高速钢节能退火工艺

■赵步青

摘要：综述作者及国内同行执行的低温退火、水爆退火快速软化、等温球化退火等多种节能退火工艺，与传统的高温长时间退火工艺相比，新工艺退火节能30%以上。

关键词：高速钢；节能退火；循环退火；水退火；节能

高速钢制件只要经过热加工发生相变，一般均要经退火处理，方能进行切削加工和为最终热处理做好组织准备。此外，经过淬火、回火后的高速钢工模具返修品，也必须经过退火方可再进行最终的热处理，否则极有可能造成萘状断口而报废。

高速钢常规退火工艺周期比较长，一般要36h（从进炉到出炉）以上，效率低，能耗高，而且碳化物分布的均匀性也不是很理想。图1为W18钢锻件在箱式电炉中装箱退火的典型工艺曲线。退火后硬度应≤255HBW。

为了改变传统退火工艺的弊端，国内工具行业做了不少试验，大胆改革创新，为节能减排传递正能量。以下简介几种节能退火工艺。

1. 低温快速急冷退火工艺

低温快速急冷退火 是将工件加热到Ac1以下20～30℃，保温一定的时间（盐浴炉1.5～2h，电炉3～4h），完成球状珠光体的转变，然后快速油冷，获得32～36HRC的低硬度，便于切削加工。20世纪70～80年代，广西桂林一些工具厂曾用此法，收到明显的节能效果。

此法适合于高速钢小刀具的返工退火，应切记加热温度不能过高，不可超越Ac1线，否则会引起部分奥氏体相变致使退火后硬度偏高。同传统的工艺相比，新工艺节电67%，节时75%，成本降低为原来的40%。

2. 快速软化新工艺——水退火[1]

水淬火是碳钢热处理常用硬化方法，广为人知，而水退火则不多见。水退火是不完全退火的一种特殊形式，在急于进行作业或软化达到切削加工为目的时其是快速便捷的软化工艺。

水退火是在水中急冷而软化，关键点是退火加热温度比相变点Ac1低约100℃，保温10min以上（盐浴中），然后投入水中急冷1～2min，都能使硬度下降至30HRC以下（即使原来硬度≥60HRC）。此工艺非常适用于小批量生产，加热炉宜用盐浴炉，采用流动的自来水冷却。

3. 快速循环退火

图1 W18Cr4V钢锻件退火工艺曲线

将欲退火之高速钢工件在盐浴炉中加热至Ac1以下20～30℃，保温10～15min，然后迅速转移到另一台温度为Ar1–（20～30）℃的浴炉中，也保温10～15min，反复进行3～4次，需总时6～7h。每一次循环后空冷，能获较低的硬度和球化效果。根据试验，循环1次后，硬度由原60HRC以上降至36～42HRC，循环两次后降到30～35HRC，循环3次后硬度降到28～32HRC。循环次数越多，下降硬度幅度越大。当循环到5次时，硬度就降到25HRC以下，完全满足切削加工要求，没有必要再循环下去。

实践证明退火硬度的下降与钢的成分和预备处理工艺有关。如淬火加热之工件，过热越严重，退火越难。表1为M2钢快速循环退火后硬度及循环次数与原淬火加热温度的关系。

快速循环退火工艺高速钢刀具、模具等工具返修退火，与传统的退火工艺相比，节电90%～100%，提高工效2倍，特别适用单件、急件和小批量生产。

4. 快速球化退火[2]

高速钢改锻后一般单位均采用缓冷后再重新加热退火的工艺，退火方法有两种：普通退火和等温退火（见图1）。

有些单位采用快速球化的形变热处理工艺，即将锻造和热处理有机结合，工艺曲线如图2所示。新工艺简化了工序，缩短了生产周期，节电70%～90%，降低成本，改善了劳动条件，提高了锻件质量，并有利于机械化操作。

经过轧制、模锻等温加工的高速钢工件，不必使用常规退火工艺，也可采用图2a、图2b、图2c所示三种工艺。上述工艺周期短，只需5～6h，仅为常规工艺方法的1/4～1/5，节能效果显著。

5. 高速工具钢盘条退火爆水

将正常退火处理后的高速钢盘条加热至Ac1以下的某一温度，保温一段时间后快速爆水冷却至室温。有研究报道，高速钢经正常退火后增加爆水之举，可明显改善盘条的冷拉塑性，有利于拉拔的顺利进行。

国内某钢厂施行的工艺为：M2钢盘条880℃×2h→炉冷760℃×5h→爆水。

试验表明：经爆水处理过的盘条，其抗拉强度、硬度与常规等温球化退火相当，但塑性有较大提高，其中断面收缩率提高了37%[1]。

6. 高速钢低温退火工艺

用于制造麻花钻、中心钻、机用丝锥等杆式刀具一般都用高速钢线材冲制，钢板制铣刀坯也用冲制法。冲后去应力不宜高温，应采用低温退火工艺：650～680℃×4～5h炉冷至300℃以下出炉空冷，节时、节电、质量稳定。

图2 高速钢锻造余热快速球化退火工艺

表1 M2钢快速循环退火硬度及次数与原淬火温度的关系

注：每组3件试样取算术平均数为示值。

硬度HRC退火循环次数12345678 110062.027.52322212019.51919 115063.529.52423222120.520.520 120064.035.528242322.521.52121淬火加热温度/℃淬火后硬度HRC 122564.038.5312624.5232221.521.5 124063.541.031.52827.5262524.524

7. 改善高速钢铲削性能新工艺——沸水淬火[3]

高速钢均以退火状态交货，其硬度大多在207～255HBW，这么低的硬度在铲削加工时，齿面难以达到Ra≤3.2μm的表面粗糙度。为了改善铲削性能，国内大多工具厂采用不完全淬火+高温回火的调质工艺，工艺曲线如图3所示，调质后硬度为36～42HRC。

实施这一工艺有点难度：

一是硬度不均匀，粘在工件上的残盐影响冷却效果而产生软点。

二是很难将硬度控制在工艺范围内。

三是清洗费时，生产成本高。

我们经试验证明，沸水淬火速度快、成本低、质量稳定，完全可以取代原来费时费电的调质工艺。水爆工艺如图4所示。

实施水爆工艺，要求坯料最好是同炉号，严格控制加热温度和水爆时间。同炉号料成分一致、相变相同，水爆后硬度基本相同；加热温度高溶入奥氏体的碳化物就多，水爆后硬度就高，加热温度低水爆后硬度不足；水爆时间以2～4s为宜。水爆时间越长，硬度越高。表2为W18、M2钢不同尺寸水爆时间同硬度的关系。

从表2可知，要想得到理想的硬度值，水爆时间不能超过4s。

图3 成形铲齿铣刀调质工艺（盐浴炉）

表2 高速钢有效厚度、水爆时间同硬度的关系

水爆后表面硬度HRC W18Cr4Vφ60×13.58455232.0 W18Cr4Vφ60×128505337.8 W18Cr4Vφ45×128455438.2 W18Cr4Vφ80×108505848.0 M2φ90×11.88525232.5 M2φ64×108455333.3 M2φ90×108505437.6钢号尺寸/mm加热温度/℃加热时间/min水爆时间/s M2φ60×108505542.5 M2φ100×108508848.0

沸水淬火节能环保，水温恒定在100℃，各处冷却速度相同，水爆后表面硬度一致；因为沸水的冷却速度比油还慢，所以不必担心淬裂；水爆后利用本身的余热自回火，无需再回火。与传统调质、低温退火工艺相比，沸水淬火很优越。

高速钢退火费时费电，不能随意，必须改革创新，工艺节能大有作为。

参考文献：

[1] 赵步青.纯水淬火及其应用[J].金属加工（热加工），2014（3）：35-36.

[2] 马柏生.高速钢的快速球化退火[J].金属热处理，1987（7）：57-59.

[3] 赵步青.改善高速钢铲削性能新工艺——沸水淬火[J].热加工工艺，1987（1）：42-42.

图4 高速钢爆水工艺（W18、M2）

作者简介：赵步青，安徽嘉龙锋钢刀具有限公司，高级工程师，已发表论文240多篇，出版热处理专著4部，协编图书两部。研究方向：工模具热处理工艺。