浅谈高速工具钢的锻造和热处理

邹善垚

摘 要：掌握高速工具钢的锻造和热处理工艺能够满足高速切割的需求。基于此，本文阐述了高速工具钢的制造材料和锻造工艺技术，同时提出了高速工具钢热处理工艺，包括余预热技术、淬火温度、冷却技术，三次回火技术等，并根据以上技术内容，提出了高速工具钢热处理工艺的发展趋势。通过论述以上内容，来为技术人员提供一些参考。

关键词：高速工具钢；锻造工艺；热处理

中图分类号：TG316 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0047-02

随着我国制造业装备技术的发展，工程材料的应用逐渐成为关键。通过选择合适的锻造材料，应用准确的锻造工艺，能够确保产品的性能和质量，进而提升设备的使用效果。因此，从事机械设计与制造的各类工程技术人员，需对材料具有技术性、经济性及质量性的价值观念，以此促进制造业设备的发展进步。

1 高速工具钢的材料要求

高速工具钢的材料、参数等内容会严重影响设备的使用效果，这就对高速切削有了很高的要求，不仅要保证刀具材料有良好的耐热性和抗冲击性，同时还要具备高温力学性。

（1）高可靠性。高速切割一般用在数控机床和设备的加工中心上，因此，需要确保设备的使用可靠性，否则会降低工具钢的生产效率，甚至出现报废品，影响设备的运行效果；（2）高耐热性及高温力学性能。在进行高温切削的时候，温度比较高，所需要的高强温度、硬度、氧化度等各项性能要和原材料中的碳化物、溶解度相契合。此外，技术人员还需要对新型的刀具和锻造材料进行设计，来满足时代的需求，进而促进高速工具钢制作工艺的发展进步[1]。

2 高速工具钢的锻造工艺

2.1 高速工具钢的锻造特征

高速工具钢的碳含量为WC=0.16-1.6（%），合金质量要大于总量的10%，合金主要由钼、镉、铝等金属元素构成，一般来说，合金元素能够使得碳在-Fe的最大溶解度中不断减少，出现铸态莱氏体。在高速工具钢锻造的过程中，碳化物会呈现出还鱼骨状，严重影响工具的硬度及刚度，导致工具钢的使用效果差。这种鱼骨状合金碳化物相对较脆，无法使用加热原理进行消除，需要通过反复锻造。当合金的锻造比达到10的时候，工具钢中的碳化物的分布才会均匀，所以，需要将碳化物作为合金锻造的重点，来提升高速工具钢的质量。

2.2 高速工具钢的锻造技术

由于高速工具钢的可塑性较差，同时变形的抗压力较大，实际的锻造过程中，会产生很多裂纹，影响工具钢的是使用效果，甚至出现报废品。因此，在锻造的过程中，需要注意以下几点内容[2]：

（1）在工具钢逐渐加热的过程中，需要及时清理锻造面的表面缺陷和剥皮，使得整个锻造的钢具是一个整体，来防止锻造的时候，导致裂痕扩大，影响使用质量；（2）在高速工具钢锻造的时候，技术人员需要掌握好轻重程度，在不同的温度环境下，使用不同的打击力度。比如当钢材在1050℃-1180℃时候，技术人员要使用轻击的方法，对材料进行敲击，来炼合钢材的内部碳化物，防止开裂；当钢材的温度在950℃-1050℃的时候，技术人员要适当加大力度，采取重擊来打碎内部的碳化物；当钢材在900℃-950℃时候，技术人员还是要采用轻敲击的方法，来打击钢材，防止开裂；当温度在85°0C-900℃的时候，技术人员要对整个钢材进行最后一次平整修光，在修整的同时，需要确保钢材的温度小于1000℃，否则会导致钢材的内部生成碳化物；（3）需要严格控制锻造过程中的温度，来让整个流程都保持规定所需要的温度。当钢材的温度下降的时候，需要立即返炉；当钢材的温度上升时，就需要立刻减轻击力，提升锻造的质量；（4）要做到温度与变形量的均匀统一。如拔长时，送进量要控制在锻件高度的0.6-0.8倍范围内，送进量过小，无法锻造；或者送进量过大，容易产生裂纹；（5）高速工具钢锻后，需要在空气中自然冷却即能自行淬火，提高锻件的硬度和脆性，但由于冷却时的温度应力较大，产生裂纹的可能性也较大，因而必须进行缓慢冷却，方法如：对于小锻件可在炉内保温后随炉冷却至50℃出炉室冷；对于大锻件，应放在700℃-750℃的炉中随炉冷却到650℃后，再放入灰坑中冷却到100℃以下取出。

3 高速工具钢的热处理工艺

高速工具钢的热处理工艺，其中主要包括了预热力、淬火、三次回火等内容，通过对这几部分进行探讨，能够提升高速工具钢的工艺技术。

3.1 预热

由于高速钢中含有较多的合金物质，这些合金物质相较于其他物质，导热性比较差，如果使用很高的温度，来进行热处理，会导致钢材的内部出现裂痕，增加变形开裂的可能。同时，如果将处于冷态的高速工具钢直接进行加热，能够导致钢材在高温环境下，停留的时间较长，增加了氧化及脱碳的可能性。因此，在进行高速钢淬火前，需要进行二次预热，减少高温炉之间的稳温差，以此降低碳化物的形成。

3.2 淬火温度

由于高速工具钢是一种合金，其中含有很多元素，包括钼、铬等难以锻造的碳化物，这些碳化物只有达到一定温度才能消除，熔入到奥氏体中。当奥氏体中的碳化物含量越来越多，马氏体的合金浓度也越来预高，工具钢的硬度及韧度才能得到优化。如果温度超过1200℃，达到1300℃以上，虽然碳化物中的各元素的熔解量持续增加，但奥氏体晶粒却也会产生变换，甚至发生了溶化现象，致使工具钢的硬度及韧性性能全部下降。由此，技术人员在淬火的过程中，需要控制好淬火加热的温度及时间，当淬火温度和时间都满足工具钢的加工需求的时候，要尽量采用相对温度较低，时间较短的加工方法，来最大程度上，保证工具钢的锻造效果。一般来说，工具钢的淬火时间需要按照加工件的最大直径长度，或者是钢材的厚度来计算，选择出合适的淬火温度；加热系数一般是8-11s/mm。对于厚壁件，可按此计算；对于薄壁件，加热的时间要超过2min，但不能过多。

3.3 冷却

虽然通过空冷技术也能够获得马氏体，但由于钢材的表面非常容易氧化，释放出一些碳化物，导致淬火硬度和红硬性下降，因此，在进行高速钢的冷却技术时，大多会使用油冷，能够保证钢材的淬火硬度在HRC63以上。

3.4 三次回火

为了消除高速工具钢的淬火应力，稳定结构，减少参与奥氏体量，高速钢通常需在二次硬化峰值温度下回火三次，方能得到各项性能的最佳组合。淬火后大部分转化为马氏体，参与奥氏体量只有25%左右，通过第一次回火，约有15%左右的残余奥氏体转变为马氏体；通过二次回火又有6%左右的残余奥氏体转变为马氏体；在经过第三次回火后，残余奥氏体的剩余量约在1%-3%之间，硬度达到了HRC65，组织为黑色回火马氏体，少量残余奥氏体、颗粒状碳化物。

3.5 热处理工艺的发展方向

高速切削发展进步是建立技术基础上的，很多发达国家都纷纷发展适合高速切削的先进刀具，比如硬质合金、陶瓷刀具等，都具有很好的优点，可以应用在多种工件材料与切削速度。因此，在今后高速工具钢的发展过程中，使用陶瓷刀具能够得到更大的发展。锻造技术的进步，在满足各种加工需求及新型的加工材料发展的影响下，热处理工艺不仅要保证高速工具钢指标质量，还需要在切削过程中，降低环境污染。现如今，有一种被称为纳米复合材料，具有增加鋼材的韧度，补充钢材强度，环境污染小的特点，应用十分广泛。因此，通过对刀具进行合理的设计与开发，能够将高速切削刀应用在多个研究方向，进而促进高速工具钢的发展[3]。

4 结语

综上所述，强化高速工具钢的锻造和热处理工艺能够促进工具钢的发展。在此基础上，严格控制锻造过程中的温度，使得整个流程都保持规定所需要的温度，当钢材的温度下降的时候，增加打击力度，能够提升锻造的质量；同时，技术人员还需要对新型的刀具和锻造材料进行设计，来满足时代的发展和进步，促进高速工具钢制作工艺的发展进步。因此，通过控制淬火温度，做好预热工作，能够提升高速工具钢的锻造质量。

参考文献

[1]陈柳兵.杭钢宁钢试制成功高碳共析工具钢[N].中国冶金报，2017-12-06.

[2]韩凤军，李涛，孙大力，等.锻造方法对高合金工具钢碳化物不均匀度的影响[J].钢铁研究，2016，（01）：32-34.

[3]王丽梅，康宝军.延长高铬模具钢寿命的锻造工艺研究[J].金属加工（热加工），2013，（05）：72-73.