特种钢宝钢锋：工艺创新日新月异

第二节　宝钢锋从工艺出

随着近代冶金技术的发展，工具材料已逐渐形成专门的系列。工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三类。

工具钢在国民经济建设中的作用是巨大的，因为工具在各类生产活动中具有非常重要的作用，对产品的质量和生产效率的提高具有重要的意义。模具、刃具、量具是工业生产中使用量很大、影响面很广的重要基础部件，是机械制造业发展水平的重要制约因素之一。

现代机械加工技术正朝着高速、精密和批量生产的方向发展，所以对工具钢的要求日趋苛刻。碳素工具钢的产量，在三大工具钢中占的比例最大，高速工具钢、合金工具钢和碳素工具钢三类工具钢的产量比例大约为1：3：5。碳素工具钢虽然成分简单，但质量要求高，产量大，仍然是工具钢的重要产品之一。随着工业的发展，对模具的使用日趋增多。用模具进行生产具有产品批量大、效率高、成品尺寸一致、质量稳定可靠、原材料消耗少等特点，是重要的无切削和少切削新工艺之一。此外，刀具是切削加工的主要工具，碳素工具钢由于其硬度的限制一般只能制造手工工具和较低速度下切削使用的工具，但由于其应用范围广、消耗量大，所以它的质量问题也不容忽视。

碳素工具钢不含合金元素，主要依靠钢中的碳进行强化。在钢中加入少量的锰，用于制作刃具、模具和量具的碳素钢，与合金工具钢相比，其加工性良好，价格低廉，使用范围广泛，所以它在工具生产中用量较大。碳素工具钢价廉易得，易于锻造成形，切削加工性也比较好。碳素工具钢的主要缺点是淬透性差，需要用水、盐水或碱水淬火，畸变和开裂倾向性大，耐磨性和热强度都很低。因此，碳素工具钢只能用来制造一些小型手工刀具（图19）或木工刀具以及精度要求不高、形状简单、尺寸小、负荷轻的小型冷作模具，如用来制造小冲头、剪刀（图20）、冷冲模、冷镦模等。碳素工具钢的热处理工艺可以简单地概括为正火、球化退火、淬火、低温回火等工艺过程。其中，球化退火工艺有以下几种：一是在稍低于Ac1的温度下长时间加保温球化退火；二是缓慢冷却球化退火；三是等温球化退火；四是反复循环球化退火；五是形变球化退火；六是快速球化和往复热处理多次球化法等。

图19

图20

对于某些低速而且走刀量较小的机用工具，以及要求不太高的刃具，如丝锥、板牙等刃具，可以使用碳素工具钢T7、 T8、 T10、 T12来制作。碳素工具钢价格低廉，易于锻造成形，切削加工性也比较好。但是碳素工具钢的的不足之处也十分明显，需要采取一定的措施以弥补这些不足。为了克服碳素工具钢的缺点，人们在其基础上加入3%～5%的合金元素就形成了低合金刃具钢。那么怎样对低合金刃具钢进行热处理呢？首先需要对低合金刃具钢进行必要的预先热处理。低合金刃具钢的预先热处理为球化退火，是将钢加热到比Ac1再高20℃～30℃的温度，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却。这么做的目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火做好准备。这种工艺有利于塑性加工和切削加工，还能提高机械韧性。预先热处理之后要进行的是淬火和低温回火。淬火是将金属工件加热到某一适当温度后保持一段时间，随即再浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺，而低温回火是将淬火后的零件再次加热到150℃～250℃，回火后的钢组织为回火马氏体，这时的钢材具有高硬度和高耐磨性的特性，但内应力和脆性降低，因此低温回火又称“消除应力回火”。淬火和低温回火使钢材的组织变为回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体的混合体，这么做的目的是大幅度提高钢的强度、韧性及抗疲劳强度，并可使这些性能得到有机组合以满足不同的使用要求。常用的钢在加热到临界温度以上时，在室温下原有的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当内应力大到一定程度时，工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。例如以9SiCr钢制造的圆板牙是切削加工外螺纹的刀具，这种刀具要求钢材中的碳化物分布要很均匀。当然，这种刀具希望可以找到又硬又耐磨的钢材来制造，这样才不会因为齿形的变形很大而影响使用。这种刀具制造过程比较复杂，通常需要经过下料、球化退火、机加工、淬火、低温回火、磨平面、抛槽、开口等工艺过程才能完成。经过热处理后的钢材适宜切削加工，降低了残余应力，保留了较高的硬度值，较好地满足了生产上的要求。(https://www.xing528.com)

高速钢是高速工具钢的简称。在我国冶金业中一般简称为高工钢，民间还俗称为锋钢。近年来，高速钢材世界年产量约为25万吨，我国年产约3万～4万吨。它虽年产量不大，但由于成分复杂，合金含量高，生产工艺与性能特殊，价格昂贵，因此在特殊钢中一直占有独特的地位。高速钢属于高碳高合金莱氏体钢，是特殊钢中通过特殊热处理获得的具有极高硬度和高耐磨性的耐热耐磨钢类，其主要用途为制造各种机床的切削工具，也部分用于高载荷模具、航空高温轴承及特殊耐热耐磨零部件等。

从高速工具钢基本特性来看，热处理对提高钢性能的重要性是不言而喻的。高速钢材生产加工过程中离不开它，最终产品的性能更要依靠它来实现。热处理的内容包括退火、淬火、回火等常规热处理工艺，还有特殊热处理、表面化学处理及其他硬化处理等工艺过程。

退火热处理在钢材生产加工中应用较多。高速钢制造过程中常用的退火处理包括钢锭退火、变形后的中间退火和成品材（丝）退火等。前两者的目的基本上是为了消除应力、防止冷裂、降低硬度、方便修磨表面缺陷及改善塑性等，后者则是为了保证产品出厂交货硬度和为产品进行最终处理做好组织准备。在工具制造部门，对高速钢的退火处理也有相同之处，使用的退火方式（完全退火、等温退火、软化退火）及工艺要求与钢材生产工艺中的退火部分完全相同。不过应该强调的是，冶金厂成品钢材退火考虑硬度方面的因素比较多，考虑组织方面的因素比较少，故退火不完全的情况时有发生。工具行业对退火组织要求高，退火温度不能过低，退火相对更为充分。

淬火处理是影响高速钢制品使用状态及性能最敏感的工序，也是工艺控制难度最大的工序。其构成一般分为预热、加热和冷却三部分。预热是为了避免内应力过大而发生变形和开裂，并可缩短高温停留时间；加热则包括升温、热透及保温三个过程。加热工序的目的是获得一定合金度的奥氏体，但不能发生晶粒长大和碳化物过热引起的碳化物形态变化；冷却则一方面要将高合金奥氏体过冷到600℃以下，保证转变成马氏体或下贝氏体，另一方面又不能使工件截面温差过大而引起变形和开裂。因此，要求600℃以上时的冷却速度必须达到能够最大限度地抑制二次碳化物的析出。600℃以下，则要缓慢冷却，或者促使奥氏体等温分解成贝氏体。为此有分级、油冷及等温淬火三种主要冷却方式。

高速钢进行二次硬化回火，在高温下进行的过程包含两个内容：合金碳化物自马氏体中析出和残留奥氏体的催化（促使冷却时二次马氏体的形成），都是由扩散控制的。凡此种过程，在达到相同的反应条件下，将温度与时间控制在一定的范围内在工程上是可以实现的。

各种传统的表面强化和防护热处理方法在高速工具钢上都得到了应用。由于经济效益显著，人们在老式的氧化（发黑）、电镀和渗氮等工艺的基础上又开发了众多的新型表面强化与防护方法。其中有一些，如蒸汽处理几乎是专为高速钢刀具所用。按处理过程的性质及表面变质层与基材结合的性质，这些方法可以分为渗入、涂镀、形成化学转化膜及浅表层淬火硬化等四大类。渗入法就是指异类元素原子通过介质传输至工件表面而被吸收。因渗入元素在铁基体中有一定的溶解度，在工件表面与内部形成了浓度梯度，建立起扩散通道，铁基体由外向内逐渐被渗入元素所饱和，在饱和层与成分未变区域之间有一个浓度连续变化的过渡层。这种表面变质层与基体的结合称为“冶金结合”，是各种表面处理法中结合最牢固的。涂镀法采用真空涂镀、离子镀、喷涂等方法，在表面涂上一层高性能物质层。形成化学转化膜法通过介质中的元素与钢中某元素（通常是铁）的化学作用形成化合物膜层。表面浅层淬火硬化法是针对近年来激光淬火在高速钢工具上应用而分出的一个类别。作为工具的最终处理，表面强化与防护技术可做到表面无氧化，刃磨后工具的精度不因浅表层的二次淬火而发生变化，经回火后二次淬火层的硬度显著高于基体材。

商品刀具相比自用刀具对表面处理工序提出的要求有所不同。商品刀具很注意色泽的商品效果，尤其注意大批、长期生产时色泽的均一性。另外，生产者也很关心商品抵抗大气腐蚀的能力。从某种意义上讲，此类商品刀具对色泽及保护作用方面的要求甚至超过对使用性能提高的兴趣。 自用工具则相反， 自用工具侧重于使用效果，即加工能力的提高和寿命的延长，而对色泽几乎不提出要求。