高速工具鋼由于合金化程度高，適合于制作高速切削刃具，可保證刃部在650℃時實際硬度仍高于50HRC，具有優(yōu)良的切削性和耐磨性。根據(jù)鋼中的主要元素成分，高速鋼可分成3類：鎢系高速鋼、鉬系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。
高速鋼導(dǎo)熱率低，為減少工件在加熱時的變形開裂，縮短高溫保溫時間以減少脫碳，可采用預(yù)熱處理。一次預(yù)熱采用溫度800～850℃，兩次預(yù)熱即在800～850℃前加一次500～600℃預(yù)熱。一般工具可采用一次預(yù)熱工藝，形狀復(fù)雜的工具或大型工具宜采用兩次預(yù)熱。
淬火工藝在高溫鹽浴爐中進(jìn)行，短時保溫以防止刃部脫碳和過熱，一般用油淬+空冷，對細(xì)長件和薄片刃具采用分級淬火，一般用580～620℃一次分級或再在350～400℃作第二次分級。我公司采用的冷卻方式為580～650℃、280～320℃的二次分級淬火。
高速鋼（W18Cr4V）淬火后的顯微組織如圖1所示，具有細(xì)晶粒組織，奧氏體晶界因淬火時有微量二次碳化物析出而易于浸蝕。淬火高速鋼回火的目的是從馬氏體中析出彌散碳化物，產(chǎn)生次生硬化效應(yīng)，消除殘留奧氏體和淬火內(nèi)應(yīng)力。淬火后的殘留奧氏體合金度高，穩(wěn)定性大，在回火加熱過程中不易分解，在500～600℃保溫時也僅從中析出合金碳化物，使殘留奧氏體合金度有所降低，因而Ms點升高，在冷卻到低溫時，部分殘留奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，殘留奧氏體含量由20%～25%減少到約10%左右。但還需進(jìn)一步降低殘留奧氏體含量，消除新產(chǎn)生的馬氏體引起的內(nèi)應(yīng)力，高速鋼一般需在560℃回火3次。
W18Cr4V鋼回火時的硬度變化如圖2所示，回火次數(shù)與殘留奧氏體量和硬度的關(guān)系如圖3所示，回火后的組織為回火馬氏體+碳化物。
圖1 高速鋼（W18Cr4V）常規(guī)淬火溫度淬火組織
圖2 高速鋼（W18Cr4V）回火時的硬度變化（1280℃淬火）
圖3 高速鋼（W18Cr4V）回火次數(shù)與殘留奧氏體量和硬度的關(guān)系
按照常規(guī)的工藝方法，經(jīng)3次高溫回火后，高速鋼在組織和性能方面基本滿足其服役條件。不難看出，高速鋼經(jīng)3次高溫回火的主要目的是消除殘留奧氏體及新產(chǎn)生馬氏體引起的內(nèi)應(yīng)力。但3次高溫回火的缺點也比較明顯，耗能大，操作較繁雜，生產(chǎn)周期較長。
有研究表明，高速鋼在油中從淬火溫度冷卻到50～120℃以后大約還有50%的殘留奧氏體未轉(zhuǎn)變。若這時再升溫到600～630℃保溫，從殘留奧氏體中析出碳化物，使殘留奧氏體中的碳及合金元素量減少，導(dǎo)致鋼的Ms點升高150～170℃，工件再冷到室溫時殘留奧氏體就基本可以完全轉(zhuǎn)變，所以一般只需一次回火。此外，由于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變形成低碳非片狀馬氏體，使鋼的強度和韌性都大幅提高，有利于提高工件使用性能。
1、試料準(zhǔn)備
M42（W2Mo9Cr4VCo8）化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：wC= 1.05%～1.15%、wMn= 0.15%～0.40%、wW=1.15%～1.85%、wMo=9.00%～10.00 %、wCr= 3.50%～4.25%、wV=0.95%～1.35%、wCo=7.75%～8.75%、wSi≤0.65%、wS≤0.030%、wP≤0.030%、余量為Fe。將5支試樣（φ15mm×20mm）分為兩組，其中第一組試樣標(biāo)記1#、2#；第二組試樣標(biāo)記為3#、4#、5#。對第一組試樣采用新工藝，第二組試樣采用常規(guī)工藝，以便對照，具體工藝參數(shù)如表1所示。
表1 試樣淬火+回火工藝
組別 | 試樣 | 工藝路線 | |||
淬火加熱 | 淬火冷卻 | 回火工藝 | 回火次數(shù) | ||
第一組 | 1 | RYD－75－9中溫鹽浴爐850℃預(yù)熱3～5min，轉(zhuǎn)至RYD－75－12高溫鹽浴爐，1180℃保溫3min | 出爐后油冷至50～120℃出油，試樣用油布稍微去油后轉(zhuǎn)至600℃一次分級爐進(jìn)行二次加熱，保溫10min，出爐空冷 | 560±10℃，保溫2h，空冷 | 1 |
2 | 2 | ||||
第二組 | 3 | 油冷 | 1 | ||
4 | 2 | ||||
5 | 3 | ||||
2、試驗結(jié)果與分析
（１）回火組織
用DMM－400D金相顯微鏡觀察各組試樣的回火組織，如圖4、圖5所示。從回火后的顯微組織圖中，可以看出第一組的1#、2#試樣回火組織的殘留奧氏體明顯比第二組的3#、4#試樣要少。這表明，采用新工藝淬火＋回火的試料殘留奧氏體明顯減少。
（a）1#
（b）2#
圖4 第一組試樣回火組織
（a）3#
（b）4#
（c）5#
圖5 第二組試樣回火組織
（2）硬度檢測
將回火后的試樣用HR－150A型洛氏硬度計檢測其洛氏硬度，如表2所示。無論第一、第二組的試料，回火次數(shù)越高，硬度也就越高，這與二次硬化理論相符。但經(jīng)1次回火的1#試樣硬度達(dá)到了經(jīng)3次回火的5#試樣的硬度，而經(jīng)2次回火的2#試樣甚至高于5#試樣的硬度。
表2 試料回火后的硬度
試樣 | 硬度HRC | |
第一組 | 1 | 68～68.5 |
2 | 68.5～69.5 | |
第二組 | 3 | 65.5 |
4 | 67 | |
5 | 68～69 | |
3、結(jié)語
（1）采用新工藝淬火+回火的試料殘留奧氏體明顯少于常規(guī)工藝，新工藝只需一次回火，殘留奧氏體量即達(dá)到正常工藝的3次回火水平。這表明，當(dāng)試料經(jīng)二次加熱再冷至室溫時，殘留奧氏體就基本完全轉(zhuǎn)變，所以新工藝一般只需一次回火。
（2）從硬度檢測的結(jié)果及回火組織可以看出，采用新工藝淬火+回火的試樣經(jīng)1次回火后從馬氏體中析出均勻彌散分布的碳化物，次生硬化效果明顯，硬度滿足熱處理技術(shù)要求。
（3）在淬火過程中回火工藝與常規(guī)工藝相比，在保證材料組織性能的前提下，不僅減少了能源消耗，而且也縮減了生產(chǎn)周期，簡化了生產(chǎn)工序，有利于提高生產(chǎn)效率。
作者：孫世偉
單位：中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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