由于高速鋼中有較高的碳含量和大量的合金元素，在冶金廠軋制或鍛造鍛以后。即使空冷的情況下，也會(huì)有較高的硬度，因此必須進(jìn)行退火軟化處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度值才能出廠。工具制造者有時(shí)要對(duì)高速鋼進(jìn)行鍛造成型或?yàn)楦纳铺蓟锲龆M(jìn)行鍛造，有時(shí)用熱軋成型方法制造工具，有時(shí)需要對(duì)淬火件進(jìn)行返修等，這都需要對(duì)高速鋼進(jìn)行退火。

   國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)都表明，高速鋼退火時(shí)如果保溫時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)顯著降低工具的使用壽命，因此，選擇合理的退火工藝規(guī)范非常重要。 

常用高速鋼的退火溫度和退火以后的硬度見(jiàn)表1 。

▼表1  高速鋼的熱處理規(guī)范

   退火的保溫時(shí)間根據(jù)裝爐量等情況有所不同，一般應(yīng)在3~4h以上。保溫后可采用10℃~20℃的速度冷卻至600℃以下出爐。也可以采用冷卻至740℃~760℃，停留4~5h，再冷至600℃以下出爐的等溫退火方法。

   高速鋼還有一種高溫退火方法可以大大縮短退火生產(chǎn)周期，提高退火質(zhì)量。高溫退火的加熱溫度是由普通退火的840℃~860℃，提高到880℃~920℃。普通退火方法在Ar1點(diǎn)以下保溫，由于溫度較低，雖然保溫時(shí)間長(zhǎng)，但高速鋼仍然不能進(jìn)行充分結(jié)晶，鋼材不能充分軟化。高溫退火時(shí)將溫度提到到Ar1以上，相變可以瞬間完成，并且進(jìn)行得很充分，實(shí)現(xiàn)了*再結(jié)晶，因此鋼材得到充分軟化。

▲圖1  高速鋼普通退火與高溫退火工藝曲線

a）高速鋼普通退火  b）高溫退火工藝

   由圖可見(jiàn)，高溫退火工藝的保溫時(shí)間大大縮短。高溫退火鋼材的硬度更低，切削性能更好，切削效率可以提高20%，制成刀具的切削壽命，比普通退火的高15%~20%。

二   可改善加工性能的熱處理

    改善高速鋼的可加工性和表面粗糙度，可以按照表2推薦的工藝對(duì)高速鋼進(jìn)行預(yù)備熱處理。使毛坯的硬度達(dá)到280~370HBW。 

▼表2  改善高速鋼可加工性的預(yù)備熱處理

   表2中的一次處理方法（工藝方法Ⅰ、Ⅱ）比調(diào)質(zhì)處理（工藝方法Ⅲ）的效果更好。采用此方法處理的高速鋼在較大的切削用量條件下，加工的表面粗糙度Ra可以達(dá)到1.6μm。

   一次處理的方法加熱溫度較低，在以后加熱時(shí)奧氏體晶粒度不均勻長(zhǎng)大的傾向小。退火前做一次720℃~760℃的退火，可以避免晶粒不均勻長(zhǎng)大。

三  去應(yīng)力

   經(jīng)塑性變形加工方法制成的毛坯以及冷拉、冷擠壓的各種原材料或毛坯，為了消除工的冷作硬化現(xiàn)象，采用720℃~760℃的低溫退火方法。對(duì)于形狀復(fù)雜、切削量較大或薄片狀工具。為了減少淬火畸變或產(chǎn)生淬火裂紋，常用600℃~650℃的高溫回火消除應(yīng)力。為了消除磨削加工的應(yīng)力，可在200℃~500℃溫度下回火1~2h，粗磨后可在500℃的溫度下消除應(yīng)力，精磨后在200℃溫度下消除應(yīng)力。

四  淬火

說(shuō)明：以下敘述的高速鋼熱處理工藝主要適用于鹽浴爐。

4.1 預(yù)熱

   高速鋼導(dǎo)熱性差，工件不容易熱透，淬火加熱前必須進(jìn)行預(yù)熱。一般要進(jìn)行兩次預(yù)熱，工藝參數(shù)如下：

低溫預(yù)熱：450℃~500℃，保溫1~1.5min/mm（空氣爐）；

         600℃~650℃，保溫0.8~1.0min/mm（鹽浴爐）。

中溫預(yù)熱：800℃~850℃，保溫0.4~1.0min/mm（鹽浴爐）。

   尺寸不大，形狀簡(jiǎn)單的工具可以采用一次預(yù)熱，對(duì)于大多數(shù)工具來(lái)說(shuō)，以兩次預(yù)熱為好，這有利于減少淬火畸變和開(kāi)裂，而且第一次預(yù)熱可以烤干工件表面水分，不會(huì)產(chǎn)生濺鹽現(xiàn)象，利于安全。

4.2 淬火加熱

4.2.1 加熱溫度

   高速鋼淬火加熱溫度的選擇，首先是由其牌號(hào)成分決定的，同時(shí)也要考慮工具的種類(lèi)和規(guī)格，專(zhuān)門(mén)針對(duì)具體加工對(duì)象制造的工具還必須考慮到被加工材料的可加工性和切削規(guī)范等使用條件。

    各種高速鋼的淬火加熱溫度如表3所示。

▼表3  幾種低合金高速鋼的熱處理規(guī)范

   隨著加熱溫度的升高，碳化物不斷溶入高速鋼基體，高速鋼中的殘留碳化物數(shù)量不斷減少。圖2顯示了W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩種高速鋼在淬火加熱時(shí)碳化物數(shù)量逐漸減少的情況。

▲圖2  高速鋼中碳化物數(shù)量與淬火溫度的關(guān)系

   圖2中，W18Cr4V碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加熱前在25%以上，加熱到1300℃時(shí)只有15%左右，W6Mo5Cr4V2高速鋼中碳化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)淬火前在20%以上，加熱到1300℃時(shí)只有10%多一些。

   隨著碳化物的不斷溶入基體，基體中的C、W、Mo、Cr、V等元素含量不斷升高，這有利于提高淬火后形成的馬氏體的耐磨性和熱硬性。圖3 為W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩種高速鋼C及W、Mo、Cr、V含量隨淬火溫度的升高而升高的情況。

▲圖3  高速鋼中合金元素含量與淬火溫度的關(guān)系

其中C含量幾乎隨淬火溫度的升高呈直線上升。Cr的含量隨著淬火溫度的升高而增加，1100℃以上Cr含量不再增加，說(shuō)明Cr的碳化物幾乎全部溶入了基體。W、Mo、V的含量隨著淬火加熱溫度的升高而不斷上升，直到1300℃還在增加，說(shuō)明此時(shí)這些碳化物只是部分溶入奧氏體，尚未*溶解。

4.2.2 淬火加熱時(shí)間

   高速鋼的淬火加熱時(shí)間通常以工件的有效厚度乘以加熱系數(shù)來(lái)計(jì)算，有效厚度參照表4 。

▼表4  有效厚度的計(jì)算方法和淬火加熱系數(shù)

  高速鋼在鹽浴中的加熱系數(shù)與淬火加熱溫度有關(guān)，1150℃~1240℃加熱可選10~20s/mm。工件種類(lèi)、規(guī)格不同，加熱系數(shù)也應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。

   加熱系數(shù)只是作為單件加熱時(shí)間的計(jì)算依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中裝爐量大的時(shí)候，必須考慮加熱爐的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、功率、升溫速度、零件的裝卡方式、裝爐量大小和預(yù)熱情況等等因素來(lái)最終確定加熱時(shí)間。

   高速鋼淬火加熱時(shí)要達(dá)到比較高的奧氏體化程度，淬火加熱溫度和保溫時(shí)間都很重要，只是淬火溫度的作用相對(duì)大一些。對(duì)兩者作用進(jìn)行綜合考慮，可以用淬火參量公式表達(dá)。

      P=t（37+logτ）

式中  P——淬火參量

          t——淬火加熱溫度

         τ——淬火加熱時(shí)間

   式中淬火參量P，代表了淬火加熱溫度和加熱時(shí)間的綜合作用。在淬火過(guò)程中，無(wú)論淬火加熱溫度和保溫時(shí)間怎樣變化，只要兩者的作用結(jié)果和淬火參量相同，那么奧氏體化的程度就是相同的。圖4表示淬火參量、碳化物量和殘留奧氏體量的關(guān)系。

▲圖4 淬火參量與碳化物量和留奧氏體量的關(guān)系

4.3 冷卻

   高速鋼的淬火冷卻，從確保在冷卻過(guò)程中碳化物不從奧氏體中析出、保證合金化程度的 角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是冷卻速度越快越好；但從避免零件開(kāi)裂和減少畸變防止開(kāi)裂的角度上說(shuō)，冷卻速度越慢越好。這兩者相互矛盾，在實(shí)際生產(chǎn)中，是通過(guò)保證淬火硬度的前提下盡量緩慢冷卻，以免產(chǎn)生廢品來(lái)掌握的。

   高速鋼在從高溫爐中出來(lái)后，在浸入淬火介質(zhì)之前即使在高溫短時(shí)間的停留都會(huì)有碳化物析出。這種碳化物的析出過(guò)程，通過(guò)高倍電子顯微鏡可以清晰地觀察到。

   圖5顯示了M7高速鋼在1190℃奧氏體化后，冷卻時(shí)中間停留對(duì)碳化物析出的影響。

▲圖5  高溫停留有碳化物析出

a）從奧氏體化溫度直接水冷（無(wú)碳化物）12600X

b）在890℃停留30s后水冷（有碳化物）12600X

   圖5 a）是中間沒(méi)有停留，奧氏體化后直接水冷，可以看到?jīng)]有析出物，晶界很清晰。圖5 b）是從1190℃冷卻到980℃，停留了30s，可以看到晶界及基體內(nèi)都明顯的有小顆粒狀碳化物析出。

   從高速鋼制工具的使用壽命角度看，高速鋼淬火冷卻時(shí)最好是出爐立即浸入冷卻介質(zhì)，中間停留會(huì)引起碳化物析出，從而損害耐磨性和熱硬性。

   關(guān)于高速鋼淬火的冷卻方法，早期較普遍的做法是采用油冷淬火，現(xiàn)在已較少采用。目前國(guó)內(nèi)多采用600℃左右的分級(jí)冷卻。俄羅斯曾實(shí)驗(yàn)提高分級(jí)溫度到680℃，以利減少淬火畸變。歐美國(guó)家采用550℃的分級(jí)溫度。從工具使用壽命角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是分級(jí)溫度越低，壽命越高。

   從減少淬火畸變和防止開(kāi)裂的角度來(lái)說(shuō)，等溫淬火更為有利。要進(jìn)行等溫淬火的高速鋼工件，應(yīng)先在分級(jí)鹽浴中冷卻，然后再到貝氏體區(qū)域做等溫停留。通常是在240℃~260℃等溫60~240min。表5列出了等溫時(shí)間對(duì)W18Cr4V高速鋼組織和硬度的影響。 

表5  等溫時(shí)間對(duì)高速鋼組織和硬度的影響

   由表5可以看出，W18Cr4V高速鋼從淬火加熱的奧氏體狀態(tài)在260℃停留60min以上，可以形成大量貝氏體。隨著停留時(shí)間延長(zhǎng)，貝氏體量增加，馬氏體量減少，殘留奧氏體含量也增加。大量貝氏體形成可以顯著提高鋼的韌性，但剛的硬度有所下降。

五  回火

高速鋼的回火應(yīng)達(dá)到以下三大目的：

1）最佳的二次硬化物析出的硬化效應(yīng)。

2）殘留奧氏體充分分解。

3）*消除殘留應(yīng)力。

   普通高速鋼的回火硬化峰值560℃左右，所以高速鋼的回火溫度通常選擇560℃?；鼗鹩捕确逯档奈恢门c回火的保溫時(shí)間有一定關(guān)系。圖6為回火保溫時(shí)間從0.5h增加到100h，回火硬度峰值的變化情況。

▲圖5  高速鋼回火溫度和回火時(shí)間與硬度之間的關(guān)系

     回火溫度與回火保溫時(shí)間的關(guān)系可以用回火參量來(lái)說(shuō)明。其表達(dá)公式如下：

      P=（20+logτ）

式中  P——回火參量

      t——回火溫度

     τ——回火時(shí)間

   盡管回火溫度、回火保溫時(shí)間可以不同，但只要回火參量相同，回火效果就是相同的。

   形狀簡(jiǎn)單的一般高速鋼工件可以采用兩次回火，形狀復(fù)雜的大型工件需要三次甚至四次回火。貝氏體等溫淬火高速鋼由于淬火后殘留奧氏體量較多，可以適當(dāng)增加回火次數(shù)。

   低、高溫回火法，先在320℃~380℃回火一次，然后在560℃回火兩次，可以使W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速鋼的硬度增加0.5~2HRC，沖擊韌度提高20%~50%，刀具的切削壽命提高40%。這是由于低溫回火時(shí)有滲碳體型碳化物析出，促進(jìn)了560℃高溫回火時(shí)M2C型碳化物大量析出，減少了碳化物沿晶界析出的緣故。同時(shí)低溫回火時(shí)也有部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成了貝氏體。低、高溫回火的高速鋼比普通回火的高速鋼有較高的韌性。

  在單件加熱或自動(dòng)線上回火時(shí)，可采用580℃X20min或600℃X10min的高溫快速回火法。

   為了防止回火過(guò)程中奧氏體陳化穩(wěn)定，回火后以應(yīng)快冷卻至室溫。形狀復(fù)雜的工件第一次回火必須緩慢加熱，可在400℃進(jìn)行一次預(yù)熱均溫，或在500℃以下溫度入爐，再緩慢升溫至回火溫度，冷卻時(shí)也應(yīng)緩慢，也可以置于鐵,桶冷卻，以防開(kāi)裂。