高速钢热处理问题23问

安徽嘉龙锋钢刀具有限公司 赵步青

[摘要]高速钢是重要的金属切削刀具材料，热处理问题颇多，罗列23问共尝。

[关键词]高速钢 热处理 硬度 二次硬化

纵观现在世界上所有的钢种，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、拉丝、塑性成形、焊接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。高速钢自问世至今已有100多年历史，一直以制造金属切削刀具著称。有人说“高速钢奥妙无穷”，也有人说“高速钢变化莫测”。长期以来，人们对高速钢进行了大量的基础研究和改革创新，丰富了热处理宝库。笔者1968年大学毕业后，从事高速钢热处理整整50个春秋，积累了不少经验，也记录了一些失败的教训，总结出高速钢热处理值得关注的23个问题，与读者探讨。

1 碳在高速钢中作用是什么？

碳是高速钢中最重要的元素，作用机制是碳化物的形成及转变——溶解、析出、聚集。含量必须适当，不可过多，也不能太少。当含量较低时，不能形成足够数量的复合碳化物，因而在淬火加热时溶入固溶体的碳化物减少，会降低钢的硬度、红硬性及耐磨性；若含碳量高，淬火加热时，碳和合金元素的浓度增高，使钢的硬度、红硬性提高，但也带来一些不利影响：在碳化物不均匀度增大、塑性降低脆性增加、工艺性能变坏（锻造、轧制易开裂）、降低钢的熔点，所以容易产生过热过烧。含碳量增高，会使淬火后残留奥氏体（rR）增多，增加回火难度。以前的M35钢因含碳量偏低（0.80%～0.90%），淬回火后根本达不到67HRC以上的高硬度；501钢（M2A1）因含碳量偏高，问题不少，现在两钢都回归到正常的含碳量了。GB/T9943新标准和原标准相比，最大的亮点莫过于碳的变化。

高速钢中究竟含多少碳好？应遵循定比碳法则确定。钢厂生产的高速钢成分虽都符合国家标准，但不一定适合你。工具厂应根据自家的产品，选择有竞争力适中的含碳量钢种。

2 高速钢的碳饱和度如何计算？

平衡碳是给出钢中所有的碳化物形成元素，按定比碳关系达到平衡时的碳含量，通常按下式进行近似地计算。

Cs=0.33W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V

式中，Cs是理论上计算的“平衡碳”，“平衡碳差值”表示计算出来的Cs与实际含碳量的差值，即ΔC= Cs-C实

C实／Cs的比值即为碳饱和度，常用“A”来表示。

例如：M2钢的实际化学成分为（质量分数：%）：0.85C、5.97W、4.95Mo、3.97 Cr、1.82V。平衡碳、平衡碳差值、碳饱和度计算式分别为：

平衡碳（Cs）=0.033×5.97+0.063×4.95+0.06×3.97+0.2×1.82=1.103

平衡碳差值（ΔC）=1.103-0.85=0.253

碳饱和度（A）=0.85/1.103=0.771

统计分析M2钢267个炉号340t含碳量，并热处理试验A值对钢性能的影响，结论是：A值在0.76～0.83时，综合性能佳。

3 碳饱和度与淬火温度及热处理后硬度的关系？

在正常的淬火温度范围内，每提高11℃～13℃，晶粒度就升高1级，如果按9.5～10.5级晶粒度组织生产，对于M2钢淬火温度（t）与A值有一定的对应关系，笔者的经验是：

A=0.70 t=1227～1238℃

A=0.73 t=1222～1233℃

A=0.76 t=1218～1231℃

A=0.79 t=1212～1223℃

A=0.82 t=1210～1221℃

A值越高，淬火温度越低，反之亦然，根据A值确定淬火温度是科学的，行之有效的，已被国内同行认可。

知道了A值，就能准确地预测淬回火后的硬度，经验式为：

对于M2钢而言：HRC=A/（0.1285A+0.00185）例如M2钢A值为0.77，则HRC=0.77/0.01285×0.77+0.00185=0.77/0.0117445≈65.6。实际生产中的刀具硬度在65～66HRC，非常吻合，要想硬度高，必须选择A值高的钢制作。

4 高速钢刀具淬火为什么要预热？

高速钢属高合金工具钢，含有众多的合金元素，导热性差、塑性低，所以高速钢淬火必须经过预热，有四大好处。

（1）减少应力及变形开裂的几率。

（2）缩短高温加热时间，减少氧化、脱碳倾向。

（3）先在空气炉中预热再到盐浴炉预热，避免发生爆炸危险，有利于安全生产。

（4）中温预热一般在850℃左右，使珠光体向奥氏体转变在较低温度下进行，有利于减少最后相变应力。

5 高速钢碳化物不均匀级别判定标准是什么？

严重的碳化物不均匀度将使钢的硬度及红硬性下降，若呈网状堆积，破坏了钢组织的连续性，导致刀具在使用过程中易脆断或崩刀。高速钢碳化物不均匀在×100倍显微镜下观察。GB/T9943-2008《高速工具钢》将共晶碳化物分为8级，诠释如下，供参考。见表1.

表1 高速钢碳化物不均匀度级别

6 高速钢中碳化物颗粒度级别判定标准是什么？

高速钢中大块角状碳化物和大颗粒碳化物统称为大块碳化物，根据GB/T9943-2008，大块碳化物的评级分W系和W-M0系，见表2和表3.

表2 高速钢中大块碳化物评级标准（W系）

表3 高速钢中大块碳化物评级标准 （W-MO系）

检查大块碳化物应在试样直径或对角线的1/4处的纵向截面上进行，以视场中最严重为判据，试样按规定的热处理工艺淬火后于680～720℃×1～2h回火，试样厚度10～12mm,×500倍下观察。

对于高速钢来讲，碳化物是一把双刃剑，它既是保证了高速钢具有高硬度、耐磨性、红硬性等使用性能，同时又是产生各种质量问题的重要根源。为了提高刀具寿命，必须深入研究高速钢中的碳化物，深刻理解碳化物的生成和变化规律。高速钢的热处理，无非是在做碳化物的转变与转换工作，必须高度重视。

7 碳化物的溶解度对高速钢的性能有何影响？

高速钢的碳化物类型有M3C、M23C6、M7C3、M6C、MC、M2C等。高速钢加热时碳化物溶解情况决定了奥氏体中碳合金元素的含量，并影响晶粒度，从而影响钢淬火后的力学性能及使用性能。碳化物溶解越充分，硬度越高，耐磨性、红硬性越高。但韧性下降脆性增大，炉前金相一定要注视碳化物的溶解情况，只看晶粒号不看碳化物溶解度是很不全面的。

我们在实践摸索出判断碳化物溶解度的简易方法：在一颗奥氏体晶粒中，5～8颗粒溶解充分，8～12颗溶解一般，﹥12颗溶解不好。在现实生产中，视刀具类别及使用情况，控制碳化物溶解度非常重要，这也是高速钢热处理的精髓。

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纵观现在世界上所有的钢种，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、拉丝、塑性成形、焊接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。高速钢自问世至今已有100多年历史，一直以制造金属切削刀具著称。有人说“高速钢奥妙无穷”，也有人说“高速钢变化莫测”。长期以来，人们对高速钢进行了大量的基础研究和改革创新，丰富了热处理宝库。笔者1968年大学毕业后，从事高速钢热处理整整50个春秋，积累了不少经验，也记录了一些失败的教训，总结出高速钢热处理值得关注的23个问题，和同行们商讨，不妥之处请批评指正。

8用M2钢同成分制作不同的刀具热处理工艺有何不同？

2004年笔者在全国工具厂厂长经理会上作“制定热处理工艺应该个性化”的学术报告，受到一致好评。我举同成分的M2钢为例，制作不同的工具，热处理工艺见表4。

9 显示高速钢奥氏体晶粒度用什么试剂？

HSS及HSS-E钢淬火后显示奥氏体晶粒度常用4%硝酸酒精溶液（体积分数），根据温室和侵蚀时间灵活掌握，也有用7%～13%三氯化铁水溶液。HSS-L钢淬火后显示奥氏体晶粒度用10%硝酸酒精或10%三氯化铁水溶液。

不管什么类别的高速钢回火后再显示奥氏体晶粒度是很难的，需专配。我们的配方1：100ml乙醇+10ml盐酸+3ml硝盐。配方2：100ml甲醇+10ml盐酸+3ml硝盐。

10 高速钢分级淬火温度为什么要低于620℃？

长期以来，工具行业学习原苏联的先进经验，将高速钢的分级温度牢牢控制在580℃～620℃，保证φ20mm以下的工件淬回火后得到≥65HRC的高硬度，但大一点的工件及连续大批量生产时，连64HRC的硬度都很难达到，如20方以上的车刀，M6模数以上的滚刀就是这样。根据国内外同仁的成功经验，对冷却速度有高的要求：在工件温度在1000℃～800℃区间内，冷却速度越快越好，应≥7℃/S，防止共晶碳化物析出而影响刀具的各项性能，所以不少工具厂将冷却炉温度改钡基为钙基盐500℃～550℃。

表4 M2钢制作不同刀具的热处理工艺

表5 高速钢刀具热处理检验标准

注：粉末高速钢的过热程度≤1级；粉末高速钢淬火晶粒度≤10级时，因晶粒度细小，可按S-G晶粒度标准评级；M42、M35等高性能高速钢回火程度应≤1级（钻头、键槽铣刀中心的刃口碳化物堆积处过热程度可≤3级，剃齿刀不允许过热）。

11高速钢刀具淬火奥氏体晶粒度有什么规定？

JB/T9986-2013《工具热处理金相检验》对高速钢刀具淬火奥氏体晶粒度虽作详细规定，但实行、执行有差异。我们的经验如表5。

12判断高速钢过热级别的依据是什么？

冶炼高速钢制刀具淬火过热一般都在回火后检查，但有经验的炉前金相员淬火检查就知晓。过热不完全是坏事，有些刀具如车刀、滚刀等，只有过热才耐用，小刀具及螺纹刀具大都不允许过热，粉末高速钢制各种精密刀具，最好不要过热，根据长期工作的经验并参照国内外相关标准，判定高速钢过热级别的依据，以最严重视场为最终判据。

◆1级 碳化物微变形，呈棱角状

◆2级 碳化物呈拖尾状态

◆3级 碳化物呈线段状态

◆4级 碳化物呈半网状态

◆5级 碳化物呈封闭网状态

13高速钢刀具淬火后回火合格级别判定标准是什么？

回火的目的是消除应力、稳定组织、促使二次硬化。刀具回火不足，脆性很大，特别是微型刀具，影响则更大，回火不足与回火充分，切削性能要相差几百倍。

检查回火程度用4%的硝酸酒精侵蚀，侵蚀时间为2～4min，侵蚀温度为18℃～25℃.回火程度分为3级，以最严重的视场为判据，判定标准如下：

◆ 1级（充分）整个视场为黑色的回火马氏体+星星点点的碳化物。

◆ 2级（一般即合格）个别区域或碳化物堆积处有白色区存在。

◆ 3级（不足即不合格）较大部视场有白色区存在，隐约可见淬火晶粒。

14高速钢刀具硝盐回火温度为什么不能超过600℃？

高速钢回火常用100%KNO3或100%NaNO3。回火温度常用540℃～560℃，有时为了退掉刀柄硬度，将硝盐槽浴温提到600℃，不能再提高了，否则有爆炸的危险，以KNO3为例，理由如下：

硝盐的热稳定性比较差，随着温度的升高，会发生分解2KNO3 ＞400℃ 2KNO3+O2 ，若温度继续升高，会进一步分解2KNO3＞500℃K2O+2［N］+5［O］从以上反应可知，有氧化性很强的活性氧原子生成，盐浴中有氧的存在对工件十分有危，在一般情况下，Fe与O相互反应，随着温度的变化生成的产物也不同，在150℃以下反应很难进行，随着温度的升高逐步发生作用，低于570℃，它们生成Fe3O4。Fe3O4是一种结构致密的氧化物，这种氧化膜的形成能阻止氧与铁作用，起到保护层的作用。若温度高于570℃，铁与氧作用加剧，生成疏松的氧化亚铁层，氧还可以透过一层薄膜（Fe3O4）而与铁继续作用，使基体受到严重腐蚀。若继续升高温度，由于硝盐的热分解产生的气体量增加，再加上其它因素（如棉纱头等），有可能产生爆炸。

15高速钢刀具热处理裂纹产生的原因是哪些？

裂纹是高速钢热处理中常见的缺陷，产生的原因主要以下几条：

冷却速度过快：在淬火冷却阶段，当应力达到高速钢马氏体的断裂强度（1000N/mm2）就会致裂；直接淬火或分级等温冷却遇到水易裂；淬火后未冷到室温清洗也容易开裂。

过高的加热温度：加热温度过高致使晶粒粗大甚至过热，脆性大，抗断裂强度下降，加大淬裂倾向。

过快的加热速度：高速钢属高合金工具钢，含有较多的合金元素，导热性差，过快的加热速度，使工件里外温差加大，热应力差加剧，内外组织转变不同步，不但使组织应力加大，同时在内外交界处形成断裂应力，多种应力叠加，加速开裂进程，故形状复杂件都要经多次预热。

16高速钢盐浴热处理产生腐蚀的原因有哪些在？

根据笔者的体会，认为高速钢盐浴热处理产生腐蚀的原因大致可分4个方面：

盐浴腐蚀：原盐不纯洁、脱氧捞渣不彻底、盐浴中氧化性物质太多；局部加热的杆状刀具预热温度过高或保温时间过长，致使暴露在浴面上方的部分受蚀；回火件清洗不干净，将氯化盐带入到硝盐回火炉中，氯离子腐蚀刀具硝盐吸收空气中水分子形成硝盐，产生腐蚀。

气体腐蚀：抽风不力，盐面烟雾较大；冷却温度过高，出炉后在夹具内部的气体难以散掉，靠近夹具部位产生气体腐蚀。

清洗不干净：淬火后工件冷至室温要及时清洗，特别是顶尖孔、凹槽部位的残盐要清洗干净，清洗水温应高于80℃，且要适时换水。

酸洗腐蚀：酸洗对高速钢刀具生产来说，实在不是好方法，没尽早淘汰，因为它会产生氢脆，还会产生腐蚀。如果实在要进行此步，一定要掌握酸的浓度、酸洗温度、酸洗时间三要素。

17用什么方法检查磨退火及磨裂？

高速钢刀具磨退火是非常多的现象，对刀具使用性能产生很大影响。检查方法：用体积为5%～8%的硝酸酒精溶液侵蚀相关部位，然后再用体积为8%～10%盐酸酒精溶液明化，并在Na2CO3水溶液中进行中和，即可清晰地把各种烧伤显现出来。

检查磨削裂纹的方法：用稀硝酸侵蚀怀疑部位30s，若有裂纹立即显露。

18高速钢钻头等刀具蒸汽处理及氧氮化质量检验有何具体要求？

经蒸汽处理货氧氮化的刀具，浸油后表面呈蓝灰色或蓝黑色。

氧化膜的质量指标：表层氧化膜的金相形态应符合JB/T3912-2013要求，在500Ix照度和视距不小于300mm的条件下，用正常视力垂直正视观察，刀具浸防锈油后表面光泽应比较均匀，无明显花斑、锈迹或发红。氧化膜的厚度为1～4μm，用10%CuSO4溶液滴在刀具的非棱角处，在18℃～25℃温度下，10min之内不应有Cu析出。Φ2.5mm以下的带柄刀具滴在柄部。

对氧氮化钻头的要求：渗层厚度10～30μm,渗层硬度900～1050HV,不允许出现脉状、网状渗层组织。

经上述处理后刀具使用寿命应比未处理者提高20%以上。

19高速钢刀具TiN涂层之前有何要求？

TiN涂层工艺确实很好，可大幅度提高寿命，已在刀具界普遍使用，但不是什么刀具涂了都有效果。如果刀具本身质量不佳，涂了也是枉然，犹如鲜花插在牛粪上。根据国内外同行的体会，对涂前刀具应有一定的质量要求。

硬度：涂前刀具硬度要是足够高，一般应≥65HRC。如果由于种种原因造成硬度低或刃口磨退火，涂后效果肯定不佳，甚至不如涂前。

表面粗糙度：涂前刀具前刃面与后隙面的表面粗糙度Ra≤0.8μm，最好经适当的抛光，以保证刀具表面与涂层薄膜的结合力，否则涂层容易脱落，加速刀具磨损。

刃口要求：切削刃必须无毛刺、裂纹、崩刀等缺陷。否则涂层刀具在切削过程中首先在这些缺陷出开始磨损。

退磁：刀具涂层前后必须经去磁处理，涂前带磁将影响涂层效果，涂后有磁易吸附切屑而加剧崩刀。

清洁度：涂前刀具表面必须清洁，做到无油污、锈斑、氧化皮或油漆等污物，以保证涂层的结合力。

20高速钢刀具表面强化有哪几种方法？

高速钢刀具表面强化主要有蒸汽处理、氧氮化、TiN或TiA1N等多种涂层、渗氮、二硫化钼浸涂硫化等滑化处理和氮碳共渗硫氮碳共渗及C-N-B-S-O五元共渗等方法。还有许多强化方法，工厂使用最多的是蒸汽处理及TiN涂层法。

21锉刀检查硬度的原理是什么？它有何优缺点？

热处理同仁在长期的生产实践中，积累了用标准锉刀检验高速钢刀具淬后及回火后的硬度的宝贵经验。

锉刀检验硬度法，就是用锉刀高硬度的齿划刻金属，依其划痕的大小、深浅来预测金属的表面硬度。此法虽不如硬度计那么精确，但简单适用，所以在工具厂仍有一定的市场，特别适用形状复杂件、大件的硬度检测。现在虽出现不少新的现场硬度检测仪，但还是不如锉刀检验方便、速度快。

目前工具厂大部分都采用单把锉刀检测刀具的硬度，主要靠工作者经验来判定，差异性较大，为了克服这一缺点，我们必须按国家推荐标准GB/T13321，用标准锉刀检验。

在世界上工业发达的国家，如美国、日本、德国、俄罗斯都有标准锉刀检测硬度的标准文本，因为此法简单适用了，例如高速钢刀具盐浴淬火，试件淬火用锉刀一挫，有经验的检验人员就能精准的测出硬度高低，误差不超过0.5HRC，并且还能知道碳化物溶解的大概情况，这就是热处理的工匠精神，不是一年两年能够铸就的，要靠长期经验积累。

以前在市场上能买到国家标准锉刀，现在很难买到真货，有的工具厂自制锉刀，也是一种好方法；用低合金高速钢经正常淬火的锉刀（硬度＞65HRC），然后再经QPQ或其它强化处理，自制自用，心中有数，十分方便，不会出错，值得推广。

22如何进行摩擦焊刀具的热处理？

国内外普遍采用摩擦焊生产Φ10mm以上的杆式刀具。同闪光焊相比，摩擦焊具有节电、节材、焊缝质量好、结合强度高等优点。但如果操作不当，也会出现质量问题，甚至批量报废。以下简单介绍摩擦焊刀具热处理工艺。

焊后冷却及退火处理：焊接时焊缝两侧产生1000℃以上的高温，焊后若直接空冷，高速钢一侧将发生马氏体转变，柄部的45钢或40Cr钢一侧由于空冷只发生珠光体转变，显著的比容差将产生组织应力，导致裂纹产生。为此焊后应立即投入650℃～730℃×1～2 h保温，使之发生珠光体转变，然后直接升温至850℃～870℃×4～6 h退火，炉冷至500℃以下出炉。

淬火：焊接刀具要不要超焊缝加热？超焊缝加热改善了焊后的原始组织，考验了焊接质量，提高了焊缝强度，节省了高速钢。焊接刀具真空淬火成功以后，超焊缝加热质疑的人少了，但国内大部分工具厂均采用低于焊缝10～15mm的盐浴淬火工艺，避免因开裂引起的质量纠纷。笔者坚持超焊缝加热，但应注意下列几点：拟用中下限淬火温度、采用分级等温淬火、不等100℃以下立即回火、淬火后不拟深冷处理和矫直及严禁酸洗。如果一定要酸洗，一定要向酸里加缓蚀剂，严格控制酸液浓度、酸洗时间、酸洗温度三大要素。

23高速钢萘断口可以消除吗?

正常的高速钢断口呈无光泽的细陶瓷状，淬火过热的断口较粗糙，当奥氏体晶粒非正常长大到毫米级时，钢变得极脆，易产生穿晶解理断裂，其断口因晶粒取向不同而呈现亮暗相间、鱼鳞似的组织，称“鳞状断口”，又称萘状断口，简称萘断口。

萘断口是工具厂常见的一种热处理缺陷，是否可以消除？答案是肯定的，可以返工或改锻，而不是教科书上讲的只能报废。某厂由于工作疏忽大意造成数百件12×12×200mm规格M2钢车刀产生萘断口，是报废还是挽救？我们选择了后者，采用二退二淬热处理工艺，消除了萘断口。

一退一淬：850℃～870℃×4～5h炉冷至500℃出炉空冷；1225℃～1230℃×4min油淬，晶粒度9～9.5级，550℃×1h×3次回火后硬度65.5～66HRC。

二退二淬：850℃～870℃×4～5h炉冷至500℃出炉空冷，退火后硬度220HBW。1220℃～1225℃×4min油淬，晶粒度9～9.5级，550℃×1h×3次回火后硬度65.5～66HRC。断口正常，呈细陶瓷状。

消除萘断口后的12方车刀，作切削实验仍达到一等品水平，600℃×4h红硬性试验，硬度为62.5～62.7HRC。

经试验证实，产生萘断口的刀具还可以通过锻造或稳定化处理加以消除。但是否有经济价值，值得考虑。萘断口并非癌症，可防可治，没有什么可怕的。

高速钢理论太深奥了，难以理解透彻，但只要认真探索，反复实践，一定能制造出高质量、长寿命的刀具，为实现伟大祖国的复兴作出我们热处理人应有的贡献。

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