高速钢的热处理

高 高 速 速 钢 钢 的 的 热 热 处 处 理 理
Via 常 州 精 密 钢 管 博 客
高 速 钢 的 热 处 理
1 高 速 钢 的 退 火 处 理
由 于 高 速 钢 中 有 较 高 的 碳 含 量 和 大 量 的 合 金 元 素 ， 在 冶 金 厂 轧 制 或 锻 造 以 后 。 即 使 空 冷 的 情 况
下 ， 也 会 有 较 高 的 硬 度 ， 因 此 必 须 进 行 退 火 软 化 处 理 ， 达 到 标 准 规 定 的 硬 度 值 才 能 出 厂 。 工 具 制
造 者 有 时 要 对 高 速 钢 进 行 锻 造 成 型 或 为 改 善 碳 化 物 偏 析 而 进 行 锻 造 ， 有 时 用 热 轧 成 型 方 法 制 造 工
具 ， 有 时 需 要 对 淬 火 件 进 行 返 修 等 ， 这 都 需 要 对 高 速 钢 进 行 退 火 。
国 内 外 的 实 验 都 表 明 ， 高 速 钢 退 火 时 如 果 保 温 时 间 太 长 ， 会 显 著 降 低 工 具 的 使 用 寿 命 ， 因 此 ，
选 择 合 理 的 退 火 工 艺 规 范 非 常 重 要 。
常 用 高 速 钢 的 退 火 温 度 和 退 火 以 后 的 硬 度 见 表1 。
▼ 表1 高 速 钢 的 热 处 理 规 范 退 火 的 保 温 时 间 根 据 装 炉 量 等 情 况 有 所 不 同 ， 一 般 应 在3~4h 以 上 。 保 温 后 可 采 用10 ℃~20 ℃
的 速 度 冷 却 至600 ℃ 以 下 出 炉 。 也 可 以 采 用 冷 却 至740 ℃~760 ℃ ， 停 留4~5h ， 再 冷 至600 ℃ 以 下
出 炉 的 等 温 退 火 方 法 。
高 速 钢 还 有 一 种 高 温 退 火 方 法 可 以 大 大 缩 短 退 火 生 产 周 期 ， 提 高 退 火 质 量 。 高 温 退 火 的 加 热 温
度 是 由 普 通 退 火 的840 ℃~860 ℃ ， 提 高 到880 ℃~920 ℃ 。 普 通 退 火 方 法 在Ar1 点 以 下 保 温 ， 由 于
温 度 较 低 ， 虽 然 保 温 时 间 长 ， 但 高 速 钢 仍 然 不 能 进 行 充 分 结 晶 ， 钢 材 不 能 充 分 软 化 。 高 温 退 火 时
将 温 度 提 到 到Ar1 以 上 ， 相 变 可 以 瞬 间 完 成 ， 并 且 进 行 得 很 充 分 ， 实 现 了 完 全 再 结 晶 ， 因 此 钢 材 得
到 充 分 软 化 。
图1 为 高 温 退 火 工 艺 曲 线 与 普 通 退 火 工 艺 曲 线 的 比 较 。
▲ 图1 高 速 钢 普 通 退 火 与 高 温 退 火 工 艺 曲 线
a ） 高 速 钢 普 通 退 火 b ） 高 温 退 火 工 艺
由 图 可 见 ， 高 温 退 火 工 艺 的 保 温 时 间 大 大 缩 短 。 高 温 退 火 钢 材 的 硬 度 更 低 ， 切 削 性 能 更 好 ， 切
削 效 率 可 以 提 高20% ， 制 成 刀 具 的 切 削 寿 命 ， 比 普 通 退 火 的 高15%~20% 。
2 可 改 善 加 工 性 能 的 热 处 理 改 善 高 速 钢 的 可 加 工 性 和 表 面 粗 糙 度 ， 可 以 按 照 表2 推 荐 的 工 艺 对 高 速 钢 进 行 预 备 热 处 理 。 使
毛 坯 的 硬 度 达 到280~370HBW 。
▼ 表2 改 善 高 速 钢 可 加 工 性 的 预 备 热 处 理
表2 中 的 一 次 处 理 方 法 （ 工 艺 方 法 Ⅰ 、 Ⅱ ） 比 调 质 处 理 （ 工 艺 方 法 Ⅲ ） 的 效 果 更 好 。 采 用 此 方 法 处
理 的 高 速 钢 在 较 大 的 切 削 用 量 条 件 下 ， 加 工 的 表 面 粗 糙 度Ra 可 以 达 到1.6μm 。
一 次 处 理 的 方 法 加 热 温 度 较 低 ， 在 以 后 加 热 时 奥 氏 体 晶 粒 度 不 均 匀 长 大 的 倾 向 小 。 退 火 前 做 一
次720 ℃~760 ℃ 的 退 火 ， 可 以 避 免 晶 粒 不 均 匀 长 大 。
3 去 应 力
经 塑 性 变 形 加 工 方 法 制 成 的 毛 坯 以 及 冷 拉 、 冷 挤 压 的 各 种 原 材 料 或 毛 坯 ， 为 了 消 除 工 的 冷 作 硬
化 现 象 ， 采 用720 ℃~760 ℃ 的 低 温 退 火 方 法 。 对 于 形 状 复 杂 、 切 削 量 较 大 或 薄 片 状 工 具 。 为 了 减
少 淬 火 畸 变 或 产 生 淬 火 裂 纹 ， 常 用600 ℃~650 ℃ 的 高 温 回 火 消 除 应 力 。 为 了 消 除 磨 削 加 工 的 应
力 ， 可 在200 ℃~500 ℃ 温 度 下 回 火1~2h ， 粗 磨 后 可 在500 ℃ 的 温 度 下 消 除 应 力 ， 精 磨 后 在200 ℃
温 度 下 消 除 应 力 。
4 淬 火
说 明 ： 以 下 叙 述 的 高 速 钢 热 处 理 工 艺 主 要 适 用 于 盐 浴 炉 。
4.1 预 热
高 速 钢 导 热 性 差 ， 工 件 不 容 易 热 透 ， 淬 火 加 热 前 必 须 进 行 预 热 。 一 般 要 进 行 两 次 预 热 ， 工 艺 参
数 如 下 ：
低 温 预 热 ：450 ℃~500 ℃ ， 保 温1~1.5min/mm （ 空 气 炉 ） ；
600 ℃~650 ℃ ， 保 温0.8~1.0min/mm （ 盐 浴 炉 ） 。
中 温 预 热 ：800 ℃~850 ℃ ， 保 温0.4~1.0min/mm （ 盐 浴 炉 ） 。
尺 寸 不 大 ， 形 状 简 单 的 工 具 可 以 采 用 一 次 预 热 ， 对 于 大 多 数 工 具 来 说 ， 以 两 次 预 热 为 好 ， 这 有
利 于 减 少 淬 火 畸 变 和 开 裂 ， 而 且 第 一 次 预 热 可 以 烤 干 工 件 表 面 水 分 ， 不 会 产 生 溅 盐 现 象 ， 利 于 安
全 。
4.2 淬 火 加 热
4.2.1 加 热 温 度
高 速 钢 淬 火 加 热 温 度 的 选 择 ， 首 先 是 由 其 牌 号 成 分 决 定 的 ， 同 时 也 要 考 虑 工 具 的 种 类 和 规 格 ，
专 门 针 对 具 体 加 工 对 象 制 造 的 工 具 还 必 须 考 虑 到 被 加 工 材 料 的 可 加 工 性 和 切 削 规 范 等 使 用 条 件 。
各 种 高 速 钢 的 淬 火 加 热 温 度 如 表3 所 示 。
▼ 表3 几 种 低 合 金 高 速 钢 的 热 处 理 规 范
随 着 加 热 温 度 的 升 高 ， 碳 化 物 不 断 溶 入 高 速 钢 基 体 ， 高 速 钢 中 的 残 留 碳 化 物 数 量 不 断 减 少 。 图
2 显 示 了W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2 两 种 高 速 钢 在 淬 火 加 热 时 碳 化 物 数 量 逐 渐 减 少 的 情 况 。▲ 图2 高 速 钢 中 碳 化 物 数 量 与 淬 火 温 度 的 关 系
图2 中 ，W18Cr4V 碳 化 物 的 质 量 分 数 加 热 前 在25% 以 上 ， 加 热 到1300 ℃ 时 只 有15% 左
右 ，W6Mo5Cr4V2 高 速 钢 中 碳 化 物 质 量 分 数 淬 火 前 在20% 以 上 ， 加 热 到1300 ℃ 时 只 有10% 多 一
些 。
随 着 碳 化 物 的 不 断 溶 入 基 体 ， 基 体 中 的C 、W 、Mo 、Cr 、V 等 元 素 含 量 不 断 升 高 ， 这 有 利 于 提
高 淬 火 后 形 成 的 马 氏 体 的 耐 磨 性 和 热 硬 性 。 图3 为W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2 两 种 高 速 钢C 及W 、
Mo 、Cr 、V 含 量 随 淬 火 温 度 的 升 高 而 升 高 的 情 况 。
▲ 图3 高 速 钢 中 合 金 元 素 含 量 与 淬 火 温 度 的 关 系
其 中C 含 量 几 乎 随 淬 火 温 度 的 升 高 呈 直 线 上 升 。Cr 的 含 量 随 着 淬 火 温 度 的 升 高 而 增 加 ，1100 ℃ 以
上Cr 含 量 不 再 增 加 ， 说 明Cr 的 碳 化 物 几 乎 全 部 溶 入 了 基 体 。W 、Mo 、V 的 含 量 随 着 淬 火 加 热 温 度
的 升 高 而 不 断 上 升 ， 直 到1300 ℃ 还 在 增 加 ， 说 明 此 时 这 些 碳 化 物 只 是 部 分 溶 入 奥 氏 体 ， 尚 未 完 全
溶 解 。
4.2.2 淬 火 加 热 时 间
高 速 钢 的 淬 火 加 热 时 间 通 常 以 工 件 的 有 效 厚 度 乘 以 加 热 系 数 来 计 算 ， 有 效 厚 度 参 照 表4 。
▼ 表4 有 效 厚 度 的 计 算 方 法 和 淬 火 加 热 系 数 高 速 钢 在 盐 浴 中 的 加 热 系 数 与 淬 火 加 热 温 度 有 关 ，1150 ℃~1240 ℃ 加 热 可 选10~20s/mm 。 工
件 种 类 、 规 格 不 同 ， 加 热 系 数 也 应 做 适 当 调 整 。
加 热 系 数 只 是 作 为 单 件 加 热 时 间 的 计 算 依 据 ， 在 实 际 生 产 中 装 炉 量 大 的 时 候 ， 必 须 考 虑 加 热 炉
的 类 型 、 结 构 、 功 率 、 升 温 速 度 、 零 件 的 装 卡 方 式 、 装 炉 量 大 小 和 预 热 情 况 等 等 因 素 来 最 终 确 定
加 热 时 间 。
高 速 钢 淬 火 加 热 时 要 达 到 比 较 高 的 奥 氏 体 化 程 度 ， 淬 火 加 热 温 度 和 保 温 时 间 都 很 重 要 ， 只 是 淬
火 温 度 的 作 用 相 对 大 一 些 。 对 两 者 作 用 进 行 综 合 考 虑 ， 可 以 用 淬 火 参 量 公 式 表 达 。
P=t （37+logτ ）
式 中 P—— 淬 火 参 量
t—— 淬 火 加 热 温 度
τ—— 淬 火 加 热 时 间
公 式 中 淬 火 参 量P ， 代 表 了 淬 火 加 热 温 度 和 加 热 时 间 的 综 合 作 用 。 在 淬 火 过 程 中 ， 无 论 淬 火 加
热 温 度 和 保 温 时 间 怎 样 变 化 ， 只 要 两 者 的 作 用 结 果 和 淬 火 参 量 相 同 ， 那 么 奥 氏 体 化 的 程 度 就 是 相
同 的 。 图4 表 示 淬 火 参 量 、 碳 化 物 量 和 残 留 奥 氏 体 量 的 关 系 。
▲ 图4 淬 火 参 量 与 碳 化 物 量 和 留 奥 氏 体 量 的 关 系
4.3 冷 却 高 速 钢 的 淬 火 冷 却 ， 从 确 保 在 冷 却 过 程 中 碳 化 物 不 从 奥 氏 体 中 析 出 、 保 证 最 好 的 合 金 化 程 度 的
角 度 来 说 ， 应 该 是 冷 却 速 度 越 快 越 好 ； 但 从 避 免 零 件 开 裂 和 减 少 畸 变 防 止 开 裂 的 角 度 上 说 ， 冷 却
速 度 越 慢 越 好 。 这 两 者 相 互 矛 盾 ， 在 实 际 生 产 中 ， 是 通 过 保 证 淬 火 硬 度 的 前 提 下 尽 量 缓 慢 冷 却 ，
以 免 产 生 废 品 来 掌 握 的 。
高 速 钢 在 从 高 温 炉 中 出 来 后 ， 在 浸 入 淬 火 介 质 之 前 即 使 在 高 温 短 时 间 的 停 留 都 会 有 碳 化 物 析
出 。 这 种 碳 化 物 的 析 出 过 程 ， 通 过 高 倍 电 子 显 微 镜 可 以 清 晰 地 观 察 到 。
图5 显 示 了M7 高 速 钢 在1190 ℃ 奥 氏 体 化 后 ， 冷 却 时 中 间 停 留 对 碳 化 物 析 出 的 影 响 。
▲ 图5 高 温 停 留 有 碳 化 物 析 出
a ） 从 奥 氏 体 化 温 度 直 接 水 冷 （ 无 碳 化 物 ）12600X
b ） 在890 ℃ 停 留30s 后 水 冷 （ 有 碳 化 物 ）12600X
图5 a ） 是 中 间 没 有 停 留 ， 奥 氏 体 化 后 直 接 水 冷 ， 可 以 看 到 没 有 析 出 物 ， 晶 界 很 清 晰 。 图5 b ）
是 从1190 ℃ 冷 却 到980 ℃ ， 停 留 了30s ， 可 以 看 到 晶 界 及 基 体 内 都 明 显 的 有 小 颗 粒 状 碳 化 物 析
出 。
从 高 速 钢 制 工 具 的 使 用 寿 命 角 度 看 ， 高 速 钢 淬 火 冷 却 时 最 好 是 出 炉 立 即 浸 入 冷 却 介 质 ， 中 间 停
留 会 引 起 碳 化 物 析 出 ， 从 而 损 害 耐 磨 性 和 热 硬 性 。
关 于 高 速 钢 淬 火 的 冷 却 方 法 ， 早 期 较 普 遍 的 做 法 是 采 用 油 冷 淬 火 ， 现 在 已 较 少 采 用 。 目 前 国 内
多 采 用600 ℃ 左 右 的 分 级 冷 却 。 俄 罗 斯 曾 实 验 提 高 分 级 温 度 到680 ℃ ， 以 利 减 少 淬 火 畸 变 。 欧 美 国
家 采 用550 ℃ 的 分 级 温 度 。 从 工 具 使 用 寿 命 角 度 来 说 ， 应 该 是 分 级 温 度 越 低 ， 寿 命 越 高 。
从 减 少 淬 火 畸 变 和 防 止 开 裂 的 角 度 来 说 ， 等 温 淬 火 更 为 有 利 。 要 进 行 等 温 淬 火 的 高 速 钢 工 件 ，
应 先 在 分 级 盐 浴 中 冷 却 ， 然 后 再 到 贝 氏 体 区 域 做 等 温 停 留 。 通 常 是 在240 ℃~260 ℃ 等 温
60~240min 。 表5 列 出 了 等 温 时 间 对W18Cr4V 高 速 钢 组 织 和 硬 度 的 影 响 。
▼ 表5 等 温 时 间 对 高 速 钢 组 织 和 硬 度 的 影 响 由 表5 可 以 看 出 ，W18Cr4V 高 速 钢 从 淬 火 加 热 的 奥 氏 体 状 态 在260 ℃ 停 留60min 以 上 ， 可 以 形
成 大 量 贝 氏 体 。 随 着 停 留 时 间 延 长 ， 贝 氏 体 量 增 加 ， 马 氏 体 量 减 少 ， 残 留 奥 氏 体 含 量 也 增 加 。 大
量 贝 氏 体 形 成 可 以 显 著 提 高 钢 的 韧 性 ， 但 刚 的 硬 度 有 所 下 降 。
5 回 火
高 速 钢 的 回 火 应 达 到 以 下 三 大 目 的 ：
1 ） 最 佳 的 二 次 硬 化 物 析 出 的 硬 化 效 应 。
2 ） 残 留 奥 氏 体 充 分 分 解 。
3 ） 彻 底 消 除 残 留 应 力 。
普 通 高 速 钢 的 回 火 硬 化 峰 值560 ℃ 左 右 ， 所 以 高 速 钢 的 回 火 温 度 通 常 选 择560 ℃ 。 回 火 硬 度 峰
值 的 位 置 与 回 火 的 保 温 时 间 有 一 定 关 系 。 图6 为 回 火 保 温 时 间 从0.5h 增 加 到100h ， 回 火 硬 度 峰 值 的
变 化 情 况 。
▲ 图5 高 速 钢 回 火 温 度 和 回 火 时 间 与 硬 度 之 间 的 关 系
回 火 温 度 与 回 火 保 温 时 间 的 关 系 可 以 用 回 火 参 量 来 说 明 。 其 表 达 公 式 如 下 ：
P= （20+logτ ）
式 中 P—— 回 火 参 量
t—— 回 火 温 度
τ—— 回 火 时 间
尽 管 回 火 温 度 、 回 火 保 温 时 间 可 以 不 同 ， 但 只 要 回 火 参 量 相 同 ， 回 火 效 果 就 是 相 同 的 。
形 状 简 单 的 一 般 高 速 钢 工 件 可 以 采 用 两 次 回 火 ， 形 状 复 杂 的 大 型 工 件 需 要 三 次 甚 至 四 次 回 火 。
贝 氏 体 等 温 淬 火 高 速 钢 由 于 淬 火 后 残 留 奥 氏 体 量 较 多 ， 可 以 适 当 增 加 回 火 次 数 。
低 、 高 温 回 火 法 ， 先 在320 ℃~380 ℃ 回 火 一 次 ， 然 后 在560 ℃ 回 火 两 次 ， 可 以 使W18Cr4V 和
W6Mo5Cr4V2 高 速 钢 的 硬 度 增 加0.5~2HRC ， 冲 击 韧 度 提 高20%~50% ， 刀 具 的 切 削 寿 命 提 高
40% 。 这 是 由 于 低 温 回 火 时 有 渗 碳 体 型 碳 化 物 析 出 ， 促 进 了560 ℃ 高 温 回 火 时M2C 型 碳 化 物 大 量
析 出 ， 减 少 了 碳 化 物 沿 晶 界 析 出 的 缘 故 。 同 时 低 温 回 火 时 也 有 部 分 残 留 奥 氏 体 转 变 成 了 贝 氏 体 。低 、 高 温 回 火 的 高 速 钢 比 普 通 回 火 的 高 速 钢 有 较 高 的 韧 性 。
在 单 件 加 热 或 自 动 线 上 回 火 时 ， 可 采 用580 ℃X20min 或600 ℃X10min 的 高 温 快 速 回 火 法 。
为 了 防 止 回 火 过 程 中 奥 氏 体 陈 化 稳 定 ， 回 火 后 以 应 快 冷 却 至 室 温 。 形 状 复 杂 的 工 件 第 一 次 回 火
必 须 缓 慢 加 热 ， 可 在400 ℃ 进 行 一 次 预 热 均 温 ， 或 在500 ℃ 以 下 温 度 入 炉 ， 再 缓 慢 升 温 至 回 火 温
度 ， 冷 却 时 也 应 缓 慢 ， 也 可 以 置 于 铁, 桶 冷 却 ， 以 防 开 裂 。
6 高 速 钢 的 同 步 热 处 理
同 步 热 处 理 是 指 高 速 钢 工 件 在 盐 浴 热 处 理 时 ， 实 行 淬 火 加 热 、 冷 却 、 回 火 各 工 序 采 用 同 样 的 时
间 ， 即 以 同 一 节 拍 进 行 生 产 。 它 可 以 实 现 热 处 理 的 全 过 程 自 动 化 。 大 大 缩 短 生 产 周 期 ， 同 时 也 保
证 了 产 品 质 量 的 一 致 性 和 稳 定 性 。 生 产 实 践 证 明 ， 自 动 化 生 产 的 高 速 钢 工 具 ， 比 普 通 热 处 理 工 具
的 切 削 寿 命 可 以 提 高20%~40% 。
实 现 同 步 热 处 理 的 关 键 是 正 确 选 择 回 火 温 度 和 保 温 时 间 ， 以 便 和 淬 火 加 热 的 保 温 时 间 相 匹 配 ，
实 现 同 节 拍 生 产 。 图6 提 供 了W6Mo5Cr4V2 和W6Mo5Cr4V2Co5 高 速 钢 的 高 温 回 火 温 度 与 保 温 时
间 的 关 系 ， 可 以 用 于 选 择 回 火 规 范 时 参 考 。
▲ 图6 高 速 钢 高 温 回 火 温 度 与 保 温 时 间 的 关 系
a ）W6Mo5Cr4V2 （1200 ℃ 加 热 淬 火 ）
b ）W6Mo5Cr4V2Co5 （1235 ℃ 加 热 淬 火 ）
图6 中 ， 在 Ⅰ 区 内 任 何 一 点 的 回 火 温 度 与 回 火 时 间 搭 配 组 成 的 回 火 规 范 ， 均 可 使 高 速 钢 达 到 正 常
回 火 的 目 的 。 在 Ⅱ 区 内 选 择 的 回 火 规 范 会 造 成 过 度 回 火 ， 在 Ⅲ 区 内 选 择 的 回 火 规 范 会 造 成 回 火 不
足 。
7 高 温 盐 浴 热 处 理 表 面 脱 碳 的 检 查 和 温 度 控 制
7.1 盐 浴 加 热 表 面 脱 碳 的 检 测
高 速 钢 工 具 在 高 温 盐 浴 炉 中 加 热 ， 虽 然 有 对 盐 浴 定 期 进 行 脱 氧 的 工 艺 ， 但 由 于 加 热 温 度 高 ， 脱
氧 过 的 盐 浴 加 热 工 件 ， 其 表 面 也 不 可 避 免 地 要 产 生 脱 碳 现 象 ， 因 此 将 影 响 高 速 钢 工 具 的 淬 火 质
量 。
国 外 很 多 国 家 采 用 钢 箔 法 测 量 高 温 盐 浴 的 脱 碳 倾 向 ， 这 比 测 量 盐 浴 中 氧 化 钡 的 含 量 能 更 直 接 地
反 映 出 工 具 表 面 的 脱 碳 情 况 。 具 体 的 方 法 是 ： 用0.1mm 厚 、 尺 寸 为70mm×20mm 的 含 碳 为1.0% 的
高 碳 钢 箔 ， 在 盐 浴 的 使 用 温 度 下 加 热8min ， 然 后 水 冷 。 根 据 钢 箔 的 脱 碳 情 况 可 以 判 断 盐 浴 的 脱 碳
倾 向 。
用 这 种 方 法 判 断 钢 箔 的 脱 碳 情 况 有 以 下 三 种 做 法 ：
(1) 弯 曲 法 。
对 加 热 并 水 冷 的 钢 箔 进 行 弯 曲 ， 根 据 钢 箔 的 弯 曲 程 度 ， 可 以 判 断 盐 浴 的 脱 碳 倾 向 。 根 据 经 验 并
结 合 化 验 分 析 ， 可 以 确 定 某 个 弯 曲 度 以 上 为 合 格 标 准 。 (2) 定 碳 法 。
化 验 经 高 温 盐 浴 加 热 并 水 冷 的 钢 箔 的 碳 含 量 ， 如 果 含 碳 量 在0.96% 以 上 ，
即 可 确 定 盐 浴 状 态 良 好 。
(3) 仪 器 法 。
由 于 钢 的 碳 含 量 不 同 ， 其 热 电 势 的 高 低 也 不 同 ， 因 此 可 以 利 用 测 量 钢 箔 表 面 热 电 势 的 方 法 来 显
示 钢 的 表 面 碳 含 量 的 高 低 。 国 外 已 有 专 门 的 仪 器—— 交 流 器 ， 来 测 量 钢 箔 的 脱 碳 情 况 。
图7 是 这 种 仪 器 的 原 理 示 意 图 ， 主 要 是 利 用 两 个 热 电 对2 和3 ， 一 个 是 被 加 热 的 电 极 ， 另 一 个 是
冷 的 电 极 ， 两 个 电 极 之 间 由 于 温 差 产 生 热 电 势 ， 并 且 这 个 电 势 随 钢 箔 表 面 的 含 碳 量 不 同 而 有 规 律
地 变 化 。
▲ 图7 交 流 器 示 意 图
1- 机 壳 2 、3- 被 加 热 的 、 冷 的 热 电 对
4- 被 测 钢 箔 5- 夹 持 压 紧 器 6- 夹 持 压 紧 器 外 壳
7- 交 流 器 的 连 接 线 和 补 偿 接 头
由 于 盐 浴 的 脱 碳 情 况 不 同 ， 因 而 钢 箔 的 碳 含 量 不 同 ， 所 以 在 两 个 电 极 之 间 产 生 的 热 电 势 不 同 ，
由 此 可 以 检 测 出 试 样 的 脱 碳 情 况 。 由 于 事 先 测 量 了 不 同 的 碳 含 量 钢 箔 的 热 电 势 ， 因 此 很 容 易 测 出
钢 箔 的 脱 碳 情 况 。
7.2 高 温 盐 浴 的 温 度 控 制
高 温 盐 浴 的 温 度 控 制 一 直 是 个 难 题 ， 其 难 点 在 于 ， 在1200 ℃~1300 ℃ 的 高 温 下 ， 由 于 没 有 合
适 的 耐 高 温 材 料 作 保 护 管 ， 无 法 直 接 用 热 电 偶 作 为 感 温 元 件 。 长 期 以 来 一 直 采 用 辐 射 高 温 计 作 为
感 温 元 件 。
采 用 辐 射 高 温 计 作 为 感 温 元 件 的 最 大 缺 点 是 由 于 辐 射 高 温 计 固 定 在 盐 浴 炉 的 上 方 ， 高 温 盐 浴 表
面 有 大 量 的 烟 雾 ， 影 响 测 量 结 果 的 稳 定 性 和 准 确 性 ； 且 辐 射 高 温 计 测 量 的 只 是 盐 浴 表 面 温 度 ， 这
与 盐 浴 内 部 加 热 的 工 件 的 实 际 温 度 有 一 定 的 差 值 。
有 一 种 插 入 式 辐 射 高 温 计 可 以 克 服 上 述 缺 点 。 其 结 构 如 图8 所 示 。▲ 图8 插 入 式 辐 射 高 温 计 示 意 图
（1in 即1 英 寸=25.4mm ）
它 是 在 辐 射 高 温 计 的 下 面 ， 接 一 个 封 闭 的 延 长 管 ， 并 把 延 长 管 插 入 盐 浴 内 部 。 在 工 作 时 ， 向 管 内
通 压 缩 空 气 ， 还 可 以 吹 走 管 顶 端 的 烟 雾 。 这 样 就 测 到 了 盐 浴 内 部 的 温 度 ， 并 克 服 了 烟 雾 对 测 量 准
确 性 的 影 响 。
制 作 插 入 式 辐 射 高 温 计 的 关 键 ， 是 插 入 盐 浴 内 部 的 那 一 段 管 子 的 材 料 ， 它 既 要 耐 高 温 ， 又 要 耐
急 冷 急 热 。 一 种 称 为 硅 线 石 的 陶 瓷 材 料 具 有 这 种 耐 高 温 又 耐 急 冷 急 热 的 性 能 ， 插 入 式 辐 射 高 温 计
顶 端 的 接 管 ， 就 是 用 这 种 材 料 制 造 的 。
随 着 对 耐 高 温 材 料 的 开 发 ， 已 经 可 以 制 造 耐 高 温 的 热 电 偶 保 护 管 ， 可 以 用 高 温 热 电 偶 直 接 插 入
盐 浴 炉 进 行 测 温 、 控 温 ， 因 而 可 以 更 稳 定 、 更 精 确 地 控 制 高 温 盐 浴 炉 的 温 度 。 虽 然 国 内 外 都 已 经
有 关 于 在 盐 浴 中 试 验 和 使 用 高 温 热 电 偶 的 报 道 ， 但 是 ， 热 电 偶 套 管 的 寿 命 是 这 项 技 术 能 否 普 遍 应
用 的 关 键 。
8 高 速 钢 工 具 的 真 空 热 处 理 高 速 钢 工 具 在 真 空 炉 中 进 行 热 处 理 ， 畸 变 小 ， 表 面 光 洁 ， 无 氧 化 脱 碳 ， 车 间 工 作 环 境 好 ， 采 用
微 机 控 制 可 以 减 少 手 工 操 作 ， 工 艺 重 复 性 好 。 工 件 在 真 空 炉 中 加 热 ， 只 能 靠 辐 射 传 热 ， 加 热 速 度
比 盐 浴 炉 慢 得 多 ， 必 须 采 用 多 段 预 热 ， 长 时 间 保 温 。 可 采 用3~4 段 预 热 ，4 段 预 热 的 温 度 可 以 采 用
700°C 、800°C 、1050 ℃ 、1150 ℃ 。 加 热 系 数 可 以 延 长 到40~60s/mm 。 在 装 炉 量 不 太 大 时 ， 可 以
采 用 接 近 或 稍 低 于 盐 浴 炉 加 热 的 淬 火 加 热 温 度 。 例 如W6Mo5Cr4V2 高 速 钢 可 以 采 用1200-
1220°C 。 在 装 炉 量 较 大 时 ， 应 注 意 炉 子 中 心 部 位 的 工 件 被 遮 挡 ， 形 成“ 阴 影” ， 造 成 较 大 的 温 差 ，
因 此 应 当 适 当 地 延 长 淬 火 加 热 的 保 温 时 间 。
高 速 钢 工 具 在 真 空 炉 加 热 淬 火 ， 现 在 大 都 采 用 高 纯 氮 气 冷 却 （ 纯 度99.999% ） 。 采 用 氮 气 冷 却
随 着 使 用 压 力 的 加 大 ， 冷 却 能 力 也 增 加 。 采 用 常 压 气 体 冷 却 时 ， 冷 却 速 度 很 小 ， 只 适 用 于 很 小 尺
寸 或 对 硬 度 要 求 不 高 的 零 件 。 常 压 气 淬 工 具 畸 变 小 ， 有 碳 化 物 自 基 体 中 析 出 ， 因 此 硬 度 和 热 硬 性
显 著 下 降 。 图9 表 示 出 了 冷 却 方 式 对 高 速 钢 热 硬 性 的 影 响 。
▲ 图9 冷 却 方 式 对 高 速 钢 热 硬 性 的 影 响 采 用0.2MPa 的 压 力 进 行 真 空 淬 火 时 ， 高 速 钢 零 件 尺 寸 不 能 太 大 ， 否 则 也 会 产 生 硬 度 和 热 硬 性
下 降 的 现 象 。 采 用0.5PMa 压 力 淬 火 时 ， 高 速 钢 工 具 尺 寸 可 以 达 到100mm ， 接 近 盐 浴 分 级 淬 火 的 冷
却 能 力 。 也 有 的 真 空 炉 不 增 加 或 少 增 加 冷 却 氮 气 的 压 力 ， 而 是 加 大 气 体 流 量 ， 这 样 也 可 以 达 到 理
想 的 冷 却 效 果 。
高 速 钢 工 模 具 在 真 空 炉 中 淬 火 时 ， 容 易 产 生 混 晶 现 象 ， 即 晶 粒 尺 寸 大 小 相 差 悬 殊 。 有 时 也 会 因
为 冷 却 不 足 而 产 生 碳 化 物 析 出 现 象 。 工 件 表 面 合 金 元 素 脱 离 现 象 也 是 真 理 淬 火 容 易 产 生 的 表 面 缺
陷 。
9 粉 末 高 速 钢 的 热 处 理
9.1 粉 末 高 速 钢 的 特 性
粉 末 高 速 钢 采 用 熔 融 的 钢 液 高 压 雾 化 制 粉 。 经 过 筛 选 、 装 罐 压 实 、 抽 真 空 密 封 和 热 等 静 压 等 工
序 制 成 钢 锭 ， 再 经 过 锻 造 、 轧 制 而 成 为 粉 末 冶 金 钢 材 。
粉 末 冶 金 钢 因 为 是 由 非 常 细 小 的 的 颗 粒 压 制 而 成 ， 它 的 碳 化 物 颗 粒 均 匀 细 小 ， 因 此 它 克 服 了 冶
金 高 速 钢 碳 化 物 偏 析 带 来 的 一 系 列 缺 点 ， 并 诞 生 了 冶 炼 法 不 可 能 制 造 的 新 成 分 高 速 钢 。 下 面 叙 述
粉 末 高 速 钢 的 一 些 特 点 。
9.1.1 改 善 了 材 料 的 力 学 性 能
与 冶 金 法 制 造 的 普 通 高 速 钢 相 比 ， 粉 末 冶 金 法 制 造 的 高 速 钢 力 学 性 能 大 幅 度 提 高 。 粉 末 冶 金 法
制 造 的M2 （W18Cr4V ） 高 速 钢 力 学 性 能 ， 比 普 通M2 高 速 钢 的 韧 性 提 高20% 。 表6 为 普 通M42 、
T15 和CPMM4 高 速 钢 ， 在 相 近 的 化 学 成 分 和 热 处 理 硬 度 条 件 下 ， 力 学 性 能 的 比 较 情 况 。
▼ 表6 部 分 粉 末 冶 金 高 速 钢 的 力 学 性 能
粉 末 高 速 钢 热 处 理 后 的 硬 度 更 均 匀 ， 组 织 也 更 均 匀 ， 工 具 不 会 因 为 碳 化 物 堆 积 或 存 在 大 块 碳 化
物 而 产 生 刀 尖 崩 刃 现 象 。
9.1.2 改 善 了 材 料 的 工 艺 性 能
首 先 是 改 善 材 料 的 可 磨 削 性 ， 对 大 部 分 粉 末 高 速 钢 来 说 ， 可 以 比 普 通 高 速 钢 成 倍 地 提 高 可 磨 削
性 。 由 表6 可 见 ，CPMM42 、CPMT15 、CPMM4 三 个 牌 号 粉 末 冶 金 高 速 钢 的 磨 削 比 ， 分 别 比 普 通高 速 钢 的 磨 削 比 提 高2.8 、3.7 、2.5 倍 。
普 通 高 速 钢 的 含V 量 大 于3% 时 就 已 经 不 易 磨 削 ， 大 于5% 就 几 乎 不 能 磨 削 了 。 但 粉 末 高 速 钢
T15 的 含V 量 为5% ， 仍 然 有 较 好 的 可 磨 削 性 。 有 的 粉 末 高 速 钢 含V 为9% 依 然 可 以 磨 削 。
粉 末 高 速 钢 还 克 服 了 普 通 高 速 钢 的 锻 造 困 难 、 热 处 理 易 过 热 、 开 裂 、 畸 变 等 缺 点 。
9.1.3 可 制 造 出 合 金 元 素 含 量 更 高 的 新 牌 号 高 速 钢
由 于 不 再 担 心 碳 化 物 的 偏 析 问 题 和 磨 削 及 锻 造 等 工 艺 问 题 ， 粉 末 高 速 钢 的 成 分 有 巨 大 突 破 。 首
先 是 提 高 了 钢 的 含V 量 ， 几 乎 所 有 的 粉 末 高 速 钢 的 含V 量 都 大 于3% ， 有 的 含V 高 达9.8% 。 同 时 还 提
高 了 刚 的 含 碳 量 ， 几 乎 所 有 的 粉 末 高 速 钢 都 是 高 碳 高 速 钢 ， 含 碳 量 均 ＞1.2% ， 有 的 高 达2% 。
粉 末 高 速 钢 的 价 格 比 普 通 高 速 钢 昂 贵 ， 一 般 只 有 对 特 殊 要 求 的 齿 轮 刀 具 和 难 加 工 材 料 刀 具 才 予
以 采 用 。
9.2 粉 末 高 速 钢 的 牌 号 和 成 分
目 前 粉 末 高 速 钢 的 生 产 厂 家 主 要 在 瑞 典 、 美 国 、 日 本 、 奥 地 利 等 国 。 其 生 产 的 粉 末 高 速 钢 牌 号
和 化 学 成 分 如 表7 所 示 。
▼ 表7 粉 末 高 速 钢 的 牌 号 和 化 学 成 分
9.3 粉 末 高 速 钢 的 热 处 理
各 国 高 速 钢 根 据 牌 号 和 化 学 成 分 不 同 都 有 其 相 应 的 热 处 理 规 范 。 以 下 为 一 些 热 处 理 工 艺 参 数 举
例 。
9.3.1 退 火
瑞 典 对 其 四 种 牌 号 和 化 学 成 分 的 粉 末 高 速 钢 推 荐 的 退 火 规 范 为 ：850 ℃~900 ℃ 保 温 后 ， 以
≤10 ℃/h 冷 却 速 度 ， 缓 冷 至700 ℃ 出 炉 。
9.3.2 淬 火 从 热 处 理 基 本 原 理 来 说 ， 粉 末 高 速 钢 与 普 通 高 速 钢 的 热 处 理 应 该 是 相 同 的 ， 其 差 别 在 于 粉 末 高
速 钢 的 碳 化 物 颗 粒 均 匀 细 小 ， 更 容 易 溶 入 基 体 ， 因 此 相 同 化 学 成 分 的 粉 末 高 速 钢 可 以 可 以 选 择 比
普 通 高 速 钢 低 的 淬 火 温 度 ， 一 般 可 以 降 低5 ℃~8 ℃ 。 同 样 ， 由 于 粉 末 高 速 钢 的 奥 氏 体 更 容 易 均 匀
化 ， 可 以 采 用 较 短 的 保 温 时 间 ， 一 般 可 以 比 普 通 高 速 钢 的 保 温 时 间 缩 短1/3 。
各 国 粉 末 高 速 钢 根 据 牌 号 不 同 ， 其 热 处 理 规 范 也 不 同 。 瑞 典 的 四 种 牌 号 粉 末 高 速 钢 的 淬 火 温 度
均 设 为1160 ℃~1180 ℃ 。 美 国 粉 末 高 速 钢CPM Rex42 的 淬 火 温 度 采 用1230 ℃ ，CPM Rex20 采 用
1190 ℃ 。 奥 地 利 的 粉 末 高 速 钢S390PM 淬 火 温 度 采 用1150 ℃~1240 ℃ 。 日 本 的 几 种 牌 号 高 速 钢 的
热 处 理 规 范 见 表8 。
▼ 表8 日 本 粉 末 高 速 钢 的 热 处 理 规 范
9.3.3 回 火
由 于 粉 末 高 速 钢 的 碳 化 物 均 匀 细 小 ， 奥 氏 体 化 更 充 分 回 火 二 次 硬 化 更 充 分 ， 所 以 同 样 的 回 火 规
范 回 火 效 果 更 好 。 粉 末 高 速 钢 的 回 火 温 度 和 保 温 时 间 与 普 通 高 速 钢 大 致 相 同 。 一 般 采 用 两 次 或 三
次 回 火 。 但 也 有 的 牌 号 粉 末 高 速 钢 回 火 温 度 有 所 调 整 。 例 如 ， 奥 地 利 的S390PM 粉 末 高 速 钢 回 火
温 度 为500 ℃ 。
10 高 速 钢 的 深 冷 处 理
高 速 钢 一 般 使 用 液 氮 做 深 冷 处 理 。 其 流 程 如 图10 所 示 。▲ 图10 液 氮 深 冷 处 理 箱 示 意 图
在 深 冷 处 理 箱 中 通 常 采 用 较 长 的 保 温 时 间 ， 其 程 序 为 ： 缓 冷 到-193.9 ℃ ， 保 温10~40h ， 然 后
再 升 温 到50 ℃ ， 最 后 缓 冷 到 室 温 。 工 艺 过 程 由 工 控 机 控 制 自 动 完 成 。
采 用 液 氮 深 冷 的 工 具 如 钻 头 、 车 刀 、 锉 刀 、 丝 锥 、 拉 刀 、 齿 轮 滚 刀 等 刀 具 比 没 经 过 深 冷 的 寿 命
提 高2~4 倍 ， 高 者 可 达5 倍 。 详 见 表9 。
▼ 表9 高 速 钢 深 冷 处 理 效 果 比 较
11 高 速 钢 刀 具 的 表 面 强 化
高 速 钢 刀 具 的 表 面 强 化 方 法 很 多 ， 蒸 汽 处 理 和 氧 氮 共 渗 是 目 前 国 内 在 商 品 钻 头 上 应 用 最 多 的 处
理 方 法 。QPQ 技 术 在 国 外 应 用 较 多 ， 效 果 也 很 好 。 它 适 用 于 大 量 廉 价 的 通 用 刀 具 。PVD 氮 化 钛 涂
层 是 强 化 效 果 最 好 的 方 法 ， 价 格 较 贵 ， 适 用 于 精 密 贵 重 刀 具 。 液 体 硫 氮 共 渗 、 点 解 强 化 、 电 火 花
强 化 、 超 声 波 强 化 、 镀 硬 铬 等 方 法 对 自 用 刀 具 也 有 较 好 的 强 化 效 果 。 激 光 表 面 强 化 和 离 子 注 入 等
新 技 术 也 正 在 一 起 关 注 。
11.1 蒸 汽 处 理
蒸 汽 处 理 是 很 老 但 很 实 用 的 方 法 ， 至 今 在 国 内 外 在 高 速 钢 钻 头 等 工 具 上 依 然 普 遍 应 用 。 蒸 汽 处
理 是 将 工 件 在 过 热 的 蒸 汽 中 加 热 ， 表 面 形 成1~5μm 厚 的 致 密Fe3O4 氧 化 膜 。 氧 化 膜 不 仅 使 工 件 有了 漂 亮 的 外 观 ， 增 加 了 工 件 表 面 的 防 锈 能 力 ， 它 还 能 储 存 切 削 液 ， 减 少 摩 擦 ， 从 而 延 长 工 具 使 用
寿 命 。
蒸 汽 处 理 温 度 为540 ℃~560 ℃ ， 保 温 时 间60~90min 。 进 气 压 力0.04MPa-0.05MPa 。 正 常 处 理
时 炉 膛 压 力0.03~0.05MPa 。 处 理 次 数 为 一 次 或 两 次 。 工 件 的 预 清 理 可 以 采 用 化 学 脱 脂 法 ， 或 采 用
三 氯 乙 烯 气 相 脱 脂 。 氧 化 膜 的 检 验 方 法 是 用 质 量 分 数 为10% 的CuSO3 溶 液 浸 蚀 ，10min 内 工 件 表
面 不 析 出 铜 为 合 格 。
11.2 氧 氮 化 （ 氧 氮 共 渗 ）
氧 氮 化 处 理 是 目 前 国 内 在 高 速 钢 直 柄 钻 头 上 应 用 最 多 的 表 面 强 化 方 法 。 它 是 在 含 氮 和 含 氧 的 气
氛 中 做 氧 氮 共 渗 ， 渗 层 内 部 是 氮 的 扩 散 层 ， 外 层 为 氧 化 膜 。 渗 氮 层 有 较 高 的 耐 磨 性 ， 氧 化 膜 起 防
锈 作 用 ， 对 提 高 切 削 性 能 也 有 一 定 好 处 。 机 标JB3192 对 氧 氮 化 的 质 量 和 检 验 方 法 作 了 规 定 。 高 速
钢 直 柄 钻 头 氧 氮 化 层 的 深 度 应 为15~45μm 表 面 硬 度 为900~1150HV ， 氧 化 膜 的 厚 度 为1~5μm 。 氧
氮 化 处 理 可 以 使 直 柄 钻 头 的 寿 命 提 高50%~100% 。
氧 氮 化 处 理 根 据 使 用 原 料 不 同 分 为 很 多 种 ， 目 前 国 内 应 用 较 多 的 是 氨 水 或 者 氨 气 和 水 蒸 气 混 合
法 。
11.2.1 氨 水 汽 化 法
以 质 量 分 数25% 的 氨 水 滴 入 渗 氮 炉 中 分 解 。 工 件 约350 ℃ 入 炉 ， 以45kw 的 井 式 炉 为 例 ， 滴 入 量
为140~160 滴/min ， 排 气30min ， 升 温 到540 ℃~560 ℃ ， 滴 量 加 大 到200 滴/min ， 保 温
90~120min 。 出 炉 后 空 冷 、 浸 油 。 这 种 方 法 设 备 投 资 少 ， 但 氨 水 的 浓 度 不 稳 定 ， 会 引 起 渗 层 质 量
的 波 动 。11.2.2 氨 水+ 水 蒸 气 混 合 法
这 种 方 法 是 ， 由 液 氨 汽 化 和 锅 炉 水 蒸 气 混 合 后 ， 通 过 加 热 的 炉 子 使 混 合 气 的 温 度 升 到250 ℃ 以
上 ， 然 后 再 通 入 氧 氮 共 渗 炉 中 。 通 过 控 制 水 氨 气 和 水 蒸 气 的 比 例 ， 可 以 控 制 深 层 中 的 氮 浓 度 。 通
常 氨 水 和 水 蒸 气 的 比 例 为1:1 ， 氧 氮 共 渗 的 温 度 为540-560 ℃ ， 保 温 时 间 根 据 装 炉 量 的 不 同 通 常 为
1.5-3h 。 该 法 的 优 点 是 可 以 较 大 范 围 内 调 节 氮 的 浓 度 ， 缺 点 是 质 量 不 容 易 控 制 稳 定 ， 管 道 设 备 较
复 杂 ， 设 备 投 资 较 大 。
11.3 QPQ 处 理
QPQ 处 理 是 在 盐 浴 氮 碳 共 渗 基 础 上 开 发 的 兼 有 耐 磨 和 抗 蚀 双 重 作 用 的 表 面 强 化 技 术 。 由 于
QPQ 处 理 渗 层 中 的 氮 的 浓 度 更 高 ， 它 比 一 般 的 氮 碳 共 渗 和 氧 氮 化 处 理 有 更 高 的 耐 磨 性 ， 而 且 具 有
非 常 好 的 抗 蚀 性 。 它 是 目 前 国 外 在 高 速 钢 工 具 上 应 用 最 多 的 表 面 强 化 方 法 。
高 速 钢 刀 具QPQ 处 理 工 艺 ：
1) 去 油 。 大 量 生 产 采 用 金 属 清 洗 剂 或 喷 砂 ， 少 量 生 产 采 用 汽 油 清 洗 ；
2) 预 热 。350-400 ℃ 的 空 气 炉 中 预 热15~20min;
3) 氮 化 。530-550 ℃ 的 盐 浴 中 ， 保 温10~40min ；
4) 氧 化 。350-370 ℃ 的 盐 浴 中 ， 保 温15~20min ；
5) 空 冷 一 清 洗→ 干 燥→ 浸 油
渗 氮 盐 浴 中 的 氰 酸 根 含 量 的 控 制 非 常 重 要 ， 通 常 应 控 制 在30%-35%( 质 量 分 数) 范 围 内 ， 最 佳 含
量 为32%-34% 。 影 响 强 化 效 果 最 大 的 因 素 是 渗 氮 的 规 范 ， 渗 氮 规 范 的 选 择 最 好 以 切 削 试 验 为 准 。
在 某 一 渗 氮 温 度 下 ， 逐 渐 加 长 渗 氮 时 间 ， 并 作 相 应 的 切 削 试 验 ， 直 到 得 到 最 好 的 切 削 寿 命 。
在 渗 氮 炉 中 工 件 表 面 形 成 氮 的 扩 散 层 ， 其 深 度 为10~45μm 硬 度 可 达1200HV 以 上 ， 但 脆 性 很
小 。 在 渗 氮 炉 中 不 允 许 形 成 化 合 物 层 ， 否 则 刀 具 的 刃 口 会 变 脆 。 工 件 在 氧 化 炉 中 处 理 后 ， 在 渗 氮
层 的 外 面 形 成 了 一 层 厚 度 为1~3μm 的 氧 化 膜 ， 对 提 高 刀 具 的 寿 命 也 有 一 定 好 处 。
QPQ 技 术 设 备 投 资 少 ， 生 产 成 本 低 ， 强 化 效 果 好 ， 无 公 害 ， 产 品 质 量 稳 定 。QPQ 技 术 用 于 钻头 、 铣 刀 、 铰 刀 、 丝 锥 、 齿 轮 滚 刀 和 拉 刀 等 刀 具 ， 均 可 提 高 切 削 寿 命2 倍 以 上 。 对 切 削 耐 热 合 金 和
难 加 工 材 料 效 果 更 佳 。
这 种 方 法 不 仅 大 幅 度 提 高 工 具 的 使 用 寿 命 ， 而 且 可 以 大 幅 度 降 低 工 具 使 用 寿 命 的 分 散 度 ， 提 高
工 具 寿 命 的 稳 定 性 。 表10 是 对 一 盒10 支 钻 头 ， 取5 支 不 作QPQ 处 理 ， 另 外5 支 作 了QPQ 处 理 后 的
寿 命 对 比 数 据 。
▼ 表10 QPQ 处 理 对 钻 头 寿 命 的 影 响
11.4 硫 氮 共 渗
硫 氮 共 渗 也 称 硫 氰 共 渗 。 渗 层 中 除 碳 氮 以 外 还 有 硫 的 渗 入 ， 硫 在 工 具 表 面 有 润 滑 和 减 少 摩 擦 的
作 用 。 这 种 工 艺 通 常 可 以 提 高 刀 具 寿 命1~2 倍 。
硫 碳 氮 共 渗 的 盐 浴 含 有30%~34%( 质 量 分 数) 的 氰 酸 根 ， 含 氰 根0.8%( 质 量 分 数) 以 下 ， 盐 浴 中 加
入 硫 化 钾 。 活 性 硫 的 含 量 控 制 在(2~5)×10E-6 。 为 提 高 盐 浴 的 活 性 ， 要 向 盐 浴 中 通 空 气 ， 通 空 气 的
量 为 每100kg 盐 浴 剂1.53L/min 。 高 速 钢 工 具 硫 碳 氮 共 渗 的 温 度 为560~570°C ， 时 间 为10~60min 由
于 硫 碳 氮 共 渗 的 盐 浴 中 含 有 氰 根 ， 因 此 硫 氮 共 渗 处 理 后 ， 清 洗 工 件 的 水 必 须 经 过 消 毒 处 理 才 能 排
放 。
11.5 物 理 涂 层(PVD)
物 理 涂 层 也 称 气 相 沉 积 ， 在 工 具 上 应 用 的 主 要 是 氮 化 钛 涂 层 。 物 理 涂 层 的 方 法 一 般 是 在 真 空 中
使 金 属Ti 气 化 ， 且 离 子 化 ， 与 氮 离 子 互 相 撞 击 ， 在 电 场 的 作 用 下 ， 在 工 件 表 面 形 成 氮 化 钛 涂 层 。
作 为 高 速 钢 工 具 的 物 理 涂 层 方 法 按 沉 积 过 程 中 ， 金 属T 熔 化 ， 蒸 发 并 离 子 化 形 成 的 原 理 不 同 ，镀 层 的 主 要 方 法 有 阴 极 溅 射 法 、 辉 光 放 电 离 子 镀 法 和 弧 光 放 电 离 子 镀 法 。 目 前 较 先 进 的 方 法 是 弧
光 放 电 离 子 镀 方 法 中 的 多 弧 离 子 镀 。 阴 极 溅 射 法 生 成 的 镀 层 组 织 致 密 ， 生 产 过 程 容 易 控 制 。 多 弧
离 子 镀 沉 积 速 度 快 ， 生 产 效 率 高 ， 结 合 强 度 高 ， 大 小 件 均 适 合 。 弧 光 放 电 离 子 镀 就 是 将Ti 置 于 真
空 中 ， 用 弧 光 放 电 使 其 熔 化 、 蒸 发 ， 由 放 电 的 强 弱 来 控 制 蒸 发 量 的 大 小 。 图11 是 多 弧 离 子 镀 的 一
种 装 置 原 理 图 。 冷 阴 极 弧 源 置 于 上 部 及 四 周 ， 可 以 在 整 个 真 空 室 内 获 得 大 量 均 布 的 单 原 子 金 属
Ti ， 可 以 均 匀 快 速 地 在 工 件 表 面 形 成 镀 层 。
▲ 图11 多 弧 离 子 镀 装 置 原 理 图
1- 阴 极 电 弧 源 2- 主 电 弧 源 3- 反 应 气 进 口
4- 工 件 5- 工 件 偏 压 电 源
PVD 涂 层 法 通 常 是 在 刀 具 表 面 上 形 成2~5μm 的TiN 镀 层 ， 其 硬 度 在2000HV 以 上 。 镀 层 不 宜 过
厚 ， 否 则 容 易 使 刀 刃 脆 化 。PVD 涂 层 具 有 很 高 的 耐 磨 性 ， 一 般 可 以 提 高 工 具 寿 命2~5 倍 。 可 以 提 高
切 削 效 率30% 左 右 ， 由 其 适 用 于 齿 轮 滚 刀 ， 插 齿 刀 等 精 密 工 具 。11.6 激 光 表 面 强 化
很 多 国 家 对 高 速 钢 的 激 光 热 处 理 进 行 了 大 量 实 验 研 究 工 作 。 高 速 钢 表 面 激 光 强 化 有 激 光 淬 火 ，
激 光 熔 化 和 激 光 合 金 化 涂 敷 等 多 种 方 法 。
11.6.1 激 光 淬 火
他 是 利 用 激 光 束 的 高 密 度 能 量 ， 使 高 速 钢 工 具 表 面 快 速 加 热 到 相 变 ， 然 后 利 用 工 具 本 身 的 质 量
快 速 冷 却 ， 使 表 面 淬 硬 。 快 速 加 热 及 快 速 冷 却 的 结 果 ， 在 工 具 表 面 形 成 高 硬 度 淬 火 层 （1000HV 以
上 ） 从 而 提 高 工 具 的 耐 磨 性 。
工 具 激 光 淬 火 实 际 上 是 一 种 表 面 硬 化 ， 形 成 的 是 马 氏 体 与 碳 化 物 的 混 合 物 淬 火 层 。 采 用 激 光 淬
火 的 工 具 通 常 需 要 预 先 进 行 常 规 淬 火 才 有 较 好 的 效 果 。
11.6.2 激 光 熔 化
它 是 利 用 激 光 快 速 加 热 ， 使 工 件 表 面 相 当 薄 的 一 层 组 织 快 速 熔 化 。 高 速 钢 快 速 熔 化 区 的 组 织 为
精 细 孪 晶 马 氏 体 、 残 留 奥 氏 体 、 未 熔 碳 化 物 和δ 铁 素 体 的 混 合 物 ， 回 火 后 析 出 支 晶 状 的M6C 碳 化
物 。 激 光 表 面 熔 化 区 在 高 温 回 火 时 ， 在600 ℃ 时 才 能 达 到 硬 度 峰 值 ， 最 高 硬 度 可 达1299HV 。
W6Mo5Cr4V2 高 速 钢 车 刀 采 用800W 的CO2 激 光 熔 化 后 ， 与560 ℃X2h 回 火 后 ， 熔 化 区 域 深 度
0.6~0.8mm ， 结 果 是 提 高 了 高 速 钢 的 硬 度 和 韧 性 ， 车 刀 寿 命 提 高 了2~5 倍 。
11.6.3 激 光 合 金 化 涂 覆
它 是 在 工 件 表 面 上 图 上 冶 金 粉 末 ， 利 用 高 能 密 度 激 光 束 使 其 快 速 熔 化 ， 在 工 件 表 面 上 形 成 一 层
合 金 层 ， 以 提 高 钢 的 耐 磨 性 和 热 稳 定 性 。 用 于 激 光 合 金 化 的 常 用 元 素 和 化 合 物 有C 、WC 、Co 、
BC 等 粉 末 ， 再 加 添 加 剂 、 粘 结 剂 、 混 和 后 制 成 饱 和 涂 料 。
激 光 合 金 化 的 涂 层 厚 度 一 般 不 超 过80~100um ， 最 好 利 用10-40J 铷 激 光 器 熔 化 。 利 用Co （ 钴 ）
作 合 金 化 涂 料 ， 激 光 合 金 化 后Co 溶 入 基 体 ， 提 高 了α→B 的 转 变 温 度 和 回 火 稳 定 性 ， 回 火 时 形 成 金
属 间 化 合 物 ， 并 析 出MC 碳 化 物 ， 促 进 弥 散 硬 化 ， 提 高 了 二 次 硬 化 作 用 。 表 面 软 化 温 度 比 普 通 高 速
钢 提 高 了350 ℃ ， 比 激 光 淬 火 提 高 了70-100 ℃ ， 具 可 承 受675~680 ℃ 的 高 温 。
用 功 率1kW 的CO2 激 光 器 在W6Mo5Cr4V2 高 速 钢 的 表 面 采 用W 粉 末 激 光 合 金 化 ， 可 以 形 成80-
100m 的 合 金 层 ， 进 行560 ℃ 两 次 回 火 以 后 ， 把 合 金 层 磨 削 到40-50μm ， 经 这 样 处 理 的 单 刃 车 刀 ，
切 削 寿 命 可 以 提 高6 倍 。
11.6.7 离 子 注 入 法
它 首 先 将 要 注 入 的 元 素 离 子 化 ， 并 在 数 千 伏 的 电 压 下 ， 将 离 子 导 入 质 量 分
析 器 进 行 筛 选 ， 然 后 在 几 十 千 伏 到 几 百 千 伏 的 高 压 下 将 离 子 加 速 到 要 求 的 高 能 状 态 。 最 后 在 处
理 室 内 对 工 件 进 行 扫 描 ， 把 离 子 注 入 到 工 件 的 表 面 。
注 入 的 元 素 有N 、Ti 、C 、Mo 、P 、B 、Ta 、Co 等 ， 主 要 作 用 是 改 善 材 料 的 耐 磨 性 ， 抗 蚀 性 和
疲 劳 性 能 。 英 国 采 用 离 子 注 入 法 可 使 高 速 钢 丝 锥 的 寿 命 提 高12 倍 。 美 国 对M35 、M7 、M2 等 高 速
钢 注 入WC 、Co ， 可 使 高 速 钢 工 具 寿 命 提 高2~6 倍 ， 已 经 大 量 用 于 生 产 。 离 子 注 入 法 用 于M2 高 速
钢 的 冲 头 甚 至 可 以 提 高 寿 命70~80 倍 。Copyright 【www.josen.net? 】 2006-2019 微 信 号 ：steeltuber 百 度 熊 掌 号 ：steeltuber
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