材料是搞好热处理的基础

要搞好热处理，制造出高质量、高寿命的切削刀具，必须选好材、用好材，材料是冶金质量的基础。
    一个合格的热处理工作者，必须认真研究原材料的化学成分和组织对热处理及产品性能的影响。

国内外大量的切削试验证明：同一种牌号高速钢制件的尺寸和精度相似的切削刀具，国内外不同钢厂，甚至同一钢厂的同一批材料，热处理工艺相同，但切削寿命相差很大，有时甚至高达20倍，究其原因是原材料的质量波动造成的。因此材料的选择和应用都是不可忽视的因素。

01
材料种类的影响选择

合理正确地选用原材料是获得高寿命的重要条件，以刀具为例，所谓合理的选材，就是要根据种类、规格、被加工材料和具体的切削条件等情况，根据切削刀具对耐磨性、韧性、红硬性等工艺性能要求，再根据材料属性所具备的各项性能指标来正确选择相应原材料的种类和具体规格牌号，最大限度地满足刀具对材料的性能要求，再通过精密热处理技术，达到高质量、长寿命的切削效果。 

    国内外刀具行业对韧性的重视程度，我们要在确保韧性的前提下提高硬度，而不是一味地追求耐磨性，对于一般刀具来说，高速钢的红硬性已能满足工况需求，但在高速切削或加工难切削材料时，红硬性就是最重要的性能要求。用同种、同规格钢材制作同种的刀具，根据具体的切削条件如被加工材料的硬度、可加工性、切削速度、进给量、切削深度和是否干切削等情况，性能要求有异，例如重切削中无冷却液的车刀对红硬性的要求是第一位的，而精加工中车刀以耐磨性为主，故制定热处理工艺时必须个性化。
GB/T9943-2008《高速工具钢》将高速钢分为三个档次，低合金高速钢（HSS-L）、普通高速钢（HSS）、高性能高速钢（HSS-E）。HSS、HSS-E在耐磨性、韧性、红硬性及工艺性能方面都有其特点。
      根据刀具的性能要求及高速钢固有的特性，我们在选材及热处理方面积累了比较成功的经验，比如锥柄钻用9341钢；普通拉刀用M2、重要拉刀用高性高速钢；车刀选用W18或T15；切纸刀选W18；丝锥选M2钢或高钒高速钢。

02

原材料质量的影响
    符合国家标准的钢材不一定是好材料，根据笔者50多年从业经验，认为按标准材料制造出来的刀具产品，达到合格不成问题，但要制出名优特色产品，仍需深入研究。
    2.1 碳是钢中最重要的元素
    钢是铁碳合金组成的，在所有的钢中，“碳”是最重要的元素，没有之一，哪怕是0.01%C（质量分数）的变化都会对钢的硬度及力学性能产生影响。笔者关注和研究钢中的“碳”，选择不同的含碳量，创造出多个优质产品，解决了不少实际问题，总结出如何选择合适的含碳量制件。比如M2钢制造的钻头其含“碳”量不得低于0.84%（国标0.80%~0.90%），用45钢制造的丝锥板牙其含“碳”得低于0.45%，用低“碳”合金钢制造的汽车防滑链其含“碳”必须选中上限，按国标3Cr2W8V钢制造热作模具含“碳”量必须选中下限。
    所有钢的临界点，并不是一成不变的温度点，而是一个成分变化的温度带。钢号相同，碳含量不同，其淬火温度也随之而变化。明白了这一点，不盲从手册数据，就可以科学地制定热处理规范，更好地挖掘钢的潜力，不断提高热处理工艺水平。
    2.2 碳化物偏析的影响^[2]
        GB/T9943—2008标准将高速钢中的碳化物不均匀度分为8个等级，级别越大高偏析越严重，碳化物偏析越严重热塑性越差，在锻造时发生锻裂的几率越大。经分析发现，200mmx3mm锯片锻裂的碳化物不均匀度均大于4级。
    碳化物不均匀度严重时，盐浴淬火加热淬火时会出现晶粒度不均匀的现象，甚至产生混晶现象，碳化物不均匀度严重，碳及合金元素在奥氏体中的溶解度降低，将会降低钢的硬度及红硬性。在碳化物集中处，淬火后残留奥氏体增多，造成回火困难。沿着杆状刀具纵向分布的碳化物带，在淬火加热和冷却时会加大畸变。当碳化物不均匀度严重时，高速钢刀头与45钢刀柄焊接时易产生共晶结构区或烧伤。这不但降低了焊接区域的韧性，而且会使钢的加工性能变坏，降低刀具寿命。
    碳化物不均匀度对钢的力学性能亦有影响，据统计分析W18钢碳化物不均匀度从3级增大到7级，抗弯强度、冲击韧度、扭曲弯强度均下降25%以上，在600℃×4h后的红硬性下降1.5HRC。
    碳化物不均匀度对刀具寿命有很大的影响：在加工齿轮用的滚刀中，当碳化物不均匀度超过5级、并存在大块碳化物聚集时，基本上是以崩刃或掉牙形式失效。在对刀具进行寿命试验时发现，在磨损0.20mm时，碳化物不均匀度5~6级比3~4级平均寿命降低10%，7~8级则降低29%。某工具厂曾收集崩齿、掉齿的齿轮滚刀进行金相分析，发现98%以上碳化物不均匀度都超过了5级，说明碳化物不均匀度对刀具的寿命影响太大了，所以要发展粉末钢、喷射钢。
    2.3 钢材化学成分波动的影响

每种钢的淬火加热温度是它化学成分的函数，成分和淬火温度的关系，不同的钢种有不同的表达形式，比如高速钢是：可以这样描述（t=5/9(2278-200C+8W+5Mo+40v）-43^[3] 。式中t一淬火加热温度（℃）；

C、W、Mo、v分别代表各质量分数。
    对于各元素含量，按GB/T9943—2008标准，取各成分的中间值计算，6542、9341、4341钢的t值分别为1216℃、1213℃、1168℃。
    在现实生产中常常发现同一牌号的高速钢，在同一淬火温度下，晶粒度相差很大。苏联对大量炉号的统计：P6M5（M2）钢1200℃淬火，不同炉号的晶粒度为8~12^#号全部囊括，为了保证得到9.5~10^#号理想的晶粒度，淬火温度必项调整至1195℃～1245℃。为什么不同炉号的钢淬火温度会产生如此大的差异，笔者花了三年多的时间解决了这个难题。分析德国、日本、美国等工业发达国家时发现，钢材成分波动范围很小，淬火加热温度几十年不产生变化，淬火炉前也不看金相。和国外热处理时最大的区别是冶炼时炉前成分控制不严、成分波动大，管理不严、混炉号淬火，造成一系列问题。
    2.4 锻轧和退火的影响
    高速钢材料的锻造、轧制及随后的退火对产品质量亦有较大影响，但往往被人们忽视，发生质量问题还找不到原因。以M2钢为例，锻造加热温度为1140℃~1160℃，始锻温度1040℃～1080℃，终锻温度900℃，过高、过低均不利于发挥钢的性能；根据经验，M2钢在1050℃轧制时，具有最高的抗弯强度和最高的切削寿命，究其原因是在此温度轧制的钢晶粒细小且均匀。锻轧以后的退火温度不宜太高，以830℃~840℃为宜，且退火保温时间不能过长，否则会引起碳化物聚集。淬火加热时不易溶入到奥氏体中，回火时碳化物析出数量少，无二次硬化，硬度往往达不到65HRC，刀具寿命低下。有人曾对M2钢等4种牌号的高速钢做试验，退火保温时间由20h延长至50h，其刀具寿命明显下降，下降幅度达30%~40%^[4]。由此可见，退火虽是简单的前处理工序，但也不能放任自流。

    发挥材料潜能的极致热处理有了好材料没有制造出好产品，那是很悲哀的事。笔者几十年的从业经验体会到：以M2钢制造φ8mm直柄麻花钻为例，要制造出好产品，必须满足以下条件，缺一不可。
    （1）原材料的碳饱和度必须>0.76，否则热处理后达不到65HRC以上的高硬度。
    （2）淬火加热淬火时时碳化物溶解充分，否则没有明显的二次硬化效果，影响钻头的耐磨性及红硬性。
    （3）淬火晶粒度控制在9.5～10级，实践证明，直径φ8mm的直柄麻花钻切削寿命最高。
    （4）回火必须充分，过热≤1级。
    （5）回火后的硬度≥65HRC。
     其他产品也是如此，材料是基础，有了好的材料，施以极致的热处理，一定能制造出好产品。
    04
    结束语
   （1）成分都标准的材料不一定是好材料，热处理工作者要根据具体产品特点精准选材，并进行相应个性化的热处理，是获得高寿命刀具不可或缺的条件。
   （2）碳是所有钢中最重要的元素，0.01%C的增减都会导致硬度和力学性能的变化。
   （3）碳化物是高速钢热处理核心精髓，不能出现网状、集聚或长大等现象。因为高速钢的所有热处理都是做碳化物的转变与转换工作，必须认真研究。
    （4）退火虽是最简单的预处理，但是施行过程中也要防止碳化物出现网状、聚集、长大和稳定化的情况。
   （5）热处理是充分挖掘材料潜力的重要工序，针对不同产品将热处理做到极致，才能创造出好产品。
几十年的热处理工作经验使笔者体会到，一个合格的热处理人，必须将所用钢材性研究透，施行正确的热处理工艺才能生产出长寿命的产品，为企业节能增效。原材料的质量对热处理及产品力学性能影响极大。如果不重视研究材料，要搞好热处理质量是很难的。

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