吳景猷

（江漢大學(xué)文理學(xué)院，湖北武漢430056）

高速鋼在業(yè)內(nèi)以其勝任高速切割而著名，且歷經(jīng)百年而不衰，就是因?yàn)槠渚哂斜扔操|(zhì)合金材料更加優(yōu)秀的可加工性和強(qiáng)韌性。高速鋼比碳素工具鋼、鉻模具鋼和合金鋼具有更加優(yōu)良的耐磨性能和熱韌性，而且成本遠(yuǎn)比超硬材料低廉。例如車刀、鉆頭、銼刀等，還大量應(yīng)用在制作冷鐓壓模具和冷擠壓模具。熱處理是高速鋼工模具制作的重要技術(shù)工藝，保證和提高了高速鋼工模具的各項(xiàng)性能（硬度、紅硬性等），也改善了毛坯的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，可以更好地進(jìn)行冷熱加工。

1 高速鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)分析

高速鋼選用的材質(zhì)主要有 W6Mo5Cr4V、W18Cr4V、W9Mo3Cr4V三種，這三種類型的高速鋼占我國高速鋼材料市場的90%以上。W9Mo3Cr4V的強(qiáng)度和熱塑性，在這三種類型的高速鋼中是最好的，硬度可以達(dá)到HRC 63-64，W9Mo3Cr4V的熱處理技術(shù)工藝范圍很廣，但其脫碳敏感性相對(duì)較差。

高速鋼作為化學(xué)成分復(fù)雜的合金鋼，含有C、W、Mo、Cr、V、Co等碳化物形成元素。合金元素的總含量可以達(dá)到10%～25%左右，其各合金元素在高速鋼中作用各有分工。

（1）C的作用。淬火加熱時(shí)，碳C溶入到高速鋼的基體內(nèi)，提高了高速鋼基體內(nèi)的碳的濃度，提高了高速鋼的淬透性能，還獲得了高碳馬氏體，提高了硬度。C和W、Cr、Mo、V等合金元素，形成了合金碳化物，經(jīng)過科學(xué)的熱處理和熱加工，使合金元素分布彌散合理，提高了高速鋼的硬度、耐磨性和紅硬性。但高速鋼中含C量和合金元素必須相匹配，如果C的含量過低，高速鋼內(nèi)碳化物數(shù)量就會(huì)減少，從而會(huì)降低高速鋼的耐磨性和紅硬性；如果C的含量偏高，高速鋼的硬度和紅硬性得到提高，同時(shí)也形成了大量的剩余碳化物，從而降低了鋼的韌性和塑性；如果再提高含C量，就會(huì)使鋼的熔點(diǎn)下降，淬火溫度也會(huì)下降，使高速鋼的機(jī)械性和紅硬性同比下降。

（2）W的作用。高速鋼淬火加熱時(shí)，W固溶7%左右，就可以造成高速鋼的紅硬度提高和二次硬化，W是影響高速鋼紅硬性最主要的化學(xué)元素。V在高速鋼的含量比對(duì)W在高速鋼的作用有著直接的影響，含V比較低時(shí)（1%～2%），高速鋼的切割性能和紅硬性隨著W數(shù)量增加而增加，含W比達(dá)到18%時(shí)，這時(shí)得到的高速鋼性能最良。高速鋼的加熱和冷卻過程一定要緩慢進(jìn)行，因?yàn)閃會(huì)降低高速鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)還可增加高速鋼的淬透性能，但其也會(huì)使高速鋼內(nèi)的碳化物不均勻性增加。

（3）Cr的作用。鉻在進(jìn)行熱處理時(shí)，其作用就是提高高速鋼的淬透性，在淬火加熱時(shí)，Cr溶入到奧氏體內(nèi)，使得奧氏體穩(wěn)定性提高，從而增加高速鋼的淬透性能，4%含量的Cr就可以滿足高速鋼的淬透性要求，Cr還在一定程度上提高了高速鋼的抗腐蝕能力和抗氧化脫碳能力。

（4）V的作用。V同樣是影響高速鋼紅硬性的化學(xué)元素之一，但V的彌散分化作用大大高于W，W溶入固溶體內(nèi)，可一定程度提高馬氏體的穩(wěn)定性，V也可以提高馬氏體的分解溫度，但其作用小于W，隨著V容量的增加，高速鋼的耐磨性能和紅硬性能都相應(yīng)提高。

（5）Mo的作用。作為同族元素的W和Mo，Mo提高了高速鋼的硬性和造成高速鋼的二次硬化，并和W的作用一樣，提高高速鋼的紅硬性和淬透性。

2 高速鋼工模具的熱處理工藝

高速鋼內(nèi)的化學(xué)成分特點(diǎn)，使得高速鋼的紅硬性能、耐磨性能和淬透性特點(diǎn)，需要經(jīng)過熱處理技術(shù)工藝才可以表現(xiàn)出來。高速鋼工模具的熱處理工藝主要包括了鍛造后退火、粗加工后去應(yīng)力的低溫回火或高溫回火、精加工的回火及淬火、點(diǎn)火花切割后去應(yīng)力的低溫回火等。需要冷熱加工相互合作相互配合，才能保證優(yōu)良高速鋼工模具的使用壽命的延長。

（1）預(yù)熱。由于高速鋼內(nèi)化學(xué)元素較多，從室溫直接加熱至淬火的高溫，工件就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)引起工件的變形和開裂。這種內(nèi)應(yīng)力在冷卻的時(shí)候，也會(huì)增加高速鋼變形開裂的傾向，如果把冷卻的工件直接加熱到淬火高溫，會(huì)延長高速鋼工件在高溫中的時(shí)間，也會(huì)增加高速鋼的脫碳和氧化的傾向?？梢赃x用在淬火加熱以前，先進(jìn)行兩次預(yù)熱來縮小其與高溫爐之間的巨大溫差，減少工件變形彎曲的可能。例加熱工藝中550℃及850℃的預(yù)熱，我們?cè)谔幚磉@類高速鋼工件的兩次預(yù)熱時(shí)，可在不同溫度下的電爐進(jìn)行。第一次預(yù)熱，使高速鋼工件表面水分烘干；在第二次預(yù)熱時(shí)，就會(huì)使得高速鋼工件的索氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變可以在低溫中進(jìn)行。

（2）淬火加熱。在高速鋼中有大量的難容碳化物如W、Cr、V等，這些化學(xué)元素只有在1 200℃的高溫，才可以大量的融入奧氏體內(nèi)。融入奧氏體的合金元素?cái)?shù)量越多，馬氏體中的合金元素濃度就會(huì)越高，從而獲得最佳的硬度、紅硬度和優(yōu)秀的耐磨性。由于合金元素W、Mo等對(duì)高速鋼的紅硬性影響比較大，且也只能在1 000℃高溫以上，合金元素溶解量才會(huì)大量的增加，但是如果加熱到1 300℃以上，即使合金元素溶解量還是有所增加，但奧氏體晶粒也會(huì)大量的增加，還可能在晶界處出現(xiàn)熔化的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致高速鋼韌性、強(qiáng)度減少。所以在淬火加熱時(shí)，一定要嚴(yán)格控制加熱時(shí)間和溫度，在基本滿足高速鋼工模具的要求下，選用較低的加熱溫度和較短的加熱時(shí)間。

（3）淬火加熱時(shí)間。淬火的加熱時(shí)間與加熱溫度有著直接的關(guān)系，以高速鋼工模具來講，淬火加熱溫度是第一選擇。在淬火加熱的高溫范圍內(nèi)，如果加熱溫度高，相應(yīng)的高速鋼加熱時(shí)間就會(huì)減少；如果加熱溫度低，相應(yīng)的高速鋼的加熱時(shí)間就會(huì)增加，淬火的加熱時(shí)間按照工件的一般厚度和直徑來計(jì)量，加熱系數(shù)可以按照8～10/mm。厚度小的，可以取加熱溫度的下限；厚度偏大，則可以取上限，最小件的加熱時(shí)間也不能少于2 min。

（4）冷卻。高速鋼在淬火加熱以后冷卻，就可以獲取到馬氏體，空冷后的工件較容易氧化，高速鋼的冷卻過程中出現(xiàn)的二次碳化物，會(huì)降低高速鋼的紅硬性和硬度。所以我們一般選用油冷的淬火冷卻方式。經(jīng)過淬火加溫，高速鋼的硬度可以達(dá)到HRC 63，其組織結(jié)構(gòu)是馬氏體及少量的殘余碳化物。

（5）回火。進(jìn)行回火時(shí)，為了消除淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減少奧氏體的數(shù)量和穩(wěn)定鋼的組織結(jié)構(gòu)，高速鋼的二次硬化的溫度一般在550～570℃，進(jìn)行回火3次。高速鋼的熱硬性在回火的過程中得到，回火時(shí)V與W的合金碳化物也從馬氏體中分出，使得合金碳化物分散在馬氏體的基體上，明顯增加了高速鋼的硬度。淬火馬氏體轉(zhuǎn)換為回火馬氏體，殘余的奧氏體也轉(zhuǎn)換為馬氏體，再次使得硬度增加，就保證了高速鋼的硬度和紅硬性，高速鋼的強(qiáng)韌性也得到提高。V、W的合金碳化物，經(jīng)過析出并導(dǎo)致二次硬化，使高速鋼具有了優(yōu)秀的穩(wěn)定性能，由于其難以聚集，碳化物的馬氏體上也有足夠的W，馬氏體就會(huì)出現(xiàn)難以溶解的現(xiàn)象，從而可以保證高速鋼回火溫度高到600℃仍能保持相應(yīng)的硬度。淬火后高速鋼大多轉(zhuǎn)為馬氏體，奧氏體僅剩下不足25%左右，經(jīng)過第一次回火，15%的殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，加上新轉(zhuǎn)換的馬氏體產(chǎn)生新的應(yīng)力，還會(huì)增加高速鋼的紅硬性和硬度。經(jīng)過第二次回火，剩余奧氏體又有6%轉(zhuǎn)換為馬氏體，第三次回火后，剩余的奧氏體就不足3%，足以保證高速鋼的熱硬性能。經(jīng)過3次回火，高速鋼的硬度就可以達(dá)到HRC 65，組織結(jié)構(gòu)是黑色回火馬氏體并剩余少量的奧氏體。

3 結(jié)束語

從實(shí)踐中可以看出，高速鋼工模具的熱處理質(zhì)量水平，對(duì)其使用壽命和各項(xiàng)性能的影響是十分巨大的。從失效的統(tǒng)計(jì)分析看以看出，大多數(shù)的高速鋼工模具失效，就是因?yàn)闊崽幚聿划?dāng)所引起的。例如淬火加熱過程中引起的變形與開裂、使用過程早期的變形等，都和熱處理的技術(shù)工藝有關(guān)。通過對(duì)高速鋼工模具的熱處理技術(shù)工藝進(jìn)行改善和研究，可以提高高速鋼工模具的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和使用壽命，從而降低了模具的制造成本及避免了因熱處理不當(dāng)和轉(zhuǎn)換不均勻造成的加工過程的各種缺陷。

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