一种高速钢钢丝的加工方法
阅读说明：本技术 一种高速钢钢丝的加工方法 (Processing method of high-speed steel wire ) 是由 周雪峰 孙驰驰 方峰 涂益友 蒋建清 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高速钢钢丝的加工方法,对高速钢钢丝进行高温粗化处理,而后再进行冷加工；对钢丝进行震荡细化处理,而后依次进行合金团簇化处理、奥氏体化处理、快速脱溶处理,即得。采用本方法生产出的高速钢钢丝晶粒尺寸细小,碳化物弥散分布,具有良好的冷加工性能及使用性能。(The invention discloses a processing method of a high-speed steel wire, which comprises the steps of carrying out high-temperature coarsening treatment on the high-speed steel wire, and then carrying out cold processing; and (3) vibrating and refining the steel wire, and then sequentially carrying out alloy clustering treatment, austenitizing treatment and rapid desolventizing treatment to obtain the steel wire. The high-speed steel wire produced by the method has the advantages of small grain size, dispersion distribution of carbide, and good cold processing performance and use performance.)
技术领域
本发明涉及钢丝的加工方法，特别是涉及一种高速钢钢丝的加工方法。
背景技术
高速钢因具有高硬度、高耐磨性、良好的红硬性等优点，广泛应用于制造各种铣刀、刨齿刀、车刀、麻花钻、双金属锯条等高效精密加工工具，是现代高端装备制造业的重要基础材料。高速钢工具采用高速钢钢丝制造，其制备流程为：冶炼→精炼→浇铸→电渣重熔→锻造→轧制→冷拔/冷轧→中间退火→钢丝→成品退火。由于高速钢的成分、组织特点以及热处理工艺不当，高速钢钢丝在加工及反复高温退火过程中，极易产生晶粒尺寸粗化、碳化物颗粒粗大、数量少、粘连等缺陷，致使塑性较低，冷加工过程开裂，淬回火后硬度较低，钢丝加工及使用性能恶化。
为改善高速钢钢丝组织质量和性能，现有的工艺方法包括：通过新型特种精炼工艺，提高钢水纯净度；减少钢中S、P及其他有害元素含量；通过微合金化处理、形变热处理工艺优化等，控制钢中一次碳化物分布及尺寸；采用完全退火或中间退火工艺，通过晶格重组或原子迁移，消除位错缺陷，恢复钢丝变形能力。上述工艺方法虽然不同程度上改善了高速钢组织质量及性能，但生产的钢丝仍然存在铁素体晶粒偏大、二次碳化物偏少、淬回火后硬度偏低、加工易开裂等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高速钢钢丝的加工方法，可细化钢丝铁素体晶粒尺寸，提高二次碳化物数量及弥散度，改善钢丝塑性和淬回火硬度。
技术方案：本发明采用的一种高速钢钢丝的加工方法，可提升高速钢钢丝组织质量和性能。该方法包括对高速钢钢丝进行组织粗化处理，而后再进行冷加工；对上述钢丝进行震荡细化处理，而后依次进行合金团簇化处理、奥氏体化处理、快速脱溶处理，即得。
其中，所述组织粗化处理包括两步热处理，即第一步碳化物粗化热处理，加热温度900～1000℃，加热时间为15min～1h；第二步碳化物粒状化热处理，加热温度830～860℃，加热时间为1～2h。
所述震荡细化处理将钢丝加热到A1温度以上5～30℃保温15～30min后，冷至A1温度以下30～60℃保温15～30min；且至少循环五次震荡细化处理过程。
所述合金团簇化处理的温度为500～600℃，处理时间为0.5～1h。
所述奥氏体化处理将高速钢钢丝加热到860～900℃保温2～4h
所述快速脱溶处理将上述钢丝以不低于2℃/min的冷却速度冷却至720～760℃，保温2～6h，炉冷至500℃，空冷。
本发明提供的加工方法，对高速钢钢丝进行组织粗化处理，即第一步为碳化物粗化热处理，加热温度900～1000℃，第二步为碳化物粒状化热处理，加热温度830～860℃，而后再进行冷加工。随后对上述钢丝进行震荡细化处理，即在A1温度以上5～30℃和A1温度以下30～60℃的温度区间进行循环加热和冷却，循环次数5次以上。对上述钢丝在500～600℃合金团簇化处理后，加热到860～900℃奥氏体化，以不低于2℃/min的冷却速度，快速冷至720～760℃范围内保温2～6h，而后炉冷至500℃，出炉。采用本方法生产出的高速钢钢丝晶粒尺寸细小，碳化物弥散分布，具有良好的冷加工性能及使用性能。
本发明各步骤的作用具体如下：
组织粗化：高速钢组织中弥散分布大量的碳化物，导致高速钢冷加工塑性差。在高速钢钢丝冷加工前，采用组织粗化处理，使碳化物尺寸长大，从而提高钢丝冷加工塑性。第一步采用碳化物粗化热处理，温度为900～1000℃，以使碳化物快速长大、组织粗化，降低钢丝硬度，提高变形能力。为消除碳化物粗化热处理产生的对塑性不利的棒状碳化物，紧接着对高速钢钢丝进行碳化物粒状化热处理，温度为830～860℃，其目的是使棒状碳化物转化为对塑性有利的球状碳化物，提高钢丝加工塑性。
震荡细化：上述处理虽然对冷加工塑性有利，但钢丝铁素体晶粒和碳化物粗化，对高速钢硬度和韧性不利，必须进行震荡细化处理，即在A1温度以上5～30℃和A1温度以下30～60℃的温区进行循环加热和冷却5次以上。其目的在于：1)A1温度上下震荡热处理过程中，W、Mo、V、Cr等合金元素扩散速率远小于界面迁移速率，使合金元素在界面偏聚，阻碍界面迁移，显著细化铁素体晶粒尺寸；2)反复震荡会大幅增加基体微区合金元素的不均匀度，使基体中产生大量的合金元素偏聚区域。上述元素偏聚为后续碳化物脱溶处理提供了潜在的形核位置，显著细化碳化物尺寸。
合金团簇化处理：通常情况下，高速钢钢丝直接进行退火处理，消除加工应力，中间不经过任何处理，但上述方法生产的钢丝组织比较粗大。本发明在退火前在500～600℃对钢丝进行预处理，其目的是使基体中过饱和的固溶原子团聚，形成合金原子团簇，促进后续退火过程中碳化物脱溶析出，促进碳化物球化，提高碳化物弥散度，使组织细化。
快速脱溶：通常情况下，高速钢退火采用尽可能低的冷却速度，以避免发生马氏体或贝氏体转变，降低钢丝硬度，但容易导致钢丝组织粗化。本发明使高速钢钢丝在860～900℃奥氏体化后快速冷却(不低于2℃/min)到720～760℃等温。一方面，震荡处理和合金团簇化处理后基体中产生大量的合金元素团聚区域，显著降低碳化物形核势垒，为碳化物脱溶提供了大量的非均匀形核质点；另一方面，快速冷却产生的较高过冷度，提高了铁素体形核率，可显著细化铁素体晶粒，同时提高碳化物析出数量。两方面共同作用，提高碳化物颗粒弥散度，细化铁素体晶粒尺寸，从而提高钢丝淬回火后硬度和塑性。
有益效果：与现有技术相比，本发明实现了细化高速钢钢丝组织、改善钢丝塑性和淬回火硬度的效果，使高速钢钢丝晶粒尺寸由10μm以上降至5μm以下，二次碳化物数量密度提升20％以上，延伸率由通常10％左右提升至17％以上，淬回火硬度提升1～2HRC。
附图说明
图1为现有工艺获得的M42钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图2为实施例1所得M42钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图3为实施例2所得M42钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图4为实施例3所得M42钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图5为现有工艺获得的M2钢丝的晶粒照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图6为实施例4所得M2钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图7为实施例5所得M2钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图8为实施例6所得M2钢丝的组织照片；图(a)为晶粒度照片，图(b)为碳化物照片。
图9为实施例1～3所得M42钢丝的淬回火硬度(1200℃淬火+550℃回火)；
图10为实施例4～6所得M2钢丝的淬回火硬度(1200℃淬火+550℃回火)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
1)组织粗化：对高速钢进行两步热处理，其中第一步为碳化物粗化热处理，加热温度900～1000℃，第二步为碳化物粒状化热处理，加热温度830～860℃。
2)对组织粗化处理的高速钢钢丝按照常规生产工艺进行冷加工。
3)震荡细化：将钢丝加热到A1温度以上5～30℃保温15～30min后，冷至A1温度以下30～60℃保温15～30min；且至少循环五次震荡细化处理过程。
4)合金团簇化：将上述钢丝加热到500～600℃，保温0.5～1h。
5)奥氏体化：将钢丝加热到860～900℃保温2～4h。
6)快速脱溶：将上述钢丝以不低于2℃/min的冷却速度冷却至720～760℃，保温2～6h，炉冷至500℃，空冷。
实施例1：
M42高速钢A1温度约830℃。对φ5.5mm的M42盘条进行如下处理：
(1)将M42钢丝升温到950℃加热30min后炉冷至500℃，而后重新升温至860℃加热1h，炉冷至500℃，出炉空冷。
(2)对上述处理的M42钢丝进行冷拉拔。
(3)将M42钢丝加热到845℃保温20min后，快速降至780℃保温30min；循环进行上述操作5次。
(4)将M42钢丝加热到500℃，保温1h。
(5)将M42钢丝加热到860℃，保温4h；
(6)将上述钢丝以5℃/min的冷却速度，快速冷却到740℃保温5h，炉冷至500℃，出炉空冷。
经过上述处理后的M42钢丝(φ4.5mm)的组织照片如图2，可以看到，其平均晶粒尺寸为3.4μm，二次碳化物数量密度达到2.0×106mm-2，总延伸率为17.5％。图9给出了该M42钢丝的淬回火硬度，达HRC68.8。相比之下，常规工艺生产的同规格M42钢丝的晶粒度达10μm以上，二次碳化物数量密度不足1.5×106mm-2，总延伸率不足12％，淬回火硬度约67HRC。可见，采用本发明的热处理方法可以明显细化高速钢钢丝组织，提升钢丝塑性和淬回火硬度。
实施例2：
对φ5.5mm的M42盘条进行如下处理：
(1)将M42钢丝升温到1000℃加热15min后炉冷至500℃，而后重新升温至840℃加热2h，炉冷至500℃，出炉空冷。
(2)对上述处理的M42钢丝进行冷拉拔。
(3)将M42钢丝加热到850℃保温15min后，快速降至770℃保温20min；循环进行上述操作5次。
(4)将M42钢丝加热到550℃，保温1h。
(5)将M42钢丝加热到870℃，保温3h；
(6)将上述钢丝以10℃/min的冷却速度，快速冷却到750℃保温5h，炉冷至500℃，出炉空冷。
经过上述处理后的M42钢丝(φ4.3mm)的组织照片和塑性如图3，可以看到，其平均晶粒尺寸为3.8μm，二次碳化物数量密度达到2.8×106mm-2，总延伸率约为19％。图9给出了该M42钢丝的淬回火硬度，为HRC69.0。可见，采用本发明的热处理方法可以明显细化高速钢钢丝组织，提升钢丝塑性和淬回火硬度。
实施例3：
对φ5.5mm的M42盘条进行如下处理：
(1)将M42钢丝升温到930℃加热1h后炉冷至500℃，而后重新升温至850℃加热2h，炉冷至500℃，出炉空冷。
(2)对上述处理的M42钢丝进行冷拉拔。
(3)将M42钢丝加热到840℃保温30min后，快速降至780℃保温30min；循环进行上述操作5次。
(4)将M42钢丝加热到600℃，保温1h。
(5)将M42钢丝加热到890℃，保温2h；
(6)将上述钢丝以10℃/min的冷却速度，快速冷却到730℃保温6h，炉冷至500℃，出炉空冷。
经过上述处理后的M42钢丝(φ4.0mm)的组织照片和塑性如图4，可以看到，其平均晶粒尺寸为4.1μm，二次碳化物数量密度达到2.3×106mm-2，总延伸率约为18.3％。图9给出了该M42钢丝的淬回火硬度，可以达到HRC68.7。可见，采用本发明的热处理方法可以明显细化高速钢钢丝组织，提升钢丝塑性和淬回火硬度。
实施例4：
M2高速钢A1温度约825℃。对φ5.5mm的M2盘条进行如下处理：
(1)将M2钢丝升温到920℃加热1h后炉冷至500℃，而后重新升温至860℃加热1h，炉冷至500℃，出炉空冷。
(2)对上述处理的M2钢丝进行冷拉拔。
(3)将M2钢丝加热到835℃保温15min后，快速降至780℃保温20min；循环进行上述操作6次。
(4)将M2钢丝加热到550℃，保温1h。
(5)将M2钢丝加热到860℃，保温4h；
(6)将上述钢丝以5℃/min的冷却速度，快速冷却到740℃保温5h，炉冷至500℃，出炉空冷。
经过上述处理后的M2钢丝(φ4.5mm)的组织照片如图6，可以看到，其平均晶粒尺寸为4.5μm，二次碳化物数量密度达到1.6×106mm-2，总延伸率约为19.3％。图10给出了该M2钢丝的淬回火硬度，可达HRC65.7。相比之下，常规工艺生产的同规格M2钢丝的晶粒度达10μm以上，二次碳化物数量密度不足1.2×106mm-2，总延伸率不足12％，淬回火硬度约64HRC。可见，采用本发明的热处理方法可以明显细化高速钢钢丝组织，提升钢丝塑性和淬回火硬度。
实施例5：
对φ5.5mm的M2盘条进行如下处理：
(1)将M2钢丝升温到950℃加热30min后炉冷至500℃，而后重新升温至850℃加热2h，炉冷至500℃，出炉空冷。
(2)对上述处理的M2钢丝进行冷拉拔。
(3)将M2钢丝加热到840℃保温30min后，快速降至770℃保温30min；循环进行上述操作6次。
(4)将M2钢丝加热到500℃，保温1h。
(5)将M2钢丝加热到870℃，保温3h；
(6)将上述钢丝以5℃/min的冷却速度，快速冷却到720℃保温6h，炉冷至500℃，出炉空冷。
经过上述处理后的M2钢丝(φ4.3mm)的组织照片和塑性如图7，可以看到，其平均晶粒尺寸为4.7μm，二次碳化物数量密度达到1.3×106mm-2，总延伸率约为21.8％。图10给出了该M2钢丝的淬回火硬度，达到HRC66。可见，采用本发明的热处理方法可以明显细化高速钢钢丝组织，提升钢丝塑性和淬回火硬度。
实施例6：
对φ5.5mm的M2盘条进行如下处理：
(1)将M2钢丝升温到970℃加热20min后炉冷至500℃，而后重新升温至860℃加热2h，炉冷至500℃，出炉空冷。
(2)对上述处理的M2钢丝进行冷拉拔。
(3)将M2钢丝加热到850℃保温20min后，快速降至775℃保温15min；循环进行上述操作6次；
(4)将M2钢丝加热到600℃，保温1h。
(5)将M2钢丝加热到890℃，保温2h；
(6)将上述钢丝以10℃/min的冷却速度，快速冷却到750℃保温4h，炉冷至500℃，出炉空冷。
经过上述处理后的M2钢丝(φ4.0mm)的组织照片和塑性如图8，可以看到，其平均晶粒尺寸为4.3μm，二次碳化物数量密度达到1.9×106mm-2，总延伸率约为20.2％。图10给出了该M2钢丝的淬回火硬度，可以达到HRC65.5。可见，采用本发明的热处理方法可以明显细化高速钢钢丝组织，提升钢丝塑性和淬回火硬度。
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