同步熱處理是指高速鋼工件在鹽浴熱處理時，實行淬火加熱、冷卻、回火各工序采用同樣的時間，即以同一節拍進行生產。它可以實現熱處理的全過程自動化。大大縮短生產周期，同時也保證了產品質量的一致性和穩定性。生產實踐證明，自動化生產的高速鋼工具，比普通熱處理工具的切削壽命可以提高20%~40%。

   實現同步熱處理的關鍵是正確選擇回火溫度和保溫時間，以便和淬火加熱的保溫時間相匹配，實現同節拍生產。圖6提供了W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Co5高速鋼的高溫回火溫度與保溫時間的關系，可以用于選擇回火規范時參考。

  ▲圖6   高速鋼高溫回火溫度與保溫時間的關系 

a）W6Mo5Cr4V2（1200℃加熱淬火）

b）W6Mo5Cr4V2Co5（1235℃加熱淬火）

   圖6中，在Ⅰ區內任何一點的回火溫度與回火時間搭配組成的回火規范，均可使高速鋼達到正常回火的目的。在Ⅱ區內選擇的回火規范會造成過度回火，在Ⅲ區內選擇的回火規范會造成回火不足。

七  高溫鹽浴熱處理表面脫碳的檢查和溫度控制

7.1 鹽浴加熱表面脫碳的檢測

   高速鋼工具在高溫鹽浴爐中加熱，雖然有對鹽浴定期進行脫氧的工藝，但由于加熱溫度高，脫氧過的鹽浴加熱工件，其表面也不可避免地要產生脫碳現象，因此將影響高速鋼工具的淬火質量。

   國外很多國家采用鋼箔法測量高溫鹽浴的脫碳傾向，這比測量鹽浴中氧化鋇的含量能更直接地反映出工具表面的脫碳情況。具體的方法是：用0.1mm厚、尺寸為70mm×20mm的含碳為1.0%的高碳鋼箔，在鹽浴的使用溫度下加熱8min，然后水冷。根據鋼箔的脫碳情況可以判斷鹽浴的脫碳傾向。

用這種方法判斷鋼箔的脫碳情況有以下三種做法：

(1)彎曲法。

   對加熱并水冷的鋼箔進行彎曲，根據鋼箔的彎曲程度，可以判斷鹽浴的脫碳傾向。根據經驗并結合化驗分析，可以確定某個彎曲度以上為合格標準。

(2)定碳法。

    化驗經高溫鹽浴加熱并水冷的鋼箔的碳含量，如果含碳量在0.96%以上，

即可確定鹽浴狀態良好。

(3)儀器法。

   由于鋼的碳含量不同，其熱電勢的高低也不同，因此可以利用測量鋼箔表面熱電勢的方法來顯示鋼的表面碳含量的高低。國外已有專門的儀器——交流器，來測量鋼箔的脫碳情況。

    圖7是這種儀器的原理示意圖，主要是利用兩個熱電對2和3，一個是被加熱的電極，另一個是冷的電極，兩個電極之間由于溫差產生熱電勢，并且這個電勢隨鋼箔表面的含碳量不同而有規律地變化。

▲圖7  交流器示意圖

1-機殼    2、3-被加熱的、冷的熱電對  

4-被測鋼箔  5-夾持壓緊器  6-夾持壓緊器外殼  

7-交流器的連接線和補償接頭

   由于鹽浴的脫碳情況不同，因而鋼箔的碳含量不同，所以在兩個電極之間產生的熱電勢不同，由此可以檢測出試樣的脫碳情況。由于事先測量了不同的碳含量鋼箔的熱電勢，因此很容易測出鋼箔的脫碳情況。

7.2 高溫鹽浴的溫度控制

  高溫鹽浴的溫度控制一直是個難題，其難點在于，在1200℃~1300℃的高溫下，由于沒有合適的耐高溫材料作保護管，無法直接用熱電偶作為感溫元件。長期以來一直采用輻射高溫計作為感溫元件。

   采用輻射高溫計作為感溫元件的最大缺點是由于輻射高溫計固定在鹽浴爐的上方，高溫鹽浴表面有大量的煙霧，影響測量結果的穩定性和準確性；且輻射高溫計測量的只是鹽浴表面溫度，這與鹽浴內部加熱的工件的實際溫度有一定的差值。

   有一種插入式輻射高溫計可以克服上述缺點。其結構如圖8所示。

▲圖8 插入式輻射高溫計示意圖

（1in即1英寸=25.4mm）

   它是在輻射高溫計的下面，接一個封閉的延長管，并把延長管插入鹽浴內部。在工作時，向管內通壓縮空氣，還可以吹走管頂端的煙霧。這樣就測到了鹽浴內部的溫度，并克服了煙霧對測量準確性的影響。

   制作插入式輻射高溫計的關鍵，是插入鹽浴內部的那一段管子的材料，它既要耐高溫，又要耐急冷急熱。一種稱為硅線石的陶瓷材料具有這種耐高溫又耐急冷急熱的性能，插入式輻射高溫計頂端的接管，就是用這種材料制造的。

   隨著對耐高溫材料的開發，已經可以制造耐高溫的熱電偶保護管，可以用高溫熱電偶直接插入鹽浴爐進行測溫、控溫，因而可以更穩定、更精確地控制高溫鹽浴爐的溫度。雖然國內外都已經有關于在鹽浴中試驗和使用高溫熱電偶的報道，但是，熱電偶套管的壽命是這項技術能否普遍應用的關鍵。

八    高速鋼工具的真空熱處理

   高速鋼工具在真空爐中進行熱處理，畸變小，表面光潔，無氧化脫碳，車間工作環境好，采用微機控制可以減少手工操作，工藝重復性好。工件在真空爐中加熱，只能靠輻射傳熱，加熱速度比鹽浴爐慢得多，必須采用多段預熱，長時間保溫。可采用3~4段預熱，4段預熱的溫度可以采用700°C、800°C、1050℃、1150℃。加熱系數可以延長到40~60s/mm。在裝爐量不太大時，可以采用接近或稍低于鹽浴爐加熱的淬火加熱溫度。例如W6Mo5Cr4V2高速鋼可以采用1200-1220°C。在裝爐量較大時，應注意爐子中心部位的工件被遮擋，形成“陰影"，造成較大的溫差，因此應當適當地延長淬火加熱的保溫時間。

   高速鋼工具在真空爐加熱淬火，現在大都采用高純氮氣冷卻（純度99.999%）。采用氮氣冷卻隨著使用壓力的加大，冷卻能力也增加。采用常壓氣體冷卻時，冷卻速度很小，只適用于很小尺寸或對硬度要求不高的零件。常壓氣淬工具畸變小，有碳化物自基體中析出，因此硬度和熱硬性顯著下降。圖9表示出了冷卻方式對高速鋼熱硬性的影響。

▲圖9  冷卻方式對高速鋼熱硬性的影響

   采用0.2MPa的壓力進行真空淬火時，高速鋼零件尺寸不能太大，否則也會產生硬度和熱硬性下降的現象。采用0.5PMa壓力淬火時，高速鋼工具尺寸可以達到100mm，接近鹽浴分級淬火的冷卻能力。也有的真空爐不增加或少增加冷卻氮氣的壓力，而是加大氣體流量，這樣也可以達到理想的冷卻效果。

   高速鋼工模具在真空爐中淬火時，容易產生混晶現象，即晶粒尺寸大小相差懸殊。有時也會因為冷卻不足而產生碳化物析出現象。工件表面合金元素脫離現象也是真理淬火容易產生的表面缺陷。

九  粉末高速鋼的熱處理

9.1 粉末高速鋼的特性

   粉末高速鋼采用熔融的鋼液高壓霧化制粉。經過篩選、裝罐壓實、抽真空密封和熱等靜壓等工序制成鋼錠，再經過鍛造、軋制而成為粉末冶金鋼材。

   粉末冶金鋼因為是由非常細小的的顆粒壓制而成，它的碳化物顆粒均勻細小，因此它克服了冶金高速鋼碳化物偏析帶來的一系列缺點，并誕生了冶煉法不可能制造的新成分高速鋼。下面敘述粉末高速鋼的一些特點。

9.1.1 改善了材料的力學性能

   與冶金法制造的普通高速鋼相比，粉末冶金法制造的高速鋼力學性能大幅度提高。粉末冶金法制造的M2（W18Cr4V）高速鋼力學性能，比普通M2高速鋼的韌性提高20%。表6為普通M42、T15和CPMM4高速鋼，在相近的化學成分和熱處理硬度條件下，力學性能的比較情況。

▼表6  部分粉末冶金高速鋼的力學性能

   粉末高速鋼熱處理后的硬度更均勻，組織也更均勻，工具不會因為碳化物堆積或存在大塊碳化物而產生刀尖崩刃現象。

9.1.2 改善了材料的工藝性能

   首先是改善材料的可磨削性，對大部分粉末高速鋼來說，可以比普通高速鋼成倍地提高可磨削性。由表6可見，CPMM42、CPMT15、CPMM4三個牌號粉末冶金高速鋼的磨削比，分別比普通高速鋼的磨削比提高2.8、3.7、2.5倍。

   普通高速鋼的含V量大于3%時就已經不易磨削，大于5%就幾乎不能磨削了。但粉末高速鋼T15的含V量為5%，仍然有較好的可磨削性。有的粉末高速鋼含V為9%依然可以磨削。

   粉末高速鋼還克服了普通高速鋼的鍛造困難、熱處理易過熱、開裂、畸變等缺點。

9.1.3 可制造出合金元素含量更高的新牌號高速鋼

   由于不再擔心碳化物的偏析問題和磨削及鍛造等工藝問題，粉末高速鋼的成分有巨大突破。首先是提高了鋼的含V量，幾乎所有的粉末高速鋼的含V量都大于3%，有的含V高達9.8%。同時還提高了剛的含碳量，幾乎所有的粉末高速鋼都是高碳高速鋼，含碳量均＞1.2%，有的高達2%。

   粉末高速鋼的價格比普通高速鋼昂貴，一般只有對特殊要求的齒輪刀具和難加工材料刀具才予以采用。

9.2 粉末高速鋼的牌號和成分

   目前粉末高速鋼的生產廠家主要在瑞典、美國、日本、奧地利等國。其生產的粉末高速鋼牌號和化學成分如表7所示。

▼表7  粉末高速鋼的牌號和化學成分

9.3 粉末高速鋼的熱處理

   各國高速鋼根據牌號和化學成分不同都有其相應的熱處理規范。以下為一些熱處理工藝參數舉例。

9.3.1 退火

   瑞典對其四種牌號和化學成分的粉末高速鋼推薦的退火規范為：850℃~900℃保溫后，以≤10℃/h冷卻速度，緩冷至700℃出爐。

9.3.2 淬火

   從熱處理基本原理來說，粉末高速鋼與普通高速鋼的熱處理應該是相同的，其差別在于粉末高速鋼的碳化物顆粒均勻細小，更容易溶入基體，因此相同化學成分的粉末高速鋼可以可以選擇比普通高速鋼低的淬火溫度，一般可以降低5℃~8℃。同樣，由于粉末高速鋼的奧氏體更容易均勻化，可以采用較短的保溫時間，一般可以比普通高速鋼的保溫時間縮短1/3 。

   各國粉末高速鋼根據牌號不同，其熱處理規范也不同。瑞典的四種牌號粉末高速鋼的淬火溫度均設為1160℃~1180℃。美國粉末高速鋼CPM Rex42的淬火溫度采用1230℃，CPM Rex20采用1190℃。奧地利的粉末高速鋼S390PM淬火溫度采用1150℃~1240℃。日本的幾種牌號高速鋼的熱處理規范見表8 。

▼表8  日本粉末高速鋼的熱處理規范

9.3.3 回火

   由于粉末高速鋼的碳化物均勻細小，奧氏體化更充分回火二次硬化更充分，所以同樣的回火規范回火效果更好。粉末高速鋼的回火溫度和保溫時間與普通高速鋼大致相同。一般采用兩次或三次回火。但也有的牌號粉末高速鋼回火溫度有所調整。例如，奧地利的S390PM粉末高速鋼回火溫度為500℃ 。

十  高速鋼的深冷處理

     高速鋼一般使用液氮做深冷處理。其流程如圖10所示。

▲圖10  液氮深冷處理箱示意圖

   在深冷處理箱中通常采用較長的保溫時間，其程序為：緩冷到-193.9℃，保溫10~40h，然后再升溫到50℃，最后緩冷到室溫。工藝過程由工控機控制自動完成。

   采用液氮深冷的工具如鉆頭、車刀、銼刀、絲錐、拉刀、齒輪滾刀等刀具比沒經過深冷的壽命提高2~4倍，高者可達5倍。詳見表9 。

▼表9  高速鋼深冷處理效果比較

十一  高速鋼刀具的表面強化

   高速鋼刀具的表面強化方法很多，蒸汽處理和氧氮共滲是目前國內在商品鉆頭上應用最多的處理方法。QPQ技術在國外應用較多，效果也很好。它適用于大量廉價的通用刀具。PVD氮化鈦涂層是強化的方法，價格較貴，適用于精密貴重刀具。液體硫氮共滲、點解強化、電火花強化、超聲波強化、鍍硬鉻等方法對自用刀具也有較好的強化效果。激光表面強化和離子注入等新技術也正在一起關注。

11.1 蒸汽處理

   蒸汽處理是很老但很實用的方法，至今在國內外在高速鋼鉆頭等工具上依然普遍應用。蒸汽處理是將工件在過熱的蒸汽中加熱，表面形成1~5μm厚的致密Fe3O4氧化膜。氧化膜不僅使工件有了漂亮的外觀，增加了工件表面的防銹能力，它還能儲存切削液，減少摩擦，從而延長工具使用壽命。

   蒸汽處理溫度為540℃~560℃，保溫時間60~90min。進氣壓力0.04MPa-0.05MPa。正常處理時爐膛壓力0.03~0.05MPa。處理次數為一次或兩次。工件的預清理可以采用化學脫脂法，或采用三氯乙烯氣相脫脂。氧化膜的檢驗方法是用質量分數為10%的CuSO3溶液浸蝕，10min內工件表面不析出銅為合格。

11.2 氧氮化（氧氮共滲）

   氧氮化處理是目前國內在高速鋼直柄鉆頭上應用最多的表面強化方法。它是在含氮和含氧的氣氛中做氧氮共滲，滲層內部是氮的擴散層，外層為氧化膜。滲氮層有較高的耐磨性，氧化膜起防銹作用，對提高切削性能也有一定好處。機標JB3192對氧氮化的質量和檢驗方法作了規定。高速鋼直柄鉆頭氧氮化層的深度應為15~45μm表面硬度為900~1150HV，氧化膜的厚度為1~5μm。氧氮化處理可以使直柄鉆頭的壽命提高50%~100%。

   氧氮化處理根據使用原料不同分為很多種，目前國內應用較多的是氨水或者氨氣和水蒸氣混合法。

11.2.1 氨水汽化法

   以質量分數25%的氨水滴入滲氮爐中分解。工件約350℃入爐，以45kw的井式爐為例，滴入量為140~160滴/min，排氣30min，升溫到540℃~560℃，滴量加大到200滴/min，保溫90~120min。出爐后空冷、浸油。這種方法設備投資少，但氨水的濃度不穩定，會引起滲層質量的波動。

11.2.2 氨水+水蒸氣混合法

   這種方法是，由液氨汽化和鍋爐水蒸氣混合后，通過加熱的爐子使混合氣的溫度升到250℃以上，然后再通入氧氮共滲爐中。通過控制水氨氣和水蒸氣的比例，可以控制深層中的氮濃度。通常氨水和水蒸氣的比例為1:1，氧氮共滲的溫度為540-560℃，保溫時間根據裝爐量的不同通常為1.5-3h。該法的優點是可以較大范圍內調節氮的濃度，缺點是質量不容易控制穩定，管道設備較復雜，設備投資較大。

11.3 QPQ處理

   QPQ處理是在鹽浴氮碳共滲基礎上開發的兼有耐磨和抗蝕雙重作用的表面強化技術。由于QPQ處理滲層中的氮的濃度更高，它比一般的氮碳共滲和氧氮化處理有更高的耐磨性，而且具有非常好的抗蝕性。它是目前國外在高速鋼工具上應用最多的表面強化方法。

  高速鋼刀具QPQ處理工藝：

1)去油。大量生產采用金屬清洗劑或噴砂，少量生產采用汽油清洗；

2)預熱。350-400℃的空氣爐中預熱15~20min;

3)氮化。530-550℃的鹽浴中，保溫10~40min；

4)氧化。350-370℃的鹽浴中，保溫15~20min；

 5)空冷一清洗→干燥→浸油

   滲氮鹽浴中的氰酸根含量的控制非常重要，通常應控制在30%-35%(質量分數)范圍內，最佳含量為32%-34%。影響強化效果最大的因素是滲氮的規范，滲氮規范的選擇最好以切削試驗為準。在某一滲氮溫度下，逐漸加長滲氮時間，并作相應的切削試驗，直到得到切削壽命。

   在滲氮爐中工件表面形成氮的擴散層，其深度為10~45μm硬度可達1200HV以上，但脆性很小。在滲氮爐中不允許形成化合物層，否則刀具的刃口會變脆。工件在氧化爐中處理后，在滲氮層的外面形成了一層厚度為1~3μm的氧化膜，對提高刀具的壽命也有一定好處。

   QPQ技術設備投資少，生產成本低，強化效果好，無公害，產品質量穩定。QPQ技術用于鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、齒輪滾刀和拉刀等刀具，均可提高切削壽命2倍以上。對切削耐熱合金和難加工材料效果更佳。

   這種方法不僅大幅度提高工具的使用壽命，而且可以大幅度降低工具使用壽命的分散度，提高工具壽命的穩定性。表10是對一盒10支鉆頭，取5支不作QPQ處理，另外5支作了QPQ處理后的壽命對比數據。

▼表10  QPQ處理對鉆頭壽命的影響

11.4 硫氮共滲

   硫氮共滲也稱硫氰共滲。滲層中除碳氮以外還有硫的滲入，硫在工具表面有潤滑和減少摩擦的作用。這種工藝通常可以提高刀具壽命1~2倍。

   硫碳氮共滲的鹽浴含有30%~34%(質量分數)的氰酸根，含氰根0.8%(質量分數)以下，鹽浴中加入硫化鉀。活性硫的含量控制在(2~5)×10E-6。為提高鹽浴的活性，要向鹽浴中通空氣，通空氣的量為每100kg鹽浴劑1.53L/min。高速鋼工具硫碳氮共滲的溫度為560~570°C，時間為10~60min由于硫碳氮共滲的鹽浴中含有氰根，因此硫氮共滲處理后，清洗工件的水必須經過消毒處理才能排放。

11.5 物理涂層(PVD)

   物理涂層也稱氣相沉積，在工具上應用的主要是氮化鈦涂層。物理涂層的方法一般是在真空中使金屬Ti氣化，且離子化，與氮離子互相撞擊，在電場的作用下，在工件表面形成氮化鈦涂層。

   作為高速鋼工具的物理涂層方法按沉積過程中，金屬T熔化，蒸發并離子化形成的原理不同，鍍層的主要方法有陰極濺射法、輝光放電離子鍍法和弧光放電離子鍍法。目前較先進的方法是弧光放電離子鍍方法中的多弧離子鍍。陰極濺射法生成的鍍層組織致密，生產過程容易控制。多弧離子鍍沉積速度快，生產效率高，結合強度高，大小件均適合。弧光放電離子鍍就是將Ti置于真空中，用弧光放電使其熔化、蒸發，由放電的強弱來控制蒸發量的大小。圖11是多弧離子鍍的一種裝置原理圖。冷陰極弧源置于上部及四周，可以在整個真空室內獲得大量均布的單原子金屬Ti，可以均勻快速地在工件表面形成鍍層。

▲圖11 多弧離子鍍裝置原理圖

1-陰極電弧源  2-主電弧源  3-反應氣進口

4-工件  5-工件偏壓電源

   PVD涂層法通常是在刀具表面上形成2~5μm的TiN鍍層，其硬度在2000HV以上。鍍層不宜過厚，否則容易使刀刃脆化。PVD涂層具有很高的耐磨性，一般可以提高工具壽命2~5倍。可以提高切削效率30%左右，由其適用于齒輪滾刀，插齒刀等精密工具。

11.6 激光表面強化

   很多國家對高速鋼的激光熱處理進行了大量實驗研究工作。高速鋼表面激光強化有激光淬火，激光熔化和激光合金化涂敷等多種方法。

11.6.1 激光淬火

   他是利用激光束的高密度能量，使高速鋼工具表面快速加熱到相變，然后利用工具本身的質量快速冷卻，使表面淬硬。快速加熱及快速冷卻的結果，在工具表面形成高硬度淬火層（1000HV以上）從而提高工具的耐磨性。

   工具激光淬火實際上是一種表面硬化，形成的是馬氏體與碳化物的混合物淬火層。采用激光淬火的工具通常需要預先進行常規淬火才有較好的效果。

11.6.2 激光熔化

   它是利用激光快速加熱，使工件表面相當薄的一層組織快速熔化。高速鋼快速熔化區的組織為精細孿晶馬氏體、殘留奧氏體、未熔碳化物和δ鐵素體的混合物，回火后析出支晶狀的M6C碳化物。激光表面熔化區在高溫回火時，在600℃時才能達到硬度峰值，最高硬度可達1299HV。

   W6Mo5Cr4V2高速鋼車刀采用800W的CO2激光熔化后，與560℃X2h回火后，熔化區域深度0.6~0.8mm，結果是提高了高速鋼的硬度和韌性，車刀壽命提高了2~5倍。

11.6.3 激光合金化涂覆

   它是在工件表面上圖上冶金粉末，利用高能密度激光束使其快速熔化，在工件表面上形成一層合金層，以提高鋼的耐磨性和熱穩定性。用于激光合金化的常用元素和化合物有C、WC、Co、BC等粉末，再加添加劑、粘結劑、混和后制成飽和涂料。

   激光合金化的涂層厚度一般不超過80~100um，最好利用10-40J銣激光器熔化。利用Co（鈷）作合金化涂料，激光合金化后Co溶入基體，提高了α→B的轉變溫度和回火穩定性，回火時形成金屬間化合物，并析出MC碳化物，促進彌散硬化，提高了二次硬化作用。表面軟化溫度比普通高速鋼提高了350℃，比激光淬火提高了70-100℃，具可承受675~680℃的高溫。

  用功率1kW的CO2激光器在W6Mo5Cr4V2高速鋼的表面采用W粉末激光合金化，可以形成80-100m的合金層，進行560℃兩次回火以后，把合金層磨削到40-50μm，經這樣處理的單刃車刀，切削壽命可以提高6倍。

11.6.7 離子注入法

    它首先將要注入的元素離子化，并在數千伏的電壓下，將離子導入質量分

析器進行篩選，然后在幾十千伏到幾百千伏的高壓下將離子加速到要求的高能狀態。最后在處理室內對工件進行掃描，把離子注入到工件的表面。

   注入的元素有N、Ti、C、Mo、P、B、Ta、Co等，主要作用是改善材料的耐磨性，抗蝕性和疲勞性能。英國采用離子注入法可使高速鋼絲錐的壽命提高12倍。美國對M35、M7、M2等高速鋼注入WC、Co，可使高速鋼工具壽命提高2~6倍，已經大量用于生產。離子注入法用于M2高速鋼的沖頭甚至可以提高壽命70~80倍。