滲氮
高速鋼、基體鋼、熱模具鋼和高碳高鉻鋼中都含有大量形成氮化物的合金元素，滲氮層的表面硬度高達(dá)1000HV以上，大幅度提高了耐磨性，并降低了摩擦系數(shù)。滲氮處理已廣泛應(yīng)用于刀具、冷作模具和熱作模具的熱處理。
（1）刀具滲氮
高速鋼刀具和以高速鋼為基的鋼結(jié)硬質(zhì)合金刀具都可以在磨刃之后進(jìn)行滲氮處理。高速鋼中含有大量的Cr、V、W、Mo等形成氮化物元素，滲氮后表面硬度很高，但滲氮層的脆性很大，如果處理不當(dāng)，易崩刃。所以高速鋼滲氮應(yīng)采用短時(shí)滲氮和低氮?jiǎng)荨Ｒ话阍?60℃滲氮，時(shí)間為20～60min，氨分解率在70%～90%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。高速鋼刀具滲氮不允許出現(xiàn)化合物層，擴(kuò)散層的總深度控制在0.01～0.03mm之間，對(duì)于刃口較厚的連續(xù)切削的刀具可取上限，刃口較薄的刀具應(yīng)取下限。刀具在使用過(guò)程中經(jīng)過(guò)重復(fù)磨刃之后，只要前刃面或后刃面之一保留著滲氮層，仍然可以收到提高切削壽命的效果。
（2）冷作模具滲氮
冷擠壓凸模、冷鐓凸模和冷鍛模常用高速鋼或基體鋼制造，滲氮溫度恰好在高速鋼和基體鋼的回火溫度范圍內(nèi)。在淬火回火并加工至最終形狀之后進(jìn)行短時(shí)滲氮，滲層深度只需略大于允許的磨損量，就可以大幅度提高模具壽命�；�體鋼或低碳高速鋼克服了普通高速鋼易開(kāi)裂、易崩刃的缺點(diǎn)，但耐磨性不如高速鋼。經(jīng)過(guò)短時(shí)滲氮后三者的耐磨性則達(dá)到同樣水平。所以用基體鋼或低碳高速鋼制造冷擠壓模高速鋼問(wèn)世已愈百年，無(wú)論就其成分、組織、性能之間的復(fù)雜關(guān)系，還是冶煉、澆注、塑性成形和熱處理等整個(gè)制造流程的復(fù)雜性而言，高速鋼可視為最復(fù)雜的鋼種之一。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)高速鋼熱處理進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，豐富了熱處理工藝學(xué)的內(nèi)容，即使直接從事高速鋼刀具制造的熱處理工作者，也可以從中得到有益的啟示。
在金屬切削加工過(guò)程中，要求刀具刃口在高達(dá)600℃左右的溫度下仍保持高硬度，這種性能稱為紅硬性。高速工具鋼是常用的工具材料之一，為了提高某紅硬性，加入大量的W、Mo、Cr、V等合金元素，屬高碳高合金萊氏體工具鋼，其熱處理有如下特點(diǎn)：
1）高速鋼中萊氏體碳化物的形貌在熱處理過(guò)程中不會(huì)改變，需要事先用熱塑性成形的方法將萊氏體碳化物破碎成顆粒狀并改善碳化物不均勻性。
2）為了改善高速鋼本身的切削加工性，需要采用比較復(fù)雜的和嚴(yán)格的退火工藝，并且針對(duì)不同的情況有多種不同的退火方法。
3）高速鋼中存在大量碳化物，強(qiáng)烈地阻礙加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，直至接近開(kāi)始熔化的溫度仍能保持細(xì)小的奧氏體晶粒。也唯有在足夠高的溫度下加熱，使碳化物溶解，提高奧氏體合金元素和碳的含量，才能起到提高紅硬性的作用，而韌性則隨著淬火溫度的升高而下降。淬火加熱溫度對(duì)高速鋼性能的影響十分敏感，對(duì)不同的刀具，應(yīng)根據(jù)其使用狀況選擇合適的加熱溫度，并加以嚴(yán)格控制。
4）高速鋼有很高的淬透性，而且一般刀具截面并不大，所以可以選擇比較緩慢的淬火冷卻方法，以求減小熱處理畸變。
5）高速鋼通常應(yīng)在出現(xiàn)“二次硬化”的溫度下進(jìn)行多次回火。
高速鋼退火工藝
冶金廠生產(chǎn)高速鋼過(guò)程中常用的退火處理包括鋼錠退火、鍛造或軋制熱變形及冷拉變形后的中間退火和成品材（絲）退火等，前兩種的目的是消除應(yīng)力防止冷裂、降低硬度、方便修磨表面缺陷及改善塑性等；成品材（絲）退火則是為保證產(chǎn)品出廠交貨硬度和為產(chǎn)品進(jìn)行最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。
在工具制造部門，對(duì)高速鋼的退火處理也有相同之處，如改鍛、鐓拔熱變形后及熱拉、冷拉之后，使用的退火方式（完全退火、等溫退火、軟化退火）及工藝要求與鋼材生產(chǎn)工藝中的退火完全相同。
在工具行業(yè)中，退火處理也有一些不同的做法。例如，為了改善熱軋鉆頭的所謂“高頻熱塑性”，常用的方法是將沖斷切下的鉆頭坯料集中進(jìn)行高溫退火處理，加熱溫度達(dá)950℃。再如，對(duì)于淬火不足、回火又不合格的產(chǎn)品，也須經(jīng)重結(jié)晶退火處理，再行淬火予以挽救。另外，為了改善切削加工，尤其是齒輪刀具的切削加工后的表面粗糙度（要求Ra≤2.5 μm），則要對(duì)粗加工后的工件在精切削前改造其退火索氏體，細(xì)小碳化物顆粒。這種處理實(shí)質(zhì)上是再一次進(jìn)行重結(jié)晶退火，其目的不是降低硬度，而是細(xì)化索氏體中的碳化物，硬度略有提高。常用的方法有兩大類：一是采用低溫淬火的調(diào)質(zhì)處理；二是等溫處理，工廠又稱“毛淬火”。“調(diào)質(zhì)”一詞借用了對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的熱處理工藝名詞，但高速鋼的調(diào)質(zhì)與其有著完全不同的目的。通過(guò)重新加熱到超過(guò)Ac1的溫度，使原來(lái)退火索氏體中的碳化物的粒度，并改善其均勻性，所得組織是否有利于加工，可通過(guò)硬度測(cè)定和切削試驗(yàn)來(lái)確定。根據(jù)國(guó)內(nèi)多數(shù)工廠的經(jīng)驗(yàn)，硬度應(yīng)控制的范圍[1]為：W6Mo5Cr4V2鋼：38～42HRC；W18Cr4V鋼：33～39HRC。常用的回火溫度為680～700℃，調(diào)節(jié)回火溫度和回火時(shí)間，使硬度達(dá)到上述范圍，以改善切削加工性能。
等溫處理法通常在車間的系列鹽浴爐組中進(jìn)行，可采用直接等溫分解以節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。工件在爐子之間的移動(dòng)與分級(jí)（等溫）淬火相似，故稱為“毛淬火”。等溫處理的溫度應(yīng)選在TTT曲線（900℃奧氏體化）“鼻子”附近，使過(guò)冷奧氏體盡快分解，又要滿足等溫分解產(chǎn)物硬度的要求。
高速鋼淬火工藝
淬火處理是影響高速鋼制品使用性能最敏感的工序，也是工藝控制難度最大的工藝。一般分為預(yù)熱、加熱和冷卻3部分。預(yù)熱是為了避免內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生變形的開(kāi)裂，并可縮短高溫停留時(shí)間。加熱則包括升溫、透燒及保溫3個(gè)過(guò)程，其目的是為了獲得一定合金度的奧氏體，同時(shí)又保持細(xì)小的晶粒。冷卻則一方面要將高合金奧氏體過(guò)冷到600℃以下，保證轉(zhuǎn)變成馬氏體或下貝氏體，另一方面又要不使工件截面溫差過(guò)大而引起變形的開(kāi)裂。因此，在600℃以上時(shí)的冷卻速度必須達(dá)到能夠最大限度地抑制二次碳化物的析出。在600℃以下，尤其在Ms點(diǎn)以下（150～200℃），則要緩慢冷卻，或者促使奧氏體等溫分解成貝氏體。冷卻的方式主要有分級(jí)淬火、等溫淬火及油冷3種。其中第一次預(yù)熱為空氣介質(zhì)爐（起烘干及低溫預(yù)熱作用），其余均在鹽浴爐中進(jìn)行。
淬火加熱設(shè)備的主要優(yōu)缺點(diǎn)
作為工具整體淬火加熱的設(shè)備，現(xiàn)有鹽（氯化鹽系統(tǒng)）浴爐、保護(hù)氣氛爐和真空爐3類，特殊情況下也用感應(yīng)快速局部加熱法。對(duì)調(diào)整鋼工件淬火加熱設(shè)備的基本要求是：無(wú)氧化、無(wú)脫碳；測(cè)溫、控溫、精度高；裝料狀態(tài)溫度的均勻性好。
鹽浴爐
內(nèi)熱式鹽浴爐（組）雖然在某些方面并不能滿足上述要求，但仍是目前使用較多的設(shè)備。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1）可以配制成系列工作溫度的爐組，便于分級(jí)加熱和冷卻。
2）100%BaCl2溶爐用于1200～1300℃高溫時(shí)，當(dāng)采用了正確的脫氧和撈渣操作之后，具有足夠的保護(hù)作用，微量的氧化和脫碳可在隨后的磨削工序中去除，不影響工具的精度和表面硬度。
3）工件（裝卡或捆扎）入爐后，懸置于溶槽中，因此出、入爐（上、下）和平移的動(dòng)作，無(wú)論采用人工還是機(jī)械手，皆易于做到平穩(wěn)，鹽浴的浮力則可減輕工件自重的作用，有利于減小變形。另外，此種裝爐方式還可對(duì)工件進(jìn)行局部加熱淬火，例如對(duì)麻花鉆頭的刃部和柄部分別淬火。
4）介質(zhì)與工件間的熱交換率比氣體和真空爐大很多，加上內(nèi)熱式浴爐特有的電磁攪拌，即能提高加熱速度，又可使浴槽內(nèi)不同部位的工件溫度均勻，加熱速度保持一致。
鹽浴爐（組）處理高速鋼工具的基本特征是小批（大件為單件）裝爐、分級(jí)加熱，在淬火加熱溫度下短時(shí)停留。
鹽浴爐（組）淬火的主要缺點(diǎn)是高溫（1200～1300℃）測(cè)控困難、準(zhǔn)確度差。由于爐溫超出BaCl2鹽熔點(diǎn)300℃左右，在工作溫度下不可避免地會(huì)有大量鹽蒸氣逸出，對(duì)PtRe-Pt電偶絲有嚴(yán)重的腐蝕作用。所以從20世紀(jì)50年代開(kāi)始至今，基本采用輻射高溫計(jì)持續(xù)測(cè)溫儀表監(jiān)控，只用PtRe-Pt熱電偶進(jìn)行校正。前者反應(yīng)靈敏，但精度低，必須用熱電偶進(jìn)行校正（每班次至少兩次以上）。為避免鹽蒸氣對(duì)熱電偶的強(qiáng)烈滲透和腐蝕，通常用雙層套管，外層為鋼管，內(nèi)層則為Al2P3陶瓷管。 但這種結(jié)構(gòu)的熱電偶造成測(cè)溫的滯后性，會(huì)影響爐溫的校正精度。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了Al2O3基的金屬陶瓷套管，耐急冷急熱性好，可以直接插入浴槽中工作，使熱電偶直接測(cè)溫成為可行，但仍存在測(cè)溫滯后現(xiàn)象。因此，鹽浴爐處理的質(zhì)量在很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平。
鹽浴爐處理的另一個(gè)缺點(diǎn)是環(huán)境污染問(wèn)題。大量鹽蒸氣對(duì)車間及周圍空氣的污染嚴(yán)重，其中BaCl2的毒性最大。同時(shí)清洗工件后的污水排放也會(huì)造成水質(zhì)的嚴(yán)重污染。
真空爐
真空加熱淬火近20年來(lái)發(fā)展迅速，一定規(guī)模的專業(yè)工具廠都相繼建立了真空車間，經(jīng)真空加熱處理的產(chǎn)品數(shù)量及品咱逐漸擴(kuò)大。與鹽浴爐相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）完全消除了加熱過(guò)程中工件表面的氧化、脫碳，可獲得無(wú)變質(zhì)層的清潔表面。這時(shí)對(duì)那些在刃磨一面的刀具（如麻花鉆磨削后使溝槽表面的脫碳層直接暴露于刃口）切削性能的改善關(guān)系極大。
2）對(duì)環(huán)境無(wú)污染，不需進(jìn)行三廢處理。
3）爐溫測(cè)定、監(jiān)控精度明顯提高。熱電偶的指示值與爐溫溫差達(dá)到±1.5℃。但爐內(nèi)大批工件不同部位的溫差較大，若采用稀薄氣體強(qiáng)制循環(huán)，仍可控制在±5℃溫差范圍內(nèi)。
4）機(jī)電一體化程度高。在溫度測(cè)控精度提高的基礎(chǔ)上，工件移動(dòng)、氣壓調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)等均可預(yù)先編程設(shè)定，按步驟實(shí)施淬火和回火。尤其是現(xiàn)代高壓和超高壓氣冷淬火單室式真空淬（回）火爐，可將大批工件從預(yù)熱開(kāi)始直接淬火、回火過(guò)程在爐中全部完成，中間不必移動(dòng)工件。
5）能耗顯著低于鹽浴爐�，F(xiàn)代先進(jìn)的真空爐加熱室采用優(yōu)質(zhì)隔熱材料制成的隔熱墻和屏障，可將電熱能量高度集中于加熱室內(nèi)，節(jié)能效果顯著。據(jù)文獻(xiàn)[3]報(bào)道，真空爐的熱效率（有效）達(dá)90%，而普通熱處理爐僅為40%～50%，鹽浴爐的熱效率更低。此外，與鹽浴爐、保護(hù)氣氛爐相比，真空爐不消耗物質(zhì)（鹽、氣及其他輔料）資源。
采用真空爐淬火的主要缺點(diǎn)是介質(zhì)與工件的熱交換效率不高，而且不易實(shí)現(xiàn)分級(jí)加熱和高溫短時(shí)間保溫。為提高單臺(tái)爐子的生產(chǎn)率，只能采用增加裝爐量的辦法。如一般生產(chǎn)應(yīng)用的真空淬火爐，每爐進(jìn)料工件重量為50～500kg，加上料筐的蓄熱，故加熱速度緩慢，均熱時(shí)間長(zhǎng)。
由于在環(huán)保、節(jié)能及淬火溫度控制方面的明顯優(yōu)勢(shì)，在國(guó)外，首先是一些重視環(huán)保的發(fā)達(dá)國(guó)家，近20年來(lái)，不斷壓縮鹽浴的應(yīng)用量，以真空爐代之，據(jù)有關(guān)報(bào)道指出，鹽浴爐的處理量已不足總量的10%