100年前，美國機(jī)械工程師泰勒(F. W Taylor)和冶金工程師懷特(M. White)在經(jīng)過廣泛而系統(tǒng)的切削試驗(yàn)之后，確立了切削用高速鋼的最佳成分W18Cr4V(C 0.75%，W 18%，Cr 4.0%，V 1.0%)，當(dāng)時(shí)切削中碳鋼速度為30m/min，比之前提高了十幾倍。這一成果帶來了機(jī)械加工的劃時(shí)代革命，也因此使得刀具材料在進(jìn)入19世紀(jì)后呈現(xiàn)出異乎尋常的發(fā)展速度，創(chuàng)造了前所未有的輝煌。100年來，盡管不斷出現(xiàn)各種新的刀具材料，但高速鋼依然沒有被歷史所淘汰，一直沿用并發(fā)展至今，甚至曾長期占據(jù)霸主地位。
今天，我們重新審視高速鋼的發(fā)展，或許將為刀具材料的進(jìn)一步發(fā)展帶來一些有益的啟發(fā)。在此，也一并將趙炳楨、吳元昌、趙步青、吳立志4位專家在河冶2006高速鋼應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)上的演講內(nèi)容整理成文，以饗讀者。
很多人可能對(duì)刀具熱處理一般原則比較了解，但對(duì)刀具及刀具材料差異性熱處理研究不深。我本人從事熱處理工藝工作近40年，積累了不少成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，深感識(shí)別刀具和刀具材料的差異性、進(jìn)行個(gè)性化操作的重要。下面就不同刀具的熱處理進(jìn)行簡單介紹：
車刀條
按GB4211標(biāo)準(zhǔn)，可將車刀條分為正方形和矩形兩種。車刀工作條件比較惡劣，一般不加冷卻液，有干切削、重切削、斷續(xù)切削、高速切削等，要求車刀應(yīng)具有高的耐磨性和高的紅硬性。針對(duì)上述情況，熱處理工藝為：1230～1240℃高溫加熱奧氏體化，金相級(jí)別可達(dá)8～9級(jí)，而后回火4次，過熱3～4級(jí)(矩形車刀過熱1～2級(jí))， 最終組織硬度65～67HRC。實(shí)踐證明，車刀過熱才經(jīng)久耐用，我在1988年曾對(duì)過熱5級(jí)的12×12方車刀進(jìn)行壽命檢測(cè)，結(jié)果3條試樣都達(dá)一等品標(biāo)準(zhǔn)。
滾刀
滾刀屬于比較昂貴的金屬切削刀具，要求具有高的紅硬性、耐磨性，所以淬火溫度比較高，但比車刀略低，常在1225～1230℃，580～620℃分級(jí)，組織金相級(jí)別9.5～10級(jí)。第一次回火宜用350～380℃或二次貝氏體處理，然后再進(jìn)行550℃×1h的高溫回火3次，過熱1～2級(jí)，甚至3級(jí)，最終組織硬度可達(dá)65HRC以上。
滾刀雖然是容易處理的刀具， 但對(duì)模數(shù)6以上的大滾刀，由于其硬度不高和鍵槽易裂的特點(diǎn)，必須嚴(yán)加防范。
直齒三面刃銑刀
通常此類產(chǎn)品由于其切削速度快，切刀量大，對(duì)耐磨性、韌性要求相當(dāng)高，要求高硬度但又不能崩刃。筆者就曾多次處理過這樣的質(zhì)量問題：用戶對(duì)硬度64～65HRC的銑刀反應(yīng)是不耐磨，換用硬度66HRC的銑刀后，使用壽命成倍提高。同樣成分的材料，不同的熱處理產(chǎn)品可以有如此大的差別。直齒三面刃銑刀所采用的熱處理工藝是在1220～1230℃下淬火，金相級(jí)別9.5～10.5級(jí)，回火3～4次，過熱1級(jí)，最終組織硬度為65～67HRC。
中齒鋸片銑刀
GB6120標(biāo)準(zhǔn)適用直徑32~315mm，厚度為0.3~6.0mm的中齒鋸片銑刀，對(duì)特別大薄的銑刀熱處理工藝應(yīng)該個(gè)性化， 通常對(duì)中齒鋸片銑刀的性能要求是韌性第一，但硬度不能太低，一般在1205～1215℃時(shí)淬火，淬火組織金相級(jí)別達(dá)10~11級(jí)，然后分級(jí)等溫、熱夾、回火4次，回火過程不準(zhǔn)過熱，最終組織硬度64～66.5HRC。在這類刀具熱處理過程中，容易出現(xiàn)鍵槽易裂和平面度超差的問題。
大薄鋸片
由于裝璜及建筑行業(yè)的高速發(fā)展，市場對(duì)Φ250～500×2mm大薄鋸片的需求量很大。該產(chǎn)品主要要求突出韌性，其次是耐磨性。相應(yīng)的熱處理工藝為1180～1200℃高溫加熱，260～280℃等溫，金相級(jí)別可達(dá)11～12級(jí)，再回火4次，不準(zhǔn)過熱，硬度可達(dá)62～65HRC。成品若再經(jīng)蒸汽處理或氧氮化則效果更佳。
整體直柄麻花鉆
鉆頭是用得最多的孔加工工具，工作條件和其他刀具不同。當(dāng)進(jìn)行鉆削時(shí)，其切削部分深深地埋入金屬內(nèi)，切削條件比較苛刻，要求鉆頭有高的硬度和韌性，兩者相比，通常后者更重要些；而對(duì)于干切削，由于工件硬度高，則是要求紅硬性第一。鉆頭一般采用的熱處理工藝為：先在1210～1225℃時(shí)淬火，淬火組織金相級(jí)別可達(dá)10.5～11級(jí)，再回火3次，過熱2級(jí)，可得到硬度為63～66.5HRC的回火組織。
由于加工中心和數(shù)控機(jī)床的日益增多，難加工材料與日俱增，對(duì)鉆頭的要求也越來越高。同樣鉆頭，用法各異，熱處理工藝就截然不同，足以說明熱處理工藝個(gè)性化的重要。
拉刀
拉削加工廣泛應(yīng)用于汽車、航空等制造業(yè)。拉刀上排列著許多齒，由于拉削幅度很寬，齒增量逐步加大，即使在很小的進(jìn)刀量情況下，其阻力也是相當(dāng)大的。正因?yàn)槿绱?，拉削的速度一般比較慢，在拉削過程中，軸向承受很大的拉力，同時(shí)切削齒因受到工件的摩擦而產(chǎn)生熱量，所以拉刀除具有一般刀具的高硬度特點(diǎn)，更重要的是要有很高的強(qiáng)度和韌性。拉刀常用的熱處理工藝為1205～1215℃油淬，兩次或三次分級(jí)冷卻，趁熱校直，試樣淬火組織的金相級(jí)別10.5～11.5級(jí)。每次回火后必須校直，硬度可達(dá)64～66.5HRC。
目前熱處理存在的主要問題是硬度偏低不耐磨，其次是折斷，應(yīng)該視具體類型拉刀制訂相應(yīng)熱處理工藝。
機(jī)用絲錐
絲錐在切削過程中，主要抗力是扭力矩，軸向力在各螺紋中已互相抵消。絲錐不需要紅硬性，韌性是第一指標(biāo)，所以淬火溫度比較低，晶粒號(hào)可控制得很細(xì)，但硬度不能低，必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)在由于采取了韌性化低溫淬火新工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，淬火溫度降低了15～20℃，徹底解決了絲錐過熱、脆斷等弊病，實(shí)是一舉多得的好事。
我的個(gè)人體會(huì)是：硬度是表面現(xiàn)象，金相組織才是本質(zhì)的東西；我們追求高硬度，但不惟高硬度；我們要求在金相組織理想(而非合格)的前提下，力求高硬度，達(dá)到硬度和金相的良好配合。在這其中有幾個(gè)關(guān)鍵問題不能小視：
1）首先是不能混料，包括混爐號(hào)、混鋼號(hào)、混規(guī)格。工具廠一定要分爐號(hào)管理，如果做不到就無法搞好熱處理，比如成分都合格的M2鋼，若用1220℃加熱淬火，便可能會(huì)出現(xiàn)9～12的6個(gè)晶粒號(hào)。
2）其次是不同冶煉方法影響熱處理工藝。用中頻冶煉加電渣重熔的鋼和電弧爐冶煉同成分的M2鋼，熱處理工藝應(yīng)有所區(qū)別。后者的淬火溫度應(yīng)適當(dāng)高些，同爐淬火前者易出現(xiàn)過熱等毛病。
3）第三是鍛造影響熱處理工藝。同一規(guī)格、同成分的M2鋼制造同一規(guī)格刀具，鍛與不鍛，熱處理工藝也不應(yīng)該相同，經(jīng)改鍛者，淬火溫度應(yīng)稍低些。這些在制訂熱處理工藝時(shí)都要引起注意。
4）第四，返工件淬火溫度應(yīng)比常規(guī)淬火低8～15℃。由于種種原因，少數(shù)返工在所難免，因而淬火前一定要搞清楚何種原因造成返工的，再則退火情況如何，這樣才能對(duì)癥下藥。
第五，由于M2鋼淬火溫度帶比較寬，從1180℃到1240℃跨度達(dá)60℃，而不同的刀具要求不同的性能，所以熱處理工作者一定要弄清楚刀具加工對(duì)象什么性能最重要，把個(gè)性化指標(biāo)落實(shí)到熱處理工藝中去，充分挖掘材料潛力。
