高速钢刀具热处理方法 【技术领域】
本发明涉及一种钢材料的热处理方法，尤其涉及一种高速钢刀具的热处理方法。
背景技术
目前我国使用广泛的高速钢刀具主要是钨系W18Cr4V(简称18-4-1)钢和钨钼系W6Mo5Cr4V2(简称6-5-4-2)钢。这两种钢的热处理工艺主要有二种：一是传统热处理工艺：高温淬火后需在一次硬化范围内三次回火：二是深冷处理工艺：高温淬火、一次回火后再放入深冷介质(-196℃的液氮)中保温一段时间后再经过二至三次回火。采用传统热处理工艺，高速钢刀具的红硬性(切削高温时的硬度性能)较差。而深冷处理工艺虽能达到高硬度、高红硬性和高耐磨性，但通常需要多次回火并且深冷温度也比较低，从节能和生产成本角度来看还不理想。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高速钢刀具热处理方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明的高速钢刀具热处理方法，包括如下步骤：
待处理钢材料在1200～1310℃温度下在淬火介质中高温分级淬火；淬火后冷却至室温，再80～100℃低温回火1小时；-120～-80℃冷处理2～3小时；最后550℃回火1小时；
所述淬火介质选自氯化钙饱和水溶液、聚二醇水溶液、聚乙烯醇水溶液或高锰酸钾淬火液，优选聚二醇水溶液、聚乙烯醇水溶液等有机淬火液；
所述分级淬火是指：逐次降温的两次分级淬火方法，分级淬火的分级温度一般为600～650℃、500～550℃。
钢材料优选小钢锭开坯轧制的高速钢。
优选在-110～-90℃温度范围内冷处理2～3小时。
当钢材料为W18Cr4V时，淬火加热温度为1260～1300℃。
当钢材料为W6Mo5Cr4V2时，淬火加热温度为1200～1240℃。
由于高速钢种的马氏体最终转变点Mf非常低，例如W18Cr4V钢的Mf点约～100℃，因此淬火冷却到室温会残留大量的奥氏体，而钢中残留较多的奥氏体是有害地，会降低钢的硬度、耐磨性及使用寿命。现将淬火冷却后的高速钢刀具放置在-120～-80℃温度范围内，那么大量的残留奥氏体会转变为马氏体；同时高速钢刀具出现容积效应，即过饱和的亚稳定马氏体部分分解并在位错面上析出弥散、尺寸仅为30～60A并与基体保持共格关系的超微细碳化物，这种超微细碳化物颗粒量多且弥散均匀，如W18Cr4V钢经冷处理后碳化物颗粒约增加8％左右，W6Mo5Cr4V2钢析出的碳化物颗粒约增加36％左右，并且基体组织也明显得到了细化。由于析出的超微细碳化物颗粒均匀分布在马氏体基体上，减弱了晶界催化作用，同时基体组织的细化也减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度发挥了晶界强化作用，从而改善了高速钢的机械性能，使硬度、红硬性和耐磨性都有大幅提高。如硬度由60～61HRC提高至62～63HRC、红硬性和耐磨性大幅提高(比传统工艺提高约20～40％)，各项机械性能指标接近深冷处理。另外冷处理和深冷处理一样是整体提高高速钢刀具的性能，因此高速钢刀具经切削磨损后能修整后再使用。
【具体实施方式】
淬火设备可以是盐浴炉也可是真空炉等，本发明优选盐浴炉淬火。采用盐浴炉是因为盐浴炉的加热介质为液态熔盐，因此加热速度快而均匀，工件氧化、脱碳少，可减少变形。淬火加热时刀具之间应有一定空隙、不能过于紧密堆挤以保证刀具充分淬透。
冷处理设备可以是冷处理室也可以是低温冷处理箱，只要设备温度能达到-120～-80℃都能作为冷处理设备。例如采用无锡晟泽理化器械有限公司生产的-120度工业低温处理箱，型号：GY-A215。
在待处理材料的选择上，由于高速钢属莱氏体钢含有大量合金元素，冶炼后会有大量一次共晶碳化物和二次碳化物，这些碳化物硬而脆，可导致应力集中而成为淬火裂纹。因此最好选用小钢锭开坯轧制的原材料；对不合格原材料应进行改锻，击碎材料中的共晶碳化物，使共晶碳化物不均匀度≤3级；
淬火步骤一定要采取高温分级淬火的预处理工艺。对于大型刀具，由于表面和中心厚薄不同会形成温度差、导致体积膨胀与收缩不同而产生淬火内应力，因此要选用在钢的C曲线(等温转变曲线)拐点处快冷、并在C曲线下方接近马氏体处以下缓冷的淬火冷却介质(如氯化钙饱和水溶液、聚二醇水溶液、聚乙烯醇水溶液、高锰酸钾淬火液等)作为淬火冷却介质。
冷处理的温度在-120～-80℃温度范围内，无需进一步降低，因为温度再降低除耐磨性稍有提高外，硬度、红硬性的提高并不明显。冷处理后最好将刀具放入室温水中升温，以消除冷处理的二次淬火应力。
回火应在保护气氛炉、真空电炉和经充分脱氧的盐浴炉中回火，以防止氧化脱碳；也可低温(≤100℃)入炉回火，缓慢升温至≥300℃后再随炉升温至所需回火550℃温度，然后出炉空冷至室温。在空冷过程中应避免水冷、油冷，防止产生较大二次淬火应力。
实施例1
将W6Mo5Cr4V2高速钢制成机用丝锥.热处理工艺为：淬火(加热温度1200-1240℃保温2小时，在600-650℃和500-550℃二级淬火至室温)→低温回火(80-100℃低温回火1小时)→-110～-90℃冷处理2～3小→最后550±10℃回火1小时；
对比实验采用传统工艺(一次淬火三次回火)和深冷处理工艺进行处理。
处理后的丝锥装在钻台上。被加工材料为40Cr钢，硬度190HB，切削速度为5.2m/min，切削深度6mm，冷却液(乳化液)流量为5L/min。经过试验后发现：高速钢丝锥采用传统工艺平均加工45.2个孔，深冷处理后平均加工62.2个孔，冷处理后平均加工61.8个孔。由此可见冷处理后丝锥的使用寿命比传统工艺提高36.7％、与深冷处理的使用寿命不下上下。
实施例2
将W18Cr4V高速钢制成麻花钻头.热处理工艺为：淬火(加热温度1260-1300℃保温2小时，在600-650℃和500-550℃二级淬火至室温)→低温回火(80-100℃低温回火1小时)→-120～-80℃冷处理2～3小时；最后550±10℃回火1.5小时；
对比实验采用传统工艺(一次淬火三次回火)和深冷处理工艺进行处理。
处理后的麻花钻头装在Z305钻床的钻台上，被加工材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，硬度200HB，切削速度采用4.8m/min，钻削深度7mm，冷却液流量为5L/min。经过试验后发现：麻花钻头未经冷处理可加工27.8个孔，深冷处理后可加工40.2个孔，冷处理后可加工39.9个孔。由此可见冷处理后麻花钻头的使用寿命比传统工艺提高43.5％、与深冷处理的使用寿命不下上下。