火时间（s）。

尽管回火温度、时间有所不同，但只要回火参量相同，回火后的效果就相当。由此派生出高温快速回火的新工艺。

2.3 高速钢淬火加热时间

高速钢在盐浴炉中的高温加热时间应易名为浸液时间，简化为式（7），即

式中t——加热时间（min或s）；

α——加热系数（min/mm或s/mm）；

D——工件的有效厚度或直径（mm）；

K——工件装炉修正系数，通常取K＝1.0。

加热系数一般取8～15s/mm，可根据工件有效厚度的不同来选取，见表1。

表1 加热系数的选择

2.4 高速钢模具热处理

随着机械工业的迅速发展，高速钢大量进入模具行业，尤其以中小模具为最常见。高速钢用于制作模具时，其淬火加热温度比刀具要低50～80℃，而回火温度往往又高于刀具的常规回火温度，笔者在实践中摸索出W18Cr4V、M2钢淬火温度与硬度关系的经验公式[3]，即

t(W18）——W18Cr4V钢淬火温度（℃）；

t(M2）——M2钢淬火温度（℃）；

H——要求硬度的平均值（HRC）。

需特别指出的是，第一次回火温度拟用580～590℃，第二、第三次回火温度用常规温度550℃。

2.5 根据钢的成分确定淬火温度

高速钢的淬火温度临近其熔化温度，稍不留神就会出现超标过热及过烧问题，因此精准地确定淬火温度是十分重要的。确定淬火加热温度可以用数学模型t＝Tc－K和辅助计算机来完成。其中，Tc为晶界熔化温度，K为常数。对于 W-Mo系高速钢来说，导出K＝（43±10）℃，为运算方便取K＝43℃。

式中t——淬火加热温度（℃）；

C——碳含量（质量分数，%）；

W——钨含量（质量分数，%）；

Mo——钼含量（质量分数，%）；

V——钒含量（质量分数，%）。

对于各元素含量，按GB/T 9943 —2008《高速工具钢》的技术要求，取成分的中间值计算，M2钢最适宜的淬火温度为1216℃、9341钢为1213℃、4341钢为1168 ℃。对于已知成分而不知热处理工艺的新牌号高速钢，可以按照此法，并结合炉前试验来确定其淬火温度[4]。

2.6 ASTM晶粒度级别与国外通用的截数法互换公式

高速钢淬火后的正常组织为马氏体（M）＋残留奥氏体（rR）＋碳化物（K）。马氏体为隐针，侵蚀后呈白色，很难观察到针的轮廓，rR侵蚀后也为白色，无法与M相区别，淬火后显微镜下只能看到奥氏体的晶粒大小与碳化物。历次修订的JB/T 9986—2013《工具热处理金相检验》标准都对高速钢刀具淬火晶粒度作了具体规定。ASTM（美国材料与试验学会）晶粒度级别与国外通用的截数法见式（11），对应曲线如图1所示。

图1 ASTM晶粒度与Snyder-Graff晶粒度的对应曲线

式中G——ASTM晶粒度；

S-G——Snyder Graff晶粒度。

3 硬度的换算关系

与高速钢热处理有关的硬度表示有洛氏硬度、维氏印度、布氏硬度和肖氏硬度等，国际交流多以HV表述，工厂最适用的是HRC。

3.1 洛氏硬度和维氏硬度的换算

洛氏硬度和维氏硬度的换算式为

将式（12）修正后获得式（13）、式（14），即

也有人通过验证，得到

式（15）与国家标准试验换算式对照，其误差仅为±0.1HRC。另外，还有人得出下列关系式，即

3.2 洛氏硬度与布氏硬度的换算

洛氏硬度与布氏硬度的换算式为

3.3 洛氏硬度和肖氏硬度的换算

肖氏硬度又称回跳硬度，已列入GB/T 4341.1—2014《金属材料 肖氏硬度试验 第1部分：试验方法》。由于肖氏硬度计具有便于携带、操作方便、测试迅速、压痕浅而小等特点，因而适用于冶金、重型机械行业，以及长而大的工件、原材料进行现场测试。

洛氏硬度和肖氏硬度的换算式为

在德国、日本生产现场看到高硬度的机械刀片硬度标识也为肖氏硬度，现场测量也是用肖氏硬度计，不许用HRC标测，以防将刀片打裂。

4 强度和硬度换算的经验公式

抗拉强度和硬度换算的经验公式为

对应式（20），可精确地换算成下式，即

5 感应加热电流透入深度和频率的关系

感应加热时，电流透入深度和频率的关系为

式中d——电流透入深度（mm）；

ρ——材料的电阻率（Ω•cm）；

f——电流频率（Hz）；

μ——材料的相对磁导率，当钢加热到居里点以上时，μ＝1。

安徽嘉龙公司从2016年开始对高速钢机械刀片进行感应淬火，试验成功后应用多年，质量稳定。

6 结束语

高速钢理论深奥，但现场热处理并不复杂，而经验公式十分宝贵，很能解决实际问题，收到妙手回春的效果。