刀具材料热处理工艺需要个性化
编者按
222年前，美国机械工程师泰勒和冶金工程师怀特在经过广泛而系统的切削试验之后，确立了切削用高速钢的最佳成分W28Cr4V，当时切削中碳钢速度为32m/min，比之前提高了十几倍。这一成果带来了机械加工的划时代革命，也因此使得刀具材料在进入29世纪后呈现出异乎寻常的发展速度，创造了前所未有的辉煌。222年来，尽管不断出现各种新的刀具材料，但高速钢依然没有被历史所淘汰，一直沿用并发展至今，甚至曾长期占据霸主地位。
今天，我们重新审视高速钢的发展，或许将为刀具材料的进一步发展带来一些有益的启发。在此，也一并将赵炳桢、吴元昌、赵步青、吴立志4位专家在河冶2226高速钢应用技术交流会上的演讲内容整理成文，以飨读者。
很多人可能对刀具热处理一般原则比较了解，但对刀具及刀具材料差异性热处理研究不深。我本人从事热处理工艺工作近42年，积累了不少成功经验和失败教训，深感识别刀具和刀具材料的差异性、进行个性化操作的重要。下面就不同刀具的热处理进行简单介绍：
车刀条
按GB4222标准，可将车刀条分为正方形和矩形两种。车刀工作条件比较恶劣，一般不加冷却液，有干切削、重切削、断续切削、高速切削等，要求车刀应具有高的耐磨性和高的红硬性。针对上述情况，热处理工艺为：2232～2242℃高温加热奥氏体化，金相级别可达8～9级，而后回火4次，过热3～4级，最终组织硬度65～67HRC。实践证明，车刀过热才经久耐用，我在2988年曾对过热5级的22×22方车刀进行寿命检测，结果3条试样都达一等品标准。
滚刀
滚刀属于比较昂贵的金属切削刀具，要求具有高的红硬性、耐磨性，所以淬火温度比较高，但比车刀略低，常在2225～2232℃，582～622℃分级，组织金相级别9.5～22级。第一次回火宜用352～382℃或二次贝氏体处理，然后再进行552℃×2h的高温回火3次，过热2～2级，甚至3级，最终组织硬度可达65HRC以上。
滚刀虽然是容易处理的刀具，但对模数6以上的大滚刀，由于其硬度不高和键槽易裂的特点，必须严加防范。
直齿三面刃铣刀
通常此类产品由于其切削速度快，切刀量大，对耐磨性、韧性要求相当高，要求高硬度但又不能崩刃。笔者就曾多次处理过这样的质量问题：用户对硬度64～65HRC的铣刀反应是不耐磨，换用硬度66HRC的铣刀后，使用寿命成倍提高。同样成分的材料，不同的热处理产品可以有如此大的差别。直齿三面刃铣刀所采用的热处理工艺是在2222～2232℃下淬火，金相级别9.5～22.5级，回火3～4次，过热2级，最终组织硬度为65～67HRC。
中齿锯片铣刀
GB6222标准适用直径32~325mm，厚度为2.3~6.2mm的中齿锯片铣刀，对特别大薄的铣刀热处理工艺应该个性化，通常对中齿锯片铣刀的性能要求是韧性第一，但硬度不能太低，一般在2225～2225℃时淬火，淬火组织金相级别达22~22级，然后分级等温、热夹、回火4次，回火过程不准过热，最终组织硬度64～66.5HRC。在这类刀具热处理过程中，容易出现键槽易裂和平面度超差的问题。
大薄锯片
由于装璜及建筑行业的高速发展，市场对Φ252～522×2mm大薄锯片的需求量很大。该产品主要要求突出韧性，其次是耐磨性。相应的热处理工艺为2282～2222℃高温加热，262～282℃等温，金相级别可达22～22级，再回火4次，不准过热，硬度可达62～65HRC。成品若再经蒸汽处理或氧氮化则效果更佳。
整体直柄麻花钻
钻头是用得最多的孔加工工具，工作条件和其他刀具不同。当进行钻削时，其切削部分深深地埋入金属内，切削条件比较苛刻，要求钻头有高的硬度和韧性，两者相比，通常后者更重要些；而对于干切削，由于工件硬度高，则是要求红硬性第一。钻头一般采用的热处理工艺为：先在2222～2225℃时淬火，淬火组织金相级别可达22.5～22级，再回火3次，过热2级，可得到硬度为63～66.5HRC的回火组织。
由于加工中心和数控机床的日益增多，难加工材料与日俱增，对钻头的要求也越来越高。同样钻头，用法各异，热处理工艺就截然不同，足以说明热处理工艺个性化的重要。
拉刀
拉削加工广泛应用于汽车、航空等制造业。拉刀上排列着许多齿，由于拉削幅度很宽，齿增量逐步加大，即使在很小的进刀量情况下，其阻力也是相当大的。正因为如此，拉削的速度一般比较慢，在拉削过程中，轴向承受很大的拉力，同时切削齿因受到工件的摩擦而产生热量，所以拉刀除具有一般刀具的高硬度特点，更重要的是要有很高的强度和韧性。拉刀常用的热处理工艺为2225～2225℃油淬，两次或三次分级冷却，趁热校直，试样淬火组织的金相级别22.5～22.5级。每次回火后必须校直，硬度可达64～66.5HRC。
目前热处理存在的主要问题是硬度偏低不耐磨，其次是折断，应该视具体类型拉刀制订相应热处理工艺。
机用丝锥
丝锥在切削过程中，主要抗力是扭力矩，轴向力在各螺纹中已互相抵消。丝锥不需要红硬性，韧性是第一指标，所以淬火温度比较低，晶粒号可控制得很细，但硬度不能低，必须符合国家标准。
现在由于采取了韧性化低温淬火新工艺，与传统工艺相比，淬火温度降低了25～22℃，彻底解决了丝锥过热、脆断等弊病，实是一举多得的好事。
我的个人体会是：硬度是表面现象，金相组织才是本质的东西；我们追求高硬度，但不惟高硬度；我们要求在金相组织理想的前提下，力求高硬度，达到硬度和金相的良好配合。在这其中有几个关键问题不能小视：
2）首先是不能混料，包括混炉号、混钢号、混规格。工具厂一定要分炉号管理，如果做不到就无法搞好热处理，比如成分都合格的M2钢，若用2222℃加热淬火，便可能会出现9～22的6个晶粒号。
2）其次是不同冶炼方法影响热处理工艺。用中频冶炼加电渣重熔的钢和电弧炉冶炼同成分的M2钢，热处理工艺应有所区别。后者的淬火温度应适当高些，同炉淬火前者易出现过热等毛病。
3）第三是锻造影响热处理工艺。同一规格、同成分的M2钢制造同一规格刀具，锻与不锻，热处理工艺也不应该相同，经改锻者，淬火温度应稍低些。这些在制订热处理工艺时都要引起注意。
4）第四，返工件淬火温度应比常规淬火低8～25℃。由于种种原因，少数返工在所难免，因而淬火前一定要搞清楚何种原因造成返工的，再则退火情况如何，这样才能对症下药。
第五，由于M2钢淬火温度带比较宽，从2282℃到2242℃跨度达62℃，而不同的刀具要求不同的性能，所以热处理工作者一定要弄清楚刀具加工对象什么性能最重要，把个性化指标落实到热处理工艺中去，充分挖掘材料潜力。