高速鋼熱處理公式

趙步青，徐利建，胡會峰，朱昌宏，蔣榮坤

1.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

2.金華東山機械廠 浙江金華 321000

3.江蘇晶工工具有限公司 江蘇丹陽 212312

1 序言

高速鋼是高速工具鋼的簡稱，在我國冶金行業(yè)簡稱“高工鋼”，民間俗稱“鋒鋼”，因為在空氣中淬火能達(dá)到63HRC以上的高硬度，所以也有人稱之為“風(fēng)鋼”。它雖然產(chǎn)量不大，但對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著舉足輕重的作用。縱觀當(dāng)今世界上所有的鋼種，無論其化學(xué)成分、組織、性能之間的復(fù)雜關(guān)系，還是冶煉、澆注、鍛造、軋制、拉拔、塑性成形和熱處理整個過程的難度，高速鋼無疑是最難的鋼種之一。有人說“高速鋼奧妙無窮”，也有人說“高速鋼變化莫測”。為了解決上述問題，傳統(tǒng)的做法是進(jìn)行一系列的工藝試驗，計算或測定鋼的臨界點、適合不同產(chǎn)品的淬火溫度，但在實際生產(chǎn)現(xiàn)場不可能快速制定合理的熱處理工藝。為此，我們熱處理工作者經(jīng)過數(shù)年不懈地努力，通過科學(xué)試驗總結(jié)出有價值的定量化的經(jīng)驗公式和數(shù)學(xué)模型，為今后熱處理工藝的定量化、程序化和數(shù)字化提供了寶貴的經(jīng)驗和重要依據(jù)。以下匯集了高速鋼熱處理公式，實用性、可操作性強。

2 熱處理公式

2.1 高速鋼碳飽和度公式

碳是高速鋼中最重要的元素，碳含量的多少將直接影響鋼的性能，其合適的含量，應(yīng)根據(jù)碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等含量來確定。從鋼號標(biāo)準(zhǔn)可知，HSS鋼C含量較低，HSS-E鋼C含量較高，接近于“平衡碳”。所謂的“平衡碳”是指鋼中所有的碳化物形成元素按碳化物定比關(guān)系達(dá)到平衡的碳量，此時可產(chǎn)生最大的二次硬化效果。

通常可按式（1）進(jìn)行近似地計算[1]，即

式中CS——理論上計算所得的平衡碳；W、Mo、Cr、V——分別表示各元素的實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。平衡碳又稱定比碳。

平衡碳（CS）與實際含碳量（C實）之差為平衡碳差值（△C），即

C實與CS的比值叫碳飽和度，常用“A”來表示[2]，即

由于A值高低對鋼的性能會產(chǎn)生很大影響，所以鋼廠、工具廠都十分關(guān)注。對其反應(yīng)最敏感的是硬度，A值高則硬度高，A值低則硬度也低，這就是為什么成分雖然均符合國標(biāo)，但A值低，會造成硬度達(dá)不到64HRC的真正原因。M2鋼的A值與淬火、回火后的硬度關(guān)系見式（4），即

2.2 高速鋼的熱處理參量

由于熱處理的一切變化，都是在溫度的驅(qū)動下，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r間才完成的，所以熱處理工藝曲線往往是以溫度-時間形式來表達(dá)。鋼在加熱時，淬火加熱溫度和保溫時間都很重要，只是溫度的作用更大一些，但絲毫不能小視時間的作用，兩者的作用應(yīng)綜合考慮，可以用淬火參量公式來表達(dá)。高速鋼的淬火參量表達(dá)式為

式中Pc——淬火參量；

tc——淬火加熱溫度（℃）；

τc——淬火加熱時間（s）。

式（5）中，Pc代表了加熱溫度和加熱時間的綜合作用。在淬火過程中，無論加熱溫度和加熱時間怎么變化，只要兩者最終作用結(jié)果的淬火參量相同，那么奧氏體化的程度也應(yīng)該相同，由此派生出快速加熱和半快速加熱的新理念。

高速鋼的回火也有一個回火參量公式，其表達(dá)式為

式中Ph——回火參量；

th——回火溫度（℃）；

τh——回火時間（s）。

盡管回火溫度、時間有所不同，但只要回火參量相同，回火后的效果就相當(dāng)。由此派生出高溫快速回火的新工藝。

2.3 高速鋼淬火加熱時間

高速鋼在鹽浴爐中的高溫加熱時間應(yīng)易名為浸液時間，簡化為式（7），即

式中t——加熱時間（min或s）；

α——加熱系數(shù)（min/mm或s/mm）；

D——工件的有效厚度或直徑（mm）；

K——工件裝爐修正系數(shù)，通常取K＝1.0。

加熱系數(shù)一般取8～15s/mm，可根據(jù)工件有效厚度的不同來選取，見表1。

表1 加熱系數(shù)的選擇

2.4 高速鋼模具熱處理

隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，高速鋼大量進(jìn)入模具行業(yè)，尤其以中小模具為最常見。高速鋼用于制作模具時，其淬火加熱溫度比刀具要低50～80℃，而回火溫度往往又高于刀具的常規(guī)回火溫度，筆者在實踐中摸索出W18Cr4V、M2鋼淬火溫度與硬度關(guān)系的經(jīng)驗公式[3]，即

t(W18）——W18Cr4V鋼淬火溫度（℃）；

t(M2）——M2鋼淬火溫度（℃）；

H——要求硬度的平均值（HRC）。

需特別指出的是，第一次回火溫度擬用580～590℃，第二、第三次回火溫度用常規(guī)溫度550℃。

2.5 根據(jù)鋼的成分確定淬火溫度

高速鋼的淬火溫度臨近其熔化溫度，稍不留神就會出現(xiàn)超標(biāo)過熱及過燒問題，因此精準(zhǔn)地確定淬火溫度是十分重要的。確定淬火加熱溫度可以用數(shù)學(xué)模型t＝Tc－K和輔助計算機來完成。其中，Tc為晶界熔化溫度，K為常數(shù)。對于 W-Mo系高速鋼來說，導(dǎo)出K＝（43±10）℃，為運算方便取K＝43℃。

式中t——淬火加熱溫度（℃）；

C——碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）；

W——鎢含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）；

Mo——鉬含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）；

V——釩含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。

對于各元素含量，按GB/T 9943 —2008《高速工具鋼》的技術(shù)要求，取成分的中間值計算，M2鋼最適宜的淬火溫度為1216℃、9341鋼為1213℃、4341鋼為1168 ℃。對于已知成分而不知熱處理工藝的新牌號高速鋼，可以按照此法，并結(jié)合爐前試驗來確定其淬火溫度[4]。

2.6 ASTM晶粒度級別與國外通用的截數(shù)法互換公式

高速鋼淬火后的正常組織為馬氏體（M）＋殘留奧氏體（rR）＋碳化物（K）。馬氏體為隱針，侵蝕后呈白色，很難觀察到針的輪廓，rR侵蝕后也為白色，無法與M相區(qū)別，淬火后顯微鏡下只能看到奧氏體的晶粒大小與碳化物。歷次修訂的JB/T 9986—2013《工具熱處理金相檢驗》標(biāo)準(zhǔn)都對高速鋼刀具淬火晶粒度作了具體規(guī)定。ASTM（美國材料與試驗學(xué)會）晶粒度級別與國外通用的截數(shù)法見式（11），對應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 ASTM晶粒度與Snyder-Graff晶粒度的對應(yīng)曲線

式中G——ASTM晶粒度；

S-G——Snyder Graff晶粒度。

3 硬度的換算關(guān)系

與高速鋼熱處理有關(guān)的硬度表示有洛氏硬度、維氏印度、布氏硬度和肖氏硬度等，國際交流多以HV表述，工廠最適用的是HRC。

3.1 洛氏硬度和維氏硬度的換算

洛氏硬度和維氏硬度的換算式為

將式（12）修正后獲得式（13）、式（14），即

也有人通過驗證，得到

式（15）與國家標(biāo)準(zhǔn)試驗換算式對照，其誤差僅為±0.1HRC。另外，還有人得出下列關(guān)系式，即

3.2 洛氏硬度與布氏硬度的換算

洛氏硬度與布氏硬度的換算式為

3.3 洛氏硬度和肖氏硬度的換算

肖氏硬度又稱回跳硬度，已列入GB/T 4341.1—2014《金屬材料 肖氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》。由于肖氏硬度計具有便于攜帶、操作方便、測試迅速、壓痕淺而小等特點，因而適用于冶金、重型機械行業(yè)，以及長而大的工件、原材料進(jìn)行現(xiàn)場測試。

洛氏硬度和肖氏硬度的換算式為

在德國、日本生產(chǎn)現(xiàn)場看到高硬度的機械刀片硬度標(biāo)識也為肖氏硬度，現(xiàn)場測量也是用肖氏硬度計，不許用HRC標(biāo)測，以防將刀片打裂。

4 強度和硬度換算的經(jīng)驗公式

抗拉強度和硬度換算的經(jīng)驗公式為

對應(yīng)式（20），可精確地?fù)Q算成下式，即

5 感應(yīng)加熱電流透入深度和頻率的關(guān)系

感應(yīng)加熱時，電流透入深度和頻率的關(guān)系為

式中d——電流透入深度（mm）；

ρ——材料的電阻率（Ω?cm）；

f——電流頻率（Hz）；

μ——材料的相對磁導(dǎo)率，當(dāng)鋼加熱到居里點以上時，μ＝1。

安徽嘉龍公司從2016年開始對高速鋼機械刀片進(jìn)行感應(yīng)淬火，試驗成功后應(yīng)用多年，質(zhì)量穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

高速鋼理論深奧，但現(xiàn)場熱處理并不復(fù)雜，而經(jīng)驗公式十分寶貴，很能解決實際問題，收到妙手回春的效果。