高速鋼是高速工具鋼的簡稱，俗稱“鋒鋼”（因為在空氣中也能淬硬，也稱“風鋼”）。自1898年美國人Fred W?Taylor 及其助手 M?Whiet發明高速鋼至今，已走過雙甲年華。縱觀目前世界上所有的鋼種，無論其化學成分、組織、性能之間的復雜關系，還是冶煉、澆注、鍛造、輥軋、拉拔、塑性成形和熱處理等整個制造過程的難度，高速鋼無疑使最難搞的鋼種之一。有人說“高速鋼奧妙無窮”，也有人說“高速鋼變化莫測”。筆者1968年大學畢業后從事高速鋼熱處理整整50個春秋，積累了比較豐富的實踐經驗，同時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。
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，就沿用前蘇聯的5-3-2配方（質量分數，%），即50BaCl2+30KCl+20NaCl，熔點溫度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，使用這個分級淬火工藝，創造一個又一個省優、部優、國優，說明它極具生命力。
時代在發展，技術在進步，隨著人們對冷卻速度重要性認識的深化，發現工件在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鈣基分級鹽，其配方（質量分數，%）即48CaCl2+31BaCl2+21NaCl，熔點435℃，使用溫度480～560℃。國內有的廠為簡化配方，改為50CaCl2+30BaCl2+20NaCl，熔點較傳統鈣基鹽略有提高，但分級溫度仍維持在480～560℃的水平。
關于Ca基鹽浴技術，原蘇聯在20世紀40年代就公開了，50年代傳到中國，60年代不少廠試用過，筆者1974～1978年在桂林工作時，也曾配過Ca基鹽浴，由于當時是每周開一次爐，歇爐時間長，鹽浴吸濕性太強，被迫淘汰。
有的廠對分級鹽浴的冷卻速度進行了現場測試，φ40mm工件在800～1000℃于550℃中冷卻速度正好為7℃?s，意思說有效尺寸在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。
毫無疑問，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，鈣基鹽優越，但尺寸在20mm以下，沒有必要換成鈣基鹽，關鍵是如何將鹽浴溫度控制在600℃以下。
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。至于國外的經驗，本著“洋為中用、改革創新”的原則，千萬不可盲從，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，回火的目的有4個：
①徹底消除淬火應力。
②促使殘留奧氏體充分分解。
③產生最佳的二次硬化效果。
④達到所要求的綜合力學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行下一次回火。回火次數一般為3次，如果回火不充分，或經等溫淬火者，以及高性能高速鋼制件，均要進行4次回火。
回火程度一般分三個級別，不是依回火次數為據，而是金相說了算。
一級（充分）：金相上表征為黑色的回火馬氏體+星星點點的碳化物。
二級（一般）：個別區域或碳化物堆積處有白色區存在。
三級（不足）：較大部分視場為白色區，隱約可見淬火晶粒。
欲進行蒸氣處理、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℃，侵蝕時間2～4min，500倍顯微鏡下觀察，以最差視場為判據。
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產生40%～50%的下貝氏體，其余是殘留奧氏體及少量的碳化物，在第一次回火過程中，就有大量的殘留奧氏體轉變為馬氏體，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裂傾向。
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裂很有好處。回火過程要緩慢升溫，每次回火應低于500℃入爐，回火出爐后不準風吹，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φ10mm以上的桿式刀具。摩擦焊時產生1000℃以上的高溫，在焊縫兩側很小的區域產生較大的溫差，焊后若直接空冷，焊縫的高速鋼一側發生馬氏體轉變，而結構鋼一側空冷只發生珠光體轉變，由于比體積的差異，將引起很大的組織應力，以致產生開裂。為此，焊后的刀具應立即放到650～750℃的爐中保溫，待料罐裝滿后保溫1～2h退火，爐冷至500℃以下出爐空冷。如果生產量很大，不便實施上述工藝，應將焊件保溫溫度選擇在740～760℃，保溫時間延長至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。
摩擦焊刀具淬火爭論的焦點為是否超焊縫加熱。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點，實踐證明超焊縫加熱跟淬火裂紋沒有直接關系。目前工具廠大多采用低于焊縫15～20mm加熱，實際上縮短了高速鋼的切削長度，造成浪費，很不經濟。
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、酸洗的時間、酸液溫度三大要素，防止氫脆。
5.深冷處理
高速鋼刀具經正常淬火、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，筆者認為完全沒有必要。高速鋼刀具正常淬火經550～570℃×1h×3次回火后，熱處理已達極致，再經深冷處理有畫蛇添足之嫌。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，過多的殘留奧氏體顯然不會使刀具高硬度。日本學者飯島一昭等通過試驗認為：15%以下的殘留奧氏體不會使刀具硬度下降，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年代開始一直到21世紀初，國內很多工具廠都曾作過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幾年的深冷處理，也未見什么成效，于是設備擱置待命。
高速鋼刀具與其他超硬材料刀具相比，最大的優勢是韌性稍高一點，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？
實踐證明，5%以下的殘留奧氏體對刀具使用沒有害處。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，會降低硬度的殘留奧氏體顯然不受歡迎。但刀具的壽命歷來不以硬度高低論英雄，過高的硬度導致脆性增大，不僅不會提高壽命，反而會減少壽命。
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，我們的原則是在滿足韌性的前提下力求高硬度。經驗表明，回火充分的刀具施以深冷處理，基本上不會增加硬度，更不會提高熱硬性，反而會使韌性下降。國內有一些工具廠對部分刀具增加深冷處理，比如剃齒刀、小模數滾刀之類，其目的是消除應力、穩定尺寸，因為兩者是要以內徑定心的，希望刀具在使用過程中，內孔不發生尺寸變化。還有一些高速鋼制高端量具、模具進行深冷處理，目的也是穩定尺寸。
從以上分析不難發現，高速鋼經正常的淬火、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性能并無大礙，是否一定要進行深冷處理？這個有爭議的問題，有待大量的試驗數據及應用實例佐證，但筆者經試驗持反對觀點。國內數百家工具制造廠無人問津就是一個有力論據。鋪天蓋地地報道，基本上是大學、研究所的科研成果或實驗室的產物，但到面上推廣就失敗，所謂的回火新工藝，都是曇花一現，在大生產中廣泛應用的還是550～570℃×1h×3次的成熟工藝，實踐是檢驗真理的唯一標準，任何新工藝都必須經得起實踐生產的考驗。全國的工具廠都盼望有指導生產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，反復實踐，大膽改革創新，就一定能制造出高質量、高壽命的刀具，為振興機械工業做出熱處理人應有的貢獻。
來源：熱處理生態圈
作者：趙步青
單位：安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司
