高速钢热处理的精髓是改造碳化物

［摘要］  高速钢中含有较多的碳化物，热处理所做的一切工作都在做碳化物的转换与转化。锻造可以改变碳化物的分布，退火要防止碳化物的聚集和稳定化，热处理淬火加热看碳化物的溶解，回火看碳化物的弥散，过热过烧看碳化物的形态。碳化物是一把双刃剑，我们要和碳化物作斗争，使之向着我们所追求的方向发展。纵观当今世界所有的钢种，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、拉拔、塑性成形和热处理等整个制造过程的难度，高速钢无疑是最难的钢种之一。有人说“高速钢奥妙无穷” ，也有人说“高速钢变化莫测”。笔者1968年大学后，从事高速钢热处理已有50多年历史，深感碳化物的转变和转化是高速钢一切性能的根源，根据工具的实际服役状况，控制好碳化物的形态和数量，将高速钢的性能发挥到极至。以下就改造高速钢碳化物的体会简介，不妥之处请批评指正

1.高速钢中碳化物的种类和形式碳化物是高速钢组织中最重要的组成部分，因其数量多、情况复杂，对钢的各项性能都起着关键的作用，所以我们必须了解它、改造它、使它向着我们所需要的方向发展。高速钢中的碳化物，按其在钢中存在的具体特征及实际生成情况，可以分成两大类——一次碳化物和二次碳化物。一次碳化物是在钢液凝固过程中直接从液相析出，也称“初生碳化物”。这类碳化物在随后的热加工过程中被破碎也分解成颗状存于钢中，一般情况下称之为“一次碳化物”；二次碳化物是在凝固或热处理过程中从固体中析出的碳化物。高速钢中碳化物的形式有6种。⑴ M6C  是一种富W或富Mo的复杂面心立方晶格的碳化物，化学成分范围为Fe3W3C到Fe4W2C或Fe3Mo3C到              Fe4Mo2C，并且能溶解一些Cr、V、Co。⑵ M23C6  是一种具有面心立方晶格的富Cr碳化物，该碳化物可以少量的Fe、W、Mo、V。⑶ MC  是一种富V碳化物，具有面心立方晶格，成分范围VC到V4C3，并且可以溶解有限的W、Mo、Cr、V和Fe。⑷ M2C  是一种富W或Mo的碳化物，密排六方晶格。一般以亚稳定状态存在于钢中，在正常的热加工、退火态钢中极少，而在Mo系高速钢中较多。M2C中的主要金属元素是Mo和V或W和V。⑸ M7C3   M7C3具有复杂的六方结构，主要元素是Cr和Fe。⑹M3C   M3C属于介稳相，一般是高速钢在淬火后低温回火时，从基体中析出，但回火温度较高时又消失了。1.1高速钢中共晶碳化物不均匀度铸态的共晶碳化物，在以后的热加工过程中被破碎的程度，称为碳化物不均匀度，它有两种表现形式即带系和网系。当碳化物以带状分布时，如图1所示，碳化物不均匀度可以，碳化物带的宽度、密集堆集程度作为评级依据；当碳化物以网状分布时，如图2所示。在原冶金部标准中，列出的是网带合一的评级图，如表1所示级别网    系带    系1碳化物呈均匀分布碳化物呈均匀分布2碳化物呈微系带状碳化物呈微细带状3细带中局部有不明显分叉细带，宽度2mm 左右4均匀明显细分叉明显集中带，宽度4mm5均匀网状残余明显集中带，宽度7.5mm6均匀破碎网及少量堆集明显集中带，宽度11mm7拉长变形网及明显堆集明显集中带，宽度15mm8封闭完整网及明显堆集明显集中带，宽度19mm表1-高速钢晶粒度不均匀评级图 100X

图1  钨系共晶碳化物不均匀度  ×100

图2  钨系共晶碳化物不均匀度  ×1001.2碳化物不均匀度对高速钢性能的影响。⑴ 对塑性的影响，在碳化物的集中处，由于碳和合金元素集中，使钢的塑性下降，在热轧，锻造，扭制等塑性变形中易开裂。⑵ 对热处理工艺性能和组织的影响，过热敏感性增加，晶粒不均匀性长大，红硬性下降，淬火易变形，回火不易充分。⑶ 对钢力学性能的影响见表2表2   碳化物不均匀度对W18钢力学性能的影响碳化物不均匀度级别/级抗弯强度/MPa冲击韧性/(J/cm2)淬火回火后硬度HRC在下列温度保温1h×4次红硬性HRC600625650336602365.261.359.251.1434102265615950.6531701764.559.958.950.1前苏联有人做过W18碳化物不均匀对抗弯强度的影响可参考。如图3所示

图3 碳化物不均匀度对W18钢抗弯强度的影响⑷ 对刀具使用性能的影响   由于碳化物不均匀降低了钢的强度、塑性、硬度及红硬性，因而最终降低了刀具的使用性能，使刀具在使用中易崩刃和磨损。用户反馈和切削试验都表明，在齿轮刀具中，当碳化物不均匀度超过5级或存在大块碳化物聚集，基本都是由于崩刃甚至掉齿而失效。对插齿刀的寿命试验结果可知，碳化物不均匀度由5～6级降至3～4级，在磨损0.2mm时，平均耐用度提高10%，较7～8级提高29%。1.3  高速钢中大块碳化物高速钢中大块角状碳化物和大颗粒碳化物统称大块碳化物，一般认为高速钢钢丝中碳化物尺寸≥12.5μm一定为大块碳化物。国家标准GB/T9943-2008《高速工具钢》有大块碳化物评级图分W系和W-MO系。例如W系4级如图4所示。

图4 钨系高速钢大颗粒碳化物  4级    ×100大块碳化物的存在对钢的质量产生严重的危害，对钢的使用性能和工艺性能都带来不良的影响，主要表现如下4点：⑴ 大块碳化物易剥落，使钢的低倍组织严重变差，对碳化物的均匀分布也有不利影响。⑵ 粗大角状碳化物在外力的作用下易开裂，致使钢材存在这么多微裂纹缺陷，从而危害钢的韧性和塑性。⑶ 大块碳化物易引发刀具崩齿，使刀具成为废品或降低其使用寿命。⑷ 大块碳化物占有和浪费了大量贵重的合金元素，影响了钢的性能。1.4  从原材料入手改善碳化物形态的方法】开发粉末高速钢、喷射钢（碳化物偏析≤2级，颗粒≤8μm），开发无莱氏的高速钢，大连戚正风等发明。锻造是改变碳化物形态和分布的一种好方法图5为W18钢锻件退火后的组织。这里顺便介绍一下，高速钢的“锻造比”。它是度量锻造变形量的一个重要参数。分为两类：一为伸长锻造比；二为镦粗锻造比。

伸长锻造比：工件伸长前的截面积和伸长后的截面积之比。y(伸)=Fo/F镦粗锻造比：工件镦粗前的高度和镦粗后的高度之比。y（镦）=Ho/H锻造比达8以上，碳化物不均匀度才有明显改善，一般锻造比均在10左右。2.   锻造是改变碳化物形态和分布的一种好方法高速钢锻造对于工具厂来说，是十分重要的一道工序。锻造的目的，不仅是为了改变毛坯的形状和尺寸，更重要的是通过锻造过程的金属流变，使金属基体更为致密，使碳化物不均匀度得到改善，将密集的碳化物网或带破碎成细小的，均匀分布的颗粒。通过锻造，最多能降低碳化物不均匀度2级，一般只能改变1级。3.    高速钢退火要防止碳化物聚集和稳定化碳化物是高速钢中重要的相，高速钢的化学成分、冶炼方法、锻、轧、拉、热处理等各种加工过程，决定了碳化物的种类、数量、形状、大小及分布情况。而碳化物的上述特点，对高速钢制各种工具的性能又起着决定性的影响。高速钢经锻造后硬度在58HRC左右，不宜进行切削加工，必须进行退火处理，常用球化退火工艺：830～850℃X3h→720℃X4h→炉冷至550℃出炉空冷，退火后硬度≤255HBW。如果处理不当，很容易造成碳化物聚集、稳定化。研究表明，碳化物的聚集程度与温度有关，加热温度越高，聚集过程加快；相邻颗粒间距越小，曲率半径相差越大，聚集过程加快；等温时间越长，聚集过程越快。基于上述情况，高速钢退火加热温度应视具体钢种而定，加热时间的长短取决电炉功率、装炉量、加热温度、退火后的金相组织和硬度。在保证硬度合格的前提下，尽量采取适宜的加热温度、合适的保温时间。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体越稳定，越不容易分解，所需的等温温度越高。加热温度和等温温度相差80～100℃为好。退火若使钢中的碳化物聚集和稳定化，将对钢的热处理产生不利影响。奥氏体晶粒不易长大、硬度偏低、红硬性差。4   淬火加热关注碳化物的溶解度退火后的高速钢组织为索氏体基体上分布着合金碳化物，当把钢加热到Ac1以上，随着奥氏体的形成，碳化物开始溶解，温度越高，溶解的数量越多。由于碳化物的类型不同，溶解的程度也不一样。如Cr23C6型碳化物将全部溶解，未溶的碳化物有M6C和MC。铬的碳化物900℃开始溶解，到1100℃几乎全溶；W的碳化物在950～1150℃开始溶解，但溶量甚少，到1150℃以上，M6C碳化物溶解迅速，但不会全溶，从1200～1250℃溶解得最快，到1300℃，大约还有16%-17%的碳化物未溶。图6为W18钢淬火加热时未溶碳化物与淬火温度的关系。图7为W18钢不同碳化物溶解与淬火温度的关系，从图7可以看出，钒的碳化物很难溶解。

图6  W18钢未溶碳化物和淬火温度的关系

图7  W18钢固溶成分和淬火温度的关系在高速钢刀具淬火现场，金相员除了要看奥氏体晶粒度外，更重要的是看碳化物的溶解程度，最直观的方法是在一颗晶粒内有几颗碳化物，少于8颗为充分，8～12颗为一般，≥12颗的溶解差。图8为W18钢淬火加热碳化物溶解充分的图片，图9为溶解一般的图片。

图8  钨系高速钢淬火碳化物溶解充分  ×500

图9  钨系高速钢淬火碳化物溶解一般 ×5005   高速钢回火看碳化物的弥散度高速钢淬火后组织中有30%左右的γR，因此必须使γR在回火后转变成回火马氏体。回火对钢中的淬火马氏体、γR和碳化物都将发生变化，回火的实质是碳化物从马氏体中析出及合金元素在α固溶体与碳化物间重新分布的过程。不管是盐浴淬火还是真空淬火，回火工艺皆为540～560℃×1.5h×3-4次（HSS-E钢及等温淬火者须4次回火），每次必须冷至室温方可进行下一次回火。检查回火是否合格主要看碳化物的弥散程度，JB/T9986-2013《工具热处理金相检验》将回火程度分为3级（1）1级（即充分）：整个视场为黑色回火马氏体+少数分布较均匀的碳化物。如图10所示；

图10  钨钼系钢回火一级    ×500⑵  2级（即合格）：个别区域或碳化物积集处有白色区存在，碳化物还没有弥散开。如图11所示；

图11  钨钼系钢回火二级    ×500⑶  3级（不合格）：大部分市场有白色区存在，可见明显的碳化物堆集，隐均可淬火奥氏体晶粒。如图12所示。

图12 钨钼系钢回火三级    ×56.   过热过烧看碳化物形态的改变JB/T9986-2013标准将高速钢淬火过热分为5级，分别描述如下：过热1级，见图13，碳化物变形，呈棱角状；过热2级，见图14，碳化物呈拖尾状态；过热3级，如图15，碳化物呈线段状态；过热4级，如图16，碳化物呈半网状态；过热5级，如图17，碳化物呈全网封闭状态。过热5级再向前跨一步就过烧了。过热与过烧的分界线是显微组织上出现大块的次生莱氏体，如图18所示。有时会出现像铸造刀具那样的黑色组织。刀具一旦过 烧，只能回炉炼钢。

7.   高速钢中的碳化物是一把双刃剑高速钢是高碳高合金莱氏体钢，组织中含有大量的合金碳化物，这是高速钢组织的重要特征。在退火状态下，高速钢中的碳化物大约占20%～30%，淬火加热时，大部分碳化物溶入奥氏体，回火时又从马氏体中析出。碳化物是一把双刃剑，它们既保证了高速钢具有很高的硬度、耐磨性、红硬性等使用性能，但同时又可能是产生种种质量问题的重要根源。热处理工作要深入研究高速钢中的碳化物，深刻认识碳化物生成和变化规律，使之向着我们所需要的方向发展8   结束语我们搞高速钢热处理的同仁，一定要和碳化物作斗争。退火尽量采用球化退火工艺；使碳化物完整化，淬火加热时关注碳化物的溶解度，不可少溶更不可多溶，过热适度，杜绝过烧；不管是盐浴淬火还是真空淬火，尽可能提高冷却速度，保证在1100～800℃区间冷却速度＞7℃/S；回火要充分，让碳化物分布弥散，将碳化物在钢中的作用发挥到极致。碳化物是高速钢热处理的精髓，我们所做的一切热加工，都是围绕碳化物这个核心展开的，只要把碳化物侍候好了，刀具自然高寿命。end