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高速鋼深冷處理

來(lái)源:鑫鋒立      發(fā)布日期:2019-03-26

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高速鋼深冷處理 

  

鑫鋒立(北京)科技有限公司是國內專(zhuān)業(yè)研發(fā)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(chǎn):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(shù)、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(guān)產(chǎn)品與服務(wù)的銷(xiāo)售和經(jīng)驗。
高速鋼是高速工具鋼的簡(jiǎn)稱(chēng),俗稱(chēng)“鋒鋼”(因為在空氣中也能淬硬,也稱(chēng)“風(fēng)鋼”)。自1898年美國人Fred W?Taylor 及其助手 M?Whiet發(fā)明高速鋼至今,已走過(guò)雙甲年華??v觀(guān)目前世界上所有的鋼種,無(wú)論其化學(xué)成分、組織、性能之間的復雜關(guān)系,還是冶煉、澆注、鍛造、輥軋、拉拔、塑性成形和熱處理等整個(gè)制造過(guò)程的難度,高速鋼無(wú)疑使最難搞的鋼種之一。有人說(shuō)“高速鋼奧妙無(wú)窮”,也有人說(shuō)“高速鋼變化莫測”。筆者1968年大學(xué)畢業(yè)后從事高速鋼熱處理整整50個(gè)春秋,積累了比較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗,同時(shí)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(lái),就沿用前蘇聯(lián)的5-3-2配方(質(zhì)量分數,%),即50BaCl2+30KCl+20NaCl,熔點(diǎn)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(yè),使用這個(gè)分級淬火工藝,創(chuàng )造一個(gè)又一個(gè)省優(yōu)、部?jì)?yōu)、國優(yōu),說(shuō)明它極具生命力。深冷處理
時(shí)代在發(fā)展,技術(shù)在進(jìn)步,隨著(zhù)人們對冷卻速度重要性認識的深化,發(fā)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(jìn)鈣基分級鹽,其配方(質(zhì)量分數,%)即48CaCl2+31BaCl2+21NaCl,熔點(diǎn)435℃,使用溫度480∼560℃。國內有的廠(chǎng)為簡(jiǎn)化配方,改為50CaCl2+30BaCl2+20NaCl,熔點(diǎn)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(guān)于Ca基鹽浴技術(shù),原蘇聯(lián)在20世紀40年代就公開(kāi)了,50年代傳到中國,60年代不少廠(chǎng)試用過(guò),筆者1974∼1978年在桂林工作時(shí),也曾配過(guò)Ca基鹽浴,由于當時(shí)是每周開(kāi)一次爐,歇爐時(shí)間長(cháng),鹽浴吸濕性太強,被迫淘汰。深冷處理
 
有的廠(chǎng)對分級鹽浴的冷卻速度進(jìn)行了現場(chǎng)測試,φ40mm工件在800∼1000℃于550℃中冷卻速度正好為7℃⁄s,意思說(shuō)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(wú)疑問(wèn),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(shí),鈣基鹽優(yōu)越,但尺寸在20mm以下,沒(méi)有必要換成鈣基鹽,關(guān)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(jīng)驗,本著(zhù)“洋為中用、改革創(chuàng )新”的原則,千萬(wàn)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(shí),回火的目的有4個(gè):
①徹底消除淬火應力。
②促使殘留奧氏體充分分解。
③產(chǎn)生最佳的二次硬化效果。
④達到所要求的綜合力學(xué)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(jìn)行下一次回火?;鼗鸫螖狄话銥?次,如果回火不充分,或經(jīng)等溫淬火者,以及高性能高速鋼制件,均要進(jìn)行4次回火。深冷處理
 
 
回火程度一般分三個(gè)級別,不是依回火次數為據,而是金相說(shuō)了算。
一級(充分):金相上表征為黑色的回火馬氏體+星星點(diǎn)點(diǎn)的碳化物。
二級(一般):個(gè)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(chǎng)為白色區,隱約可見(jiàn)淬火晶粒。深冷處理
 
 
欲進(jìn)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(shí)間2∼4min,500倍顯微鏡下觀(guān)察,以最差視場(chǎng)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(chǎng)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(shí)產(chǎn)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(guò)程中,就有大量的殘留奧氏體轉變?yōu)轳R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(shí)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(kāi)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(kāi)裂很有好處?;鼗疬^(guò)程要緩慢升溫,每次回火應低于500℃入爐,回火出爐后不準風(fēng)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(chǎn)φ10mm以上的桿式刀具。摩擦焊時(shí)產(chǎn)生1000℃以上的高溫,在焊縫兩側很小的區域產(chǎn)生較大的溫差,焊后若直接空冷,焊縫的高速鋼一側發(fā)生馬氏體轉變,而結構鋼一側空冷只發(fā)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(chǎn)生開(kāi)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(mǎn)后保溫1∼2h退火,爐冷至500℃以下出爐空冷。如果生產(chǎn)量很大,不便實(shí)施上述工藝,應將焊件保溫溫度選擇在740∼760℃,保溫時(shí)間延長(cháng)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(diǎn)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(zhì)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(zhì)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(guān)點(diǎn),實(shí)踐證明超焊縫加熱跟淬火裂紋沒(méi)有直接關(guān)系。目前工具廠(chǎng)大多采用低于焊縫15∼20mm加熱,實(shí)際上縮短了高速鋼的切削長(cháng)度,造成浪費,很不經(jīng)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(shí)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(jīng)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(méi)有必要。高速鋼刀具正常淬火經(jīng)550∼570℃×1h×3次回火后,熱處理已達極致,再經(jīng)深冷處理有畫(huà)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(guò)多的殘留奧氏體顯然不會(huì )使刀具高硬度。日本學(xué)者飯島一昭等通過(guò)試驗認為:15%以下的殘留奧氏體不會(huì )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(kāi)始一直到21世紀初,國內很多工具廠(chǎng)都曾作過(guò)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(guò)幾年的深冷處理,也未見(jiàn)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(yōu)勢是韌性稍高一點(diǎn),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(shí)踐證明,5%以下的殘留奧氏體對刀具使用沒(méi)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(huì )降低硬度的殘留奧氏體顯然不受歡迎。但刀具的壽命歷來(lái)不以硬度高低論英雄,過(guò)高的硬度導致脆性增大,不僅不會(huì )提高壽命,反而會(huì )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(mǎn)足韌性的前提下力求高硬度。經(jīng)驗表明,回火充分的刀具施以深冷處理,基本上不會(huì )增加硬度,更不會(huì )提高熱硬性,反而會(huì )使韌性下降。國內有一些工具廠(chǎng)對部分刀具增加深冷處理,比如剃齒刀、小模數滾刀之類(lèi),其目的是消除應力、穩定尺寸,因為兩者是要以?xún)葟蕉ㄐ牡?,希望刀具在使用過(guò)程中,內孔不發(fā)生尺寸變化。還有一些高速鋼制高端量具、模具進(jìn)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(fā)現,高速鋼經(jīng)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(xué)性能并無(wú)大礙,是否一定要進(jìn)行深冷處理?這個(gè)有爭議的問(wèn)題,有待大量的試驗數據及應用實(shí)例佐證,但筆者經(jīng)試驗持反對觀(guān)點(diǎn)。國內數百家工具制造廠(chǎng)無(wú)人問(wèn)津就是一個(gè)有力論據。鋪天蓋地地報道,基本上是大學(xué)、研究所的科研成果或實(shí)驗室的產(chǎn)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(chǎn)中廣泛應用的還是550∼570℃×1h×3次的成熟工藝,實(shí)踐是檢驗真理的唯一標準,任何新工藝都必須經(jīng)得起實(shí)踐生產(chǎn)的考驗。全國的工具廠(chǎng)都盼望有指導生產(chǎn)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(shí)踐,大膽改革創(chuàng )新,就一定能制造出高質(zhì)量、高壽命的刀具,為振興機械工業(yè)做出熱處理人應有的貢獻。
 
鑫鋒立(北京)科技有限公司是國內專(zhuān)業(yè)研發(fā)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(chǎn):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(shù)、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(guān)產(chǎn)品與服務(wù)的銷(xiāo)售和經(jīng)驗。


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