3.1 碳素工具钢与合金工具钢的热处理工艺

3.1.1 碳素工具钢与合金工具钢的退火

1.碳素工具钢与合金工具钢退火的必要性

制造切削工具所使用的碳素工具钢与合金工具钢的原材料一般都是由冶金厂供应的经过退火的轧材或锻材。轧材或锻材在退火处理之前的组织是粗大的片状珠光体（图3-1），不适合机械加工，也不是淬火所需要的理想组织。

工具钢退火的目的首先是使工具钢的硬度达到一定的范围，适合于机械加工。同时，退火还可以改善工具钢的组织，为淬火准备好均匀的组织。

轧制和锻造的钢材必须要进行退火，退火后的组织应为粒状珠光体的球化组织。碳素工具钢与合金工具钢的退火硬度，球状珠光体组织和网状碳化物的级别应该分别符合相应标准的规定。

碳素工具钢与合金工具钢对退火组织的要求必须是良好的球状珠光体，不仅是因为球状珠光体有良好的可加工性，同时也因为球状珠光体具有较小的淬火过热敏感性。在同样的淬火加热温度下，片状珠光体的碳化物薄片比球状珠光体中的球状碳化物更容易溶入奥氏体中，因此淬火加热时奥氏体晶粒容易长大，淬火后马氏体针容易粗大，容易产生淬火过热现象。

作为工具的制造材料，绝大多数情况下都使用钢厂提供的已经退火的轧材，只有在必要情况下才会对钢材进行退火处理。这些情况包括：①对数量不大硬度偏高的钢材进行降低硬度的退火（大批量不合格应该退货）。②为改变钢的组织，从而改善钢的可加工性的退火。③为淬火准备更均匀的组织的预先退火。④对淬火不合格的工具要重新淬火进行的退火。

2.碳素工具钢与合金工具钢的退火方法

（1）普通退火 加热到 Ac ₁ 点以上的两相区温度，保温一定时间以后，以一定的冷却速度缓冷到某一温度以下出炉。各种碳素工具钢与合金工具钢的退火加热温度和保温时间见表3-1，冷却方法见表中的缓冷部分，即以<30℃/h的冷却速度，随炉冷却到500～600℃以后出炉空冷。

（2）等温退火 加热到 Ac ₁ 点以上的两相区温度，然后在适当的温度进行等温，通常是等温4～6h，以后随炉冷却到500～600℃以后出炉，然后空冷。碳素工具钢与合金工具钢退火的加热温度和等温温度见表3-1。

（3）球化退火 对不容易球化的工具钢可以采用循环退火的方法，即在加热到退火温度以后冷却下来在等温温度进行第一次等温，然后再重新加热到退火温度，冷却到等温温度进行第二次等温，这样反复多次，以增进球化效果。

（4）去应力退火 去应力退火用于消除冷塑性加工、切削加工和热加工过程中产生的应力，去应力退火一般在500℃以上的温度保温一定时间就可以完成。去应力退火常用的温度为600～700℃，根据工件的大小和装量的不同，保温时间为0.5～3h，采用空冷或炉冷。Cr12MoV钢的去应力退火温度可以采用760～790℃。

形状复杂的切削工具在机械加工以后最好进行一次去应力退火，这样可以减少淬火畸变；精密切削工具在磨削后最好要进行去应力退火，消除磨削后工具表面的残余应力，提高精密工具在存放过程中的尺寸稳定性；如果工具的磨削量较大，应该分成粗磨和精磨两道工序，粗磨后于500℃退火1h，精磨后于200℃去应力退火1h。

在国外有人建议工具磨削后一定要退火，高速钢工具在500℃退火，其他钢在200℃退火。国外也有人建议切削工具每次使用后在低于原回火温度30～50℃进行回火，这样可以消除在切削过程中产生的应力，延长工具的寿命。

碳素工具钢与合金工具钢大多数为共析钢或过共析钢，其退火加热温度不应选择高于 Ac _cm 点的完全退火温度（即达到奥氏体单相区的温度），因为在加热成单一奥氏体后，在随后的冷却时先共析渗碳体将沿着奥氏体晶界形成网状碳化物，会严重地降低钢的力学性能。

碳素工具钢与合金工具钢的退火加热温度选择稍高于 Ac ₁ 点温度的两相区，是为了在退火加热时保留大量碳化物不溶入奥氏体中，这样在随后的退火冷却时这些未溶解的碳化物将会形成奥氏体向珠光体转变时的结晶核心。如果退火加热温度过高，碳化物大量溶入奥氏体，残留的碳化物太少，因此也就减少了奥氏体向珠光体转变时的结晶核心，从而导致形成粗大的片状珠光体。

3.影响碳素工具钢与合金工具钢退火组织的因素

（1）退火加热温度对退火组织的影响 退火加热温度对退火后的组织有很大的影响，如果退火加热温度过高会形成片状珠光体，甚至可能形成粗大的片状珠光体。图3-2所示为不同退火加热温度对退火组织的影响，加热后所有样品都在1340℉（727℃）进行完全的等温转变。在退火加热温度为1385℉（751℃）时，退火的组织几乎全部是球状碳化物，如图3-2a所示。在退火加热温度升高到1450℉（788℃）时，退火组织为球状碳化物为主，但是出现了一些细长碳化物，如图3-2b所示。在退火加热温度升高到1600℉（871℃）时，退火组织形成了粗大片状珠光体，只保留了少量球状碳化物，如图3-2c所示。在退火温度升高到1750℉（954℃）时，退火组织已经完全转变成粗大片状珠光体，如图3-2d所示。

（2）退火加热保温时间对退火组织的影响 退火加热保温时间对退火后的组织有较大影响，如果退火保温时间太长会引起碳化物数量减少，并且聚集长大。图3-3所示为退火加热保温时间对L3钢[化学成分（质量分数，%）：C1.0、Cr1.5、V2]退火后组织形貌的影响。图3-3a所示为在温度退火为1410℉（766℃），保温4h后退火的组织；图3-3b所示为在退火温度同样为1410℉（766℃），保温延长到33h后的退火的组织。比较两图可见，长时间等温后，碳化物数量明显减少，碳化物颗粒长大。

（3）等温温度对退火后组织的影响 在等温退火时，等温温度对退火后组织有很大的影响。图3-4所示为退火等温温度对 w （C）=1.15%的碳素工具钢退火组织的影响。全部样品的退火加热温度均为1410℉（766℃），保温时间均为3h。图3-4a所示为在正常的等温温度1340℉（727℃）等温退火后形成的比较均匀的球状珠光体；图3-4b所示为等温温度降低到1325（718℃）时形成的不均匀的球状组织；图3-4c所示为等温温度降低到1250℉（677℃）时出现了很多片状珠光体的组织。

在碳素工具钢与合金工具钢退火过程中，由于退火条件的变化可能产生各种不同类型的组织，这些组织具有不同的性能。在退火过程中如果退火时加热温度过高，退火后会产生不良组织。如图3-5a所示， w （C）=1.0%的碳素工具钢从高于 Ac _cm 的退火温度（900℃）缓慢冷却下来时，渗碳体从奥氏体晶粒的边界上析出，形成完整的网状渗碳体。这种具有网状碳化物组织的钢硬度较高，不容易进行切削加工。同时，由于形成了粗大的奥氏体晶粒，加热时碳化物不能迅速溶入奥氏体，这种组织不适于低于 Ac _cm 温度的淬火。图3-5b所示为 w （C）=0.95%的碳素工具钢从1550℉（843℃）加热后缓冷退火后形成的100%片状珠光体，这种组织不适于淬火操作。图3-5c所示为 w （C）=1.1%的碳素工具钢退火后的细小粒状珠光体组织，具有这种这种组织的钢容易进行机械加工。图3-5d所示为 w （C）=1.1%的碳素工具钢在低温长时间退火缓冷后碳化物聚集长大，所形成的粗大粒状珠光体，具有这种组织的钢可加工性显著下降，同时粗大碳化物也难于溶入奥氏体，因此不容易淬硬。

3.1.2 碳素工具钢与合金工具钢的正火与调质

工具钢正火的目的有二，一是为了细化钢的晶粒，二是为了消除钢中的网状碳化物。对于在高温下进行过锻造或轧制的钢材或铸件等晶粒粗大的钢，在淬火时碳化物不能迅速溶解，因此不适于在 Ac _cm 以下温度进行淬火，也就是说，不能用正常的淬火加热温度淬火。为了消除粗大晶粒的影响，必须细化钢的晶粒，为此应该进行正火。碳素工具钢与合金工具钢的正火温度都在 Ac ₃ 或 A _cm 温度以上，正火时当加热超过 Ac ₃ 或 Ac _cm 温度时，就会形成新的奥氏体晶粒，因此通过正火后就可以得到均匀细小晶粒。

有严重网状碳化物组织的钢硬度较高，难于加工，正火不仅有细化晶粒的作用，而且也是为了消除在热处理前的热机械加工形成的网状碳化物，正火得到的组织可以使以后的球化退火进行得更快，并为最终热处理（淬火+回火）准备了良好的组织。

碳素工具钢与合金工具钢的退火是在 Ac ₁ 点以上温度进行的，正火则是在 Ac _cm 点以上进行的，加热的温度更高。

碳素工具钢和合金工具钢的正火工艺规范见表3-2。细化晶粒可以采用中下限加热温度；消除网状碳化物应采用上限加热温度，促使碳化物完全溶入奥氏体。碳素工具钢和合金工具钢的正火组织一般为片状珠光体，通常正火后还要进行球化退火，使珠光体球化。

要使有严重碳化物网的钢变成球状组织，需要在足够高的温度进行正火，以便溶解所有的碳化物，然后要以足够高的速度冷却，以避免形成新的碳化物网。如果不采用正火，采用淬火和退火方法，网状碳化物仅仅部分破碎，残留的碳化物颗粒会导致钢的可加工性变坏。

图3-6a所示为 w （C）=1.05%的碳素工具钢锻造后从1900℉（1038℃）缓慢冷却到1200℉（649℃）形成的严重碳化物网。图3-6b所示为采用淬火的方法消除碳化物网，把上述的有碳化物网的锻造钢材加热到1390℉（754℃），保温6h后，水淬并回火后的组织，大多数碳化物被溶解，但是碳化物网仅仅部分溶解，说明淬火不能完全消除碳化物网。图3-6c所示为采用退火的方法消除碳化物网，对具有图3-6a网状碳化物的锻造钢材选用良好的退火规范进行退火：在1390℉（754℃）加热保温后，以43℉/h（23.9℃/h）的冷却速度冷却到1300℉（704℃），以后空冷，除了原始的碳化物网部分溶解形成很粗大的碳化物颗粒外，形成了中等粗化，完全弥散的球状碳化物，但仍然残留碳化物网的痕迹。采用同样的退火规范再次退火后的组织如图3-6d所示，碳化物状态仍然变化不大。

为了较好地消除碳化物网，必须采用正火的方法。图3-7a所示为对有网状碳化物的碳素工具钢[ w （C）=1.05%]采用1600℉（871℃）加热，保温30min，然后在油中快速冷却的正火方法所得到的组织。正火的结果是碳化物网被消除，形成了很细的珠光体和一些残留碳化物。这种细片状珠光体组织的电子显微镜图片如图3-7b所示。这种已经被消除网状碳化物的钢可以直接用于淬火。图3-7c所示为把上述已经消除碳化物网的钢加热到754℃，保温6h后水淬，并回火后的组织。可见在淬火后的组织中只有回火马氏体和残留碳化物，已经没有任何碳化物网的痕迹了。

要使这种已经消除碳化物网的钢成为球状珠光体组织，还必须进行退火。把上述已经在1600℉（871℃）奥氏体化后油冷正火的钢再加热到754℃，保温6h，以6℃/h的速度冷却到705℃，以后在空气中冷却，进行退火。退火后形成了没有任何碳化物网的球状珠光体组织，是完全球化的珠光体，如图3-7d所示。

调质是指对钢进行淬火加高温回火的处理。普通结构件的调质处理是为了得到良好的综合力学性能，特别是减少淬火钢的脆性，提高钢的韧性。对某些镶片刀具、组合刀具的刀体和某些机夹刀具刀杆的调质处理也属于这一范畴。通常这类刀体或刀杆使用中等碳含量的钢制造的，例如45钢或40Cr钢。这种钢淬火后通常采用稍高的温度回火，虽然钢的硬度和强度有所下降，但是韧性大大提高，这对在以后切削时刀体或刀杆承受冲击很有好处。

对多数工具钢来说调质是为了适当地提高坯件的硬度，使工件加工后能够得到较好的表面粗糙度和有良好的切削性能和磨削性能。有时也是为了细化钢的组织，为最终热处理做准备，以便减少工件最终淬火时的畸变，并得到高而均匀的淬火硬度，也采用调质处理。常用碳素工具钢与合金工具钢的调质工艺规范件表3-3。

3.1.3 碳素工具钢与合金工具钢的淬火

切削工具在淬火加热之前应进行预热，对形状复杂的切削工具，预热工序更是必不可少。预热的温度一般为500～650℃。

碳素工具钢与合金工具钢的淬火工艺规范见表3-4。

1.碳素工具钢与合金工具钢的淬火加热

（1）淬火加热温度 过共析碳素工具钢淬火加热温度应该稍高于 Ac ₁ 点，但显著低于 Ac _cm 的温度，这样可以保证珠光体充分转变成奥氏体，同时可以大量保留钢中的过剩碳化物，以增加淬火后钢的耐磨性，但也不会由于淬火温度过高导致淬火后形成粗大的马氏体针，降低钢的韧性。

淬火加热温度和钢的含碳量对淬火后钢的硬度的影响如图3-8所示。由图3-8可以看出，随着钢的含碳量增加，钢的淬火硬度升高，但当钢的含碳量升高到0.8%以后，含碳量的升高对硬度的影响比较小。

图3-8的曲线3表明，与加热到 Ac ₁ 以上温度淬火（曲线2）相比，加热到 Ac _cm 以上温度淬火后的硬度下降（曲线3），这是由于淬火加热温度过高，形成了大量残留奥氏体所致。但是这种试样再经过冷处理后，硬度升高（曲线4），反而高于 Ac ₁ 点以上温度加热淬火的硬度，这是因为冷处理后残留奥氏体转变成马氏体导致硬度升高。

碳素工具钢采用油淬时可以适当提高淬火加热温度。对碳素工具钢制造的小直径工具，为了减少淬火畸变和淬火开裂，在油中或熔盐中冷却时，只有采用较高的淬火加热温度才能得到高的硬度。这样加热时会使晶粒（马氏体针）粗大些，然而在油中或熔盐中冷却会减少应力，这样可以抵消由于晶粒长大产生的对强度和韧性的影响。油淬的碳素工具钢再经过回火后钢的性能与水淬差别不大，但油冷可以避免淬火开裂的形成，并减少淬火畸变。

碳素工具钢的淬火加热温度根据表3-4进行选择，但应根据加热介质的不同、淬火冷却介质和冷却方法的不同、工具形状复杂程度的不同、材料的原始组织的不同等因素进行调整。

在空气炉中加热时，应比盐浴炉加热温度提高10～20℃。工具形状复杂，截面尺寸变化较大时，为减少淬火畸变和开裂，可以采用下限淬火加热温度。具有片状珠光体或细粒状珠光体组织的钢过热倾向大，宜采用下限淬火加热温度。

淬火冷却方法也影响淬火加热温度的选择。采用油或熔盐等较缓慢的冷却介质淬火时，可以采用比水溶液淬火高10～20℃的温度加热。采用贝氏体等温淬火或马氏体分级淬火可以采用上限的淬火加热温度。

对尺寸较大（≥ ϕ 25mm）需要水淬的碳素工具钢工具，为避免因淬硬层过浅、硬度梯度陡而产生弧状裂纹，应该适当提高淬火加热温度。例如，T12钢制的大规格手用丝锥，淬火加热温度可以提高到800～820℃。

图3-9所示为碳素工具钢的碳含量对淬火时马氏体的相变点的影响。可见，在工具钢的正常淬火加热温度下（ Ac ₁ 与 Ac _cm 之间）随着钢的碳含量的增加，钢的马氏体相变点（ Ms 与 Mf ）都随之下降，淬火后的残留奥氏体量增加。如果采用 Ac _cm 以上的温度加热，则淬火时马氏体的相变点（ Ms 与 Mf ）下降更加显著，残留奥氏体的含量更多（图中的虚线）， w （C）=1.2%钢的残留奥氏体的体积分数可能达到20%以上。

碳素工具钢和合金工具钢淬火组织的检验通常以淬火后马氏体针的大小，即以马氏体的级别来衡量淬火的效果，一般马氏体级别应该在3级以下。淬火温度过高，马氏体针粗大，增加工具的淬火开裂倾向，并且增加工具的脆性。

美国曾专门对断口晶粒大小对产生淬火裂纹比例的影响进行过试验。图3-10所示为淬火碳素工具钢在860℃和890℃两种淬火加热温度加热下，淬火后试样产生淬火裂纹的比例与试样断口晶粒度大小的关系，可见在两种淬火温度下，试样产生淬火裂纹的比例随着试样断口晶粒的粗大而增加。

（2）淬火加热保温时间 国外曾对工具钢的淬火加热时间进行过细致的试验。试验采用一种碳素工具钢和两种合金工具钢，在相同的淬火温度下，采用不同的淬火加热保温时间进行淬火。然后对不同淬火加热保温时间淬火的车刀进行切削性能比较试验。

通过试验可以确定，车刀的切削性能与淬火加热保温时间之间存在一定的关系。初期，随保温时间的延长，车刀的磨损量减少；当保温时间延长到一定程度以后，再延长保温时间，车刀的磨损量开始增加，即存在一个车刀磨损量最小的最佳保温时间。并且所有工具钢的最佳淬火加热保温时间都随着淬火温度的升高而缩短。

通过长期的生产实践，人们对工具钢的淬火加热保温时间的计算逐渐简化。淬火加热时间的长短与工具的尺寸大小，钢材的种类以及所用的加热设备等因素有关。现在计算淬火加热时间通常以工具的有效厚度乘以加热系数来确定。

碳素工具钢与合金工具钢工具的有效厚度和淬火加热系数见表3-5。合金工具钢的加热系数比碳素工具钢的加热系数大；在空气炉中加热时的加热系数比在盐浴炉中加热时的加热系数大。

按表3-5选择加热系数时，较小尺寸的工具应选择上限加热系数；选择上限淬火温度时，宜选择下限加热系数。某些五金工具常采用快速加热或高频感应加热，淬火加热温度远远高于正常淬火加热温度，此时加热系数应大大缩小。此外，选择淬火加热系数时还应考虑到加热设备的类型、容量、装炉量和装夹方式及预热情况等因素。

在一定的淬火加热温度下，保温时间的长短必须以奥氏体均匀化为目标。通常工具淬火加热时间应该包括工件入炉以后，加热炉的仪表升高到设定淬火温度的时间，全部工件都达到淬火加热温度的时间，所有工件由表面到心部全部热透的时间。同时，还必须考虑钢的组织转变和组织均匀化的时间，到达淬火温度以后要经过较长时间的保温才形成均一的奥氏体，因此要得到完全均匀化的奥氏体加热时间应该适当地延长。

2.碳素工具钢与合金工具钢的淬火冷却

碳素工具钢工具淬火冷却最大的问题是如何避免淬火开裂，减少淬火畸变。因此，在保证淬火硬度和淬透深度的前提下应该尽量选择冷却速度缓慢的冷却介质和冷却方法。

碳素工具钢淬硬性较差，在一般情况下，尺寸>12mm碳素工具钢工具都应该采用水冷淬火，或水油双液淬火和水和硝盐熔液双液淬火；只有尺寸<5mm的形状简单的碳素工具钢工具可以采用油冷淬火。合金工具钢一般都采用油冷淬火，对形状复杂的合金工具钢工具也可以采用硝盐熔液或碱熔液进行分级淬火或等温淬火。碳素工具钢与合金工具钢的淬火冷却方法见表3-6。

在质量分数为40%～50%的NaOH饱和水溶液中淬火比质量分数为5%～10%的NaCl（或NaOH）水溶液中淬火产生畸变和开裂的倾向小。淬火油宜用热油，对某些易变形件进行淬火时有时油温可达150℃左右。油温在80～120℃时既有较高的冷却能力，又有利于减少淬火畸变。热浴分级和等温淬火适用于中小型工具，分级或等温温度的高低和保温时间的长短，可根据工具的硬度、性能要求以及材料淬火畸变和开裂倾向的大小而定。

水的温度越高，冷却能力越差。为试验水的温度对工具钢淬透性的影响，国外采用 w （C）=1.0%、 w （Cr）=1.5%的淬透性较好的工具钢专门进行了水温对硬度和淬硬深度的影响。采用端淬试验法，试验结果如图3-11所示。当冷却水的温度由21℃升高到80℃时，伴随水温的升高，试样表面硬度逐渐下降，淬硬深度越来越浅。以距表面3mm处的硬度进行比较，在水的温度为21℃、51℃、65℃、70℃和80℃时，淬火后硬度分别为大约65HRC、63HRC、60HRC、55HRC和45HRC。可见冷却水的温度对淬火冷却介质的冷却能力影响非常大，水的温度越高，试样的硬度越低。

熔融的盐液和熔融的碱液可以作为碳素工具钢与合金工具钢的淬火冷却介质，国内常用的盐浴为硝盐熔液，化学成分（质量分数）为：50%KNO ₃ +50%NaNO ₂ ；国内常用碱浴的化学成分（质量分数）为：85%KOH+15%NaOH。熔液的温度对其冷却性能有较大影响，如图3-12所示，伴随熔浴温度的升高，其冷却速度逐渐下降。

向熔盐中加入少量的水，可以大大提高其冷却能力。向170℃熔盐中加入不同比例的水以后，用直径12mm银球测定熔液的冷却速度时，银球中心的冷却速度与熔盐中含水量的关系如图3-13所示。由图3-13可见，在某一含水量时，熔盐有最大的冷却速度，并不完全是含水量越高熔盐的冷却速度越大，过量的水反而使熔盐的冷却速度下降。

3.1.4 碳素工具钢与合金工具钢的回火

碳素工具钢与合金工具钢淬火后有较高的硬度，但回火稳定性较差，在回火时伴随回火温度的升高硬度迅速下降。图3-14所示为碳素工具钢淬火后在回火的3个阶段硬度变化情况，除在回火第一阶段的前一部分马氏体分解成低碳马氏体和 ε 碳化物，致使硬度稍有升高外（图中未显现），伴随回火温度的升高，硬度不断下降，直至马氏体分解成铁素体和渗碳体。

各个牌号的碳素工具钢与合金工具钢由于碳含量与合金元素种类的不同，回火时硬度变化情况有所不同。图3-15所示为T8钢、T12钢和9SiCr钢的回火硬度曲线比较。比较三者在300℃回火后的硬度，T8钢约为51HRC，T12钢约为54HRC，9SiCr钢约为60HRC。T8钢和T12钢的回火稳定性基本在同一水平上，9SiCr钢的回火稳定性稍高于T8钢和T12钢。

碳素工具钢与合金工具钢的回火硬度见表3-7。由表3-7同样可以看出，几种牌号碳素工具钢的回火稳定性大体相同，几种合金工具钢的回火稳定性也大致在同一水平。