淺談高速工具鋼的鍛造和熱處理

鄒善垚

摘 要：掌握高速工具鋼的鍛造和熱處理工藝能夠滿足高速切割的需求。基于此，本文闡述了高速工具鋼的制造材料和鍛造工藝技術(shù)，同時(shí)提出了高速工具鋼熱處理工藝，包括余預(yù)熱技術(shù)、淬火溫度、冷卻技術(shù)，三次回火技術(shù)等，并根據(jù)以上技術(shù)內(nèi)容，提出了高速工具鋼熱處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)。通過論述以上內(nèi)容，來為技術(shù)人員提供一些參考。

關(guān)鍵詞：高速工具鋼；鍛造工藝；熱處理

中圖分類號(hào)：TG316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）08-0047-02

隨著我國制造業(yè)裝備技術(shù)的發(fā)展，工程材料的應(yīng)用逐漸成為關(guān)鍵。通過選擇合適的鍛造材料，應(yīng)用準(zhǔn)確的鍛造工藝，能夠確保產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，進(jìn)而提升設(shè)備的使用效果。因此，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的各類工程技術(shù)人員，需對(duì)材料具有技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性及質(zhì)量性的價(jià)值觀念，以此促進(jìn)制造業(yè)設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步。

1 高速工具鋼的材料要求

高速工具鋼的材料、參數(shù)等內(nèi)容會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用效果，這就對(duì)高速切削有了很高的要求，不僅要保證刀具材料有良好的耐熱性和抗沖擊性，同時(shí)還要具備高溫力學(xué)性。

（1）高可靠性。高速切割一般用在數(shù)控機(jī)床和設(shè)備的加工中心上，因此，需要確保設(shè)備的使用可靠性，否則會(huì)降低工具鋼的生產(chǎn)效率，甚至出現(xiàn)報(bào)廢品，影響設(shè)備的運(yùn)行效果；（2）高耐熱性及高溫力學(xué)性能。在進(jìn)行高溫切削的時(shí)候，溫度比較高，所需要的高強(qiáng)溫度、硬度、氧化度等各項(xiàng)性能要和原材料中的碳化物、溶解度相契合。此外，技術(shù)人員還需要對(duì)新型的刀具和鍛造材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，來滿足時(shí)代的需求，進(jìn)而促進(jìn)高速工具鋼制作工藝的發(fā)展進(jìn)步[1]。

2 高速工具鋼的鍛造工藝

2.1 高速工具鋼的鍛造特征

高速工具鋼的碳含量為WC=0.16-1.6（%），合金質(zhì)量要大于總量的10%，合金主要由鉬、鎘、鋁等金屬元素構(gòu)成，一般來說，合金元素能夠使得碳在-Fe的最大溶解度中不斷減少，出現(xiàn)鑄態(tài)萊氏體。在高速工具鋼鍛造的過程中，碳化物會(huì)呈現(xiàn)出還魚骨狀，嚴(yán)重影響工具的硬度及剛度，導(dǎo)致工具鋼的使用效果差。這種魚骨狀合金碳化物相對(duì)較脆，無法使用加熱原理進(jìn)行消除，需要通過反復(fù)鍛造。當(dāng)合金的鍛造比達(dá)到10的時(shí)候，工具鋼中的碳化物的分布才會(huì)均勻，所以，需要將碳化物作為合金鍛造的重點(diǎn)，來提升高速工具鋼的質(zhì)量。

2.2 高速工具鋼的鍛造技術(shù)

由于高速工具鋼的可塑性較差，同時(shí)變形的抗壓力較大，實(shí)際的鍛造過程中，會(huì)產(chǎn)生很多裂紋，影響工具鋼的是使用效果，甚至出現(xiàn)報(bào)廢品。因此，在鍛造的過程中，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容[2]：

（1）在工具鋼逐漸加熱的過程中，需要及時(shí)清理鍛造面的表面缺陷和剝皮，使得整個(gè)鍛造的鋼具是一個(gè)整體，來防止鍛造的時(shí)候，導(dǎo)致裂痕擴(kuò)大，影響使用質(zhì)量；（2）在高速工具鋼鍛造的時(shí)候，技術(shù)人員需要掌握好輕重程度，在不同的溫度環(huán)境下，使用不同的打擊力度。比如當(dāng)鋼材在1050℃-1180℃時(shí)候，技術(shù)人員要使用輕擊的方法，對(duì)材料進(jìn)行敲擊，來煉合鋼材的內(nèi)部碳化物，防止開裂；當(dāng)鋼材的溫度在950℃-1050℃的時(shí)候，技術(shù)人員要適當(dāng)加大力度，采取重?fù)魜泶蛩閮?nèi)部的碳化物；當(dāng)鋼材在900℃-950℃時(shí)候，技術(shù)人員還是要采用輕敲擊的方法，來打擊鋼材，防止開裂；當(dāng)溫度在85°0C-900℃的時(shí)候，技術(shù)人員要對(duì)整個(gè)鋼材進(jìn)行最后一次平整修光，在修整的同時(shí)，需要確保鋼材的溫度小于1000℃，否則會(huì)導(dǎo)致鋼材的內(nèi)部生成碳化物；（3）需要嚴(yán)格控制鍛造過程中的溫度，來讓整個(gè)流程都保持規(guī)定所需要的溫度。當(dāng)鋼材的溫度下降的時(shí)候，需要立即返爐；當(dāng)鋼材的溫度上升時(shí)，就需要立刻減輕擊力，提升鍛造的質(zhì)量；（4）要做到溫度與變形量的均勻統(tǒng)一。如拔長時(shí)，送進(jìn)量要控制在鍛件高度的0.6-0.8倍范圍內(nèi)，送進(jìn)量過小，無法鍛造；或者送進(jìn)量過大，容易產(chǎn)生裂紋；（5）高速工具鋼鍛后，需要在空氣中自然冷卻即能自行淬火，提高鍛件的硬度和脆性，但由于冷卻時(shí)的溫度應(yīng)力較大，產(chǎn)生裂紋的可能性也較大，因而必須進(jìn)行緩慢冷卻，方法如：對(duì)于小鍛件可在爐內(nèi)保溫后隨爐冷卻至50℃出爐室冷；對(duì)于大鍛件，應(yīng)放在700℃-750℃的爐中隨爐冷卻到650℃后，再放入灰坑中冷卻到100℃以下取出。

3 高速工具鋼的熱處理工藝

高速工具鋼的熱處理工藝，其中主要包括了預(yù)熱力、淬火、三次回火等內(nèi)容，通過對(duì)這幾部分進(jìn)行探討，能夠提升高速工具鋼的工藝技術(shù)。

3.1 預(yù)熱

由于高速鋼中含有較多的合金物質(zhì)，這些合金物質(zhì)相較于其他物質(zhì)，導(dǎo)熱性比較差，如果使用很高的溫度，來進(jìn)行熱處理，會(huì)導(dǎo)致鋼材的內(nèi)部出現(xiàn)裂痕，增加變形開裂的可能。同時(shí)，如果將處于冷態(tài)的高速工具鋼直接進(jìn)行加熱，能夠?qū)е落摬脑诟邷丨h(huán)境下，停留的時(shí)間較長，增加了氧化及脫碳的可能性。因此，在進(jìn)行高速鋼淬火前，需要進(jìn)行二次預(yù)熱，減少高溫爐之間的穩(wěn)溫差，以此降低碳化物的形成。

3.2 淬火溫度

由于高速工具鋼是一種合金，其中含有很多元素，包括鉬、鉻等難以鍛造的碳化物，這些碳化物只有達(dá)到一定溫度才能消除，熔入到奧氏體中。當(dāng)奧氏體中的碳化物含量越來越多，馬氏體的合金濃度也越來預(yù)高，工具鋼的硬度及韌度才能得到優(yōu)化。如果溫度超過1200℃，達(dá)到1300℃以上，雖然碳化物中的各元素的熔解量持續(xù)增加，但奧氏體晶粒卻也會(huì)產(chǎn)生變換，甚至發(fā)生了溶化現(xiàn)象，致使工具鋼的硬度及韌性性能全部下降。由此，技術(shù)人員在淬火的過程中，需要控制好淬火加熱的溫度及時(shí)間，當(dāng)淬火溫度和時(shí)間都滿足工具鋼的加工需求的時(shí)候，要盡量采用相對(duì)溫度較低，時(shí)間較短的加工方法，來最大程度上，保證工具鋼的鍛造效果。一般來說，工具鋼的淬火時(shí)間需要按照加工件的最大直徑長度，或者是鋼材的厚度來計(jì)算，選擇出合適的淬火溫度；加熱系數(shù)一般是8-11s/mm。對(duì)于厚壁件，可按此計(jì)算；對(duì)于薄壁件，加熱的時(shí)間要超過2min，但不能過多。

3.3 冷卻

雖然通過空冷技術(shù)也能夠獲得馬氏體，但由于鋼材的表面非常容易氧化，釋放出一些碳化物，導(dǎo)致淬火硬度和紅硬性下降，因此，在進(jìn)行高速鋼的冷卻技術(shù)時(shí)，大多會(huì)使用油冷，能夠保證鋼材的淬火硬度在HRC63以上。

3.4 三次回火

為了消除高速工具鋼的淬火應(yīng)力，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減少參與奧氏體量，高速鋼通常需在二次硬化峰值溫度下回火三次，方能得到各項(xiàng)性能的最佳組合。淬火后大部分轉(zhuǎn)化為馬氏體，參與奧氏體量只有25%左右，通過第一次回火，約有15%左右的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；通過二次回火又有6%左右的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；在經(jīng)過第三次回火后，殘余奧氏體的剩余量約在1%-3%之間，硬度達(dá)到了HRC65，組織為黑色回火馬氏體，少量殘余奧氏體、顆粒狀碳化物。

3.5 熱處理工藝的發(fā)展方向

高速切削發(fā)展進(jìn)步是建立技術(shù)基礎(chǔ)上的，很多發(fā)達(dá)國家都紛紛發(fā)展適合高速切削的先進(jìn)刀具，比如硬質(zhì)合金、陶瓷刀具等，都具有很好的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在多種工件材料與切削速度。因此，在今后高速工具鋼的發(fā)展過程中，使用陶瓷刀具能夠得到更大的發(fā)展。鍛造技術(shù)的進(jìn)步，在滿足各種加工需求及新型的加工材料發(fā)展的影響下，熱處理工藝不僅要保證高速工具鋼指標(biāo)質(zhì)量，還需要在切削過程中，降低環(huán)境污染。現(xiàn)如今，有一種被稱為納米復(fù)合材料，具有增加鋼材的韌度，補(bǔ)充鋼材強(qiáng)度，環(huán)境污染小的特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。因此，通過對(duì)刀具進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與開發(fā)，能夠?qū)⒏咚偾邢鞯稇?yīng)用在多個(gè)研究方向，進(jìn)而促進(jìn)高速工具鋼的發(fā)展[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，強(qiáng)化高速工具鋼的鍛造和熱處理工藝能夠促進(jìn)工具鋼的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制鍛造過程中的溫度，使得整個(gè)流程都保持規(guī)定所需要的溫度，當(dāng)鋼材的溫度下降的時(shí)候，增加打擊力度，能夠提升鍛造的質(zhì)量；同時(shí)，技術(shù)人員還需要對(duì)新型的刀具和鍛造材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，來滿足時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，促進(jìn)高速工具鋼制作工藝的發(fā)展進(jìn)步。因此，通過控制淬火溫度，做好預(yù)熱工作，能夠提升高速工具鋼的鍛造質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[3]王麗梅，康寶軍.延長高鉻模具鋼壽命的鍛造工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2013，（05）：72-73.