高速鋼深冷處理

鑫鋒立（北京）科技有限公司是國內專業研發超低溫深冷設備以及各種液氮深冷處理設備的國內品牌，主要生產：深冷箱、低溫裝配設備、深冷處理設備、液氮高低溫試驗箱，模具深冷處理，超低溫處理工藝，超低溫處理技術、超低溫深加工設備，具有多年的低溫設備及食品機械設備的相關產品與服務的銷售和經驗。
高速鋼是高速工具鋼的簡稱，俗稱“鋒鋼”（因為在空氣中也能淬硬，也稱“風鋼”）。自1898年美國人Fred W?Taylor 及其助手 M?Whiet發明高速鋼至今，已走過雙甲年華?？v觀目前世界上所有的鋼種，無論其化學成分、組織、性能之間的復雜關系，還是冶煉、澆注、鍛造、輥軋、拉拔、塑性成形和熱處理等整個制造過程的難度，高速鋼無疑使最難搞的鋼種之一。有人說“高速鋼奧妙無窮”，也有人說“高速鋼變化莫測”。筆者1968年大學畢業后從事高速鋼熱處理整整50個春秋，積累了比較豐富的實踐經驗，同時記錄了不少失敗的教訓，現總結出高速鋼熱處理寶典五則，與同仁們共享，不妥之處請指正。深冷處理

1.高速鋼分級淬火用鹽浴
從中國有高速鋼鹽浴加熱淬火以來，就沿用前蘇聯的5-3-2配方（質量分數，%），即50BaCl2+30KCl+20NaCl，熔點溫度560℃，使用溫度580～620℃。對于有效尺寸在20mm以下的工具或HSS鋼制件，均可達到65HRC以上的高硬度；HSS-E鋼制件均可達≥66HRC。我國的工具行業，使用這個分級淬火工藝，創造一個又一個省優、部優、國優，說明它極具生命力。深冷處理
時代在發展，技術在進步，隨著人們對冷卻速度重要性認識的深化，發現工件在800∼1000℃的平均冷卻速度<7℃⁄s，將有碳化物析出而影響硬度及其他性能，于是不惜巨資從歐美引進鈣基分級鹽，其配方（質量分數，%）即48CaCl2+31BaCl2+21NaCl，熔點435℃，使用溫度480∼560℃。國內有的廠為簡化配方，改為50CaCl2+30BaCl2+20NaCl，熔點較傳統鈣基鹽略有提高，但分級溫度仍維持在480∼560℃的水平。深冷處理
關于Ca基鹽浴技術，原蘇聯在20世紀40年代就公開了，50年代傳到中國，60年代不少廠試用過，筆者1974∼1978年在桂林工作時，也曾配過Ca基鹽浴，由于當時是每周開一次爐，歇爐時間長，鹽浴吸濕性太強，被迫淘汰。深冷處理

有的廠對分級鹽浴的冷卻速度進行了現場測試，φ40mm工件在800∼1000℃于550℃中冷卻速度正好為7℃⁄s，意思說有效尺寸在40mm以下完全可以淬硬，一串φ25mm工件在500℃鈣基冷卻，800∼1000℃的冷卻速度為9℃⁄s。
毫無疑問，580∼620℃鋇基鹽浴工件在1000∼800℃的冷卻速度肯定比480∼560℃鈣基鹽浴要慢，當工件的有效直徑在20∼40mm時，鈣基鹽優越，但尺寸在20mm以下，沒有必要換成鈣基鹽，關鍵是如何將鹽浴溫度控制在600℃以下。深冷處理

對于直徑>40mm以上的工件可采用先油冷卻后轉分級鹽冷，然后再到硝鹽中分級，這樣可以保證熱處理后硬度≥65HRC。至于國外的經驗，本著“洋為中用、改革創新”的原則，千萬不可盲從，外國的月亮不比中國的圓，中國熱處理工作者有能力有智慧管好用好分級鹽。
2.回火程度及其次數
高速鋼淬火后必須回火，而且要及時，回火的目的有4個：
①徹底消除淬火應力。
②促使殘留奧氏體充分分解。
③產生最佳的二次硬化效果。
④達到所要求的綜合力學性能和良好的使用性能。

回火溫度540∼560℃，不管是鹽浴淬火還是真空淬火，擬選用100%KNO3或100%NaNO3鹽浴，保溫1h。每次回火后一定要冷到室溫方可進行下一次回火?；鼗鸫螖狄话銥?次，如果回火不充分，或經等溫淬火者，以及高性能高速鋼制件，均要進行4次回火。深冷處理

回火程度一般分三個級別，不是依回火次數為據，而是金相說了算。
一級（充分）：金相上表征為黑色的回火馬氏體+星星點點的碳化物。
二級（一般）：個別區域或碳化物堆積處有白色區存在。
三級（不足）：較大部分視場為白色區，隱約可見淬火晶粒。深冷處理

欲進行蒸氣處理、氧氮處理等工具需在回火溫度區域表面強化者，回火程度達二級即可，這樣可以節能。

檢查回火程度用4%硝酸酒精溶液侵蝕，溫度18∼25℃，侵蝕時間2∼4min，500倍顯微鏡下觀察，以最差視場為判據。深冷處理

3.二次貝氏體處理
為了提高刀具的韌性、強度和切削性能，工具廠往往采取一次貝氏體處理，即中性鹽浴480∼560℃分級后立即轉入240∼280℃硝鹽浴中等溫1∼2h；二次貝氏體處理適用于形狀極其復雜的特大型刀具（如模數>15的銑刀、滾刀以及有效厚度>100mm的有孔刀具），在第一次貝氏體處理時產生40%∼50%的下貝氏體，其余是殘留奧氏體及少量的碳化物，在第一次回火過程中，就有大量的殘留奧氏體轉變為馬氏體，第一次回火出爐后不要放在空氣中冷，而是直接轉入240∼280℃的硝鹽浴中等溫一定的時間，不讓殘留奧氏體轉變成馬氏體而轉變成貝氏體，即所謂的二次貝氏體處理，這樣可以減少和防止大型復雜刀具的開裂傾向。深冷處理

二次貝氏體處理工藝雖復雜些，但對防止大型刀具熱處理開裂很有好處。回火過程要緩慢升溫，每次回火應低于500℃入爐，回火出爐后不準風吹，最好靜冷。由于二次貝氏體處理，4次回火不一定很充分，應補充一次回火。

4.摩擦焊刀具的熱處理
為了節約昂貴的高速鋼，國內外普遍采用摩擦焊生產φ10mm以上的桿式刀具。摩擦焊時產生1000℃以上的高溫，在焊縫兩側很小的區域產生較大的溫差，焊后若直接空冷，焊縫的高速鋼一側發生馬氏體轉變，而結構鋼一側空冷只發生珠光體轉變，由于比體積的差異，將引起很大的組織應力，以致產生開裂。為此，焊后的刀具應立即放到650∼750℃的爐中保溫，待料罐裝滿后保溫1∼2h退火，爐冷至500℃以下出爐空冷。如果生產量很大，不便實施上述工藝，應將焊件保溫溫度選擇在740∼760℃，保溫時間延長至2∼3h，使焊縫兩側充分轉變成珠光體+索氏體，隨后空冷再退火。深冷處理

摩擦焊刀具淬火爭論的焦點為是否超焊縫加熱。超焊縫加熱的論據：改善了焊后的原始組織，考驗了焊接質量，提高了焊縫強度，充分利用了高速鋼；低于焊縫加熱的論據：為了防止淬火裂紋，避免質量糾紛。自焊接刀具真空淬火成功后，懷疑鹽浴淬火超焊縫加熱致裂的聲音少了，筆者堅持超焊縫加熱的觀點，實踐證明超焊縫加熱跟淬火裂紋沒有直接關系。目前工具廠大多采用低于焊縫15∼20mm加熱，實際上縮短了高速鋼的切削長度，造成浪費，很不經濟。

超焊縫加熱的刀具嚴禁酸洗，如果一定要酸洗，必須控制好酸的濃度、酸洗的時間、酸液溫度三大要素，防止氫脆。深冷處理

5.液氮深冷處理
高速鋼刀具經正常淬火、回火后的組織是回火馬氏體+微量殘留奧氏體+碳化物。對于要不要消除殘存的微量（<5%）殘留奧氏體，筆者認為完全沒有必要。高速鋼刀具正常淬火經550∼570℃×1h×3次回火后，熱處理已達極致，再經深冷處理有畫蛇添足之嫌。奧氏體是鋼組織中極軟的相，其硬度只有200HBW左右，與高速鋼刀具使用硬度65∼66HRC相比后可以看出，過多的殘留奧氏體顯然不會使刀具高硬度。日本學者飯島一昭等通過試驗認為：15%以下的殘留奧氏體不會使刀具硬度下降，但能提高鋼的塑性和韌性。因此，用深冷處理減少殘留奧氏體對韌性肯定是有害的。自20世紀70年代開始一直到21世紀初，國內很多工具廠都曾作過高速鋼刀具的冷處理和深冷處理，失敗的多，成功的極少，我們嘉龍公司也做過幾年的深冷處理，也未見什么成效，于是設備擱置待命。

高速鋼刀具與其他超硬材料刀具相比，最大的優勢是韌性稍高一點，深冷處理使殘存的殘留奧氏體再降低，韌性更差，豈不是向傷口上撒鹽嗎？深冷處理

實踐證明，5%以下的殘留奧氏體對刀具使用沒有害處。HSS鋼的使用硬度65∼66HRC，HSS-E鋼的使用硬度66∼67HRC，在其他條件都相同的情況下，硬度高者磨損少，刀具的耐用度就高。由此可以判斷，會降低硬度的殘留奧氏體顯然不受歡迎。但刀具的壽命歷來不以硬度高低論英雄，過高的硬度導致脆性增大，不僅不會提高壽命，反而會減少壽命。

影響高速鋼刀具壽命的因素是多方面的，不能一味地追求高硬度，我們的原則是在滿足韌性的前提下力求高硬度。經驗表明，回火充分的刀具施以深冷處理，基本上不會增加硬度，更不會提高熱硬性，反而會使韌性下降。國內有一些工具廠對部分刀具增加深冷處理，比如剃齒刀、小模數滾刀之類，其目的是消除應力、穩定尺寸，因為兩者是要以內徑定心的，希望刀具在使用過程中，內孔不發生尺寸變化。還有一些高速鋼制高端量具、模具進行深冷處理，目的也是穩定尺寸。深冷處理

從以上分析不難發現，高速鋼經正常的淬火、回火后，組織中有微量的殘留奧氏體，對刀具的使用及綜合力學性能并無大礙，是否一定要進行深冷處理？這個有爭議的問題，有待大量的試驗數據及應用實例佐證，但筆者經試驗持反對觀點。國內數百家工具制造廠無人問津就是一個有力論據。鋪天蓋地地報道，基本上是大學、研究所的科研成果或實驗室的產物，但到面上推廣就失敗，所謂的回火新工藝，都是曇花一現，在大生產中廣泛應用的還是550∼570℃×1h×3次的成熟工藝，實踐是檢驗真理的唯一標準，任何新工藝都必須經得起實踐生產的考驗。全國的工具廠都盼望有指導生產的熱處理新工藝涌現，不喜歡“花拳繡腿”式的表演。

高速鋼熱處理太深奧了，但只要我們認真對待，敢于探索，反復實踐，大膽改革創新，就一定能制造出高質量、高壽命的刀具，為振興機械工業做出熱處理人應有的貢獻。

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