文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
高速钢是一种广泛应用于各种工具的高性能钢，其抗氧化性，耐磨性和耐热性等都具有较高的水平，与普通高速钢相比具有更好的综合性能，是一种新型的高速工具钢。
喷射成形技术是一种新兴的加工技术，该技术是将高速钢坯体预先喷出喷嘴，经过加热和冷却后形成形状复杂、结构紧凑的零件，可用于制造航空、航天、兵器及石油、化工等行业。
喷射成形高速钢是利用喷射成形技术加工的高速钢坯体，经淬火处理后获得高硬度、高耐磨性和低热硬性的零件。
喷射成形高速钢在加工过程中受到工件形状复杂、热加工变形严重、淬火组织不均匀等因素影响，在热处理过程中易发生组织演变。
M3高速钢喷射成形的热处理
喷丸成形M3高速钢的热处理过程包括淬火、回火和时效处理三个主要阶段。
喷丸成形的M3高速钢在淬火过程中，由于合金元素的大量溶解，在相变温度下呈现出“过冷奥氏体”结构，由于碳化物和马氏体的分解，组织中出现大量的残余奥氏体，这些残余奥氏体是合金元素弥散析出的核心，与基体组织共同形成了复杂的复合结构。
回火温度太低或保温时间太长会使原始组织中的残余奥氏体发生再结晶并向珠光体转变，使材料中残余奥氏体含量降低。
由于回火温度和时间不能控制得太高或太低，会导致高速钢喷射成形后组织不均匀、韧性不足、使用性能降低。
因此喷丸成形后应尽量减少回火工序，采用中间退火和正火结合的方式来提高其抗高温氧化性能。时效处理阶段是喷丸成形M3高速钢的最后一个热处理过程，也是喷丸成形M3高速钢的性能指标能否达标的关键阶段。
由于喷丸成形后的M3高速钢组织中存在大量残余奥氏体，因此必须对其进行时效处理以提高其抗高温氧化性能。
随着时效时间的延长，原始组织中的残余奥氏体逐渐向珠光体转变，硬度和强度逐渐下降。但是随着时效时间的延长，珠光体转变为马氏体的临界温度逐渐升高，而残余奥氏体转变为马氏体的临界温度则逐渐下降。
回火后喷丸成形M3高速钢中存在大量的残余奥氏体，这些残余奥氏体具有较高的强度、良好的抗高温氧化性能和较好的耐磨性。
但是喷丸成形后高速钢在时效过程中，由于碳化物和马氏体分解产生的大量氧原子及氧化物吸附在表面而造成表面氧化现象；
同时由于喷丸成形后高速钢中存在大量残余奥氏体，这些残余奥氏体在回火过程中继续分解形成碳化物和马氏体相变，使喷丸成形后高速钢表面硬度偏低。
为了提高喷丸成形后高速钢的抗高温氧化性能，喷射成形后应在时效处理阶段对喷丸成形M3高速钢进行低温回火和高温回火。低温回火可以消除喷丸成形高速钢表面氧化现象；而高温回火可以提高材料的耐磨性和抗高温氧化能力。
热处理过程中组织的演变
对喷射成形高速钢进行热处理，可得到马氏体、贝氏体、残留奥氏体、残余奥氏体+残余铁素体等组织，根据不同热处理工艺的组织演变情况，可确定各组织的形成时间。
由于残余奥氏体的转变使马氏体量减少、残留奥氏体增加而使奥氏体的稳定性增加，同时残余奥氏体量减少使得碳原子扩散速度降低、碳化物溶解度增加而使碳化物溶解度降低。
在喷射成形高速钢中，由于残留奥氏体具有高的硬度和良好的耐磨性，因此在后续热处理中残余奥氏体转变为残留奥氏体，当其进一步加热时，由于残留奥氏体的溶解度增加而导致其溶解度降低，因此导致残余奥氏体转变为残留铁素体的时间延长。
同时，在后续热处理中，由于碳化物溶解度增加而导致其溶解度降低，因此导致残余铁素体转变为残余奥氏体的时间延长。
而在后续热处理中，由于碳化物的溶解度降低，因此导致其溶解度增加，因此，其溶解度的增加会促使残留奥氏体的形成，最终导致残余奥氏体转变为残余奥氏体+残余铁素体。
通过对M3高速钢进行不同热处理工艺的组织演变研究，可发现随着温度的升高、碳化物的溶解度的增加以及碳化物的溶解度的增加，可以得到残余奥氏体、残余铁素体、马氏体量减少、残留奥氏体增加、残留铁素体+残余奥氏体增加等组织。
可以看出：随着温度的升高、碳化物的溶解度的增加以及碳化物的溶解度的增加，可以得到较多的马氏体量和残留奥氏体；而当温度超过℃时，由于碳化物溶解度降低而使得其溶解度减少，因此使其硬度下降。
热处理过程中的硬度偏低问题
根据以上的分析，可以认为喷射成形M3高速钢的硬度偏低是由于渗碳温度偏低所致，由于渗碳温度在低于℃时，渗碳层中的碳化物难以完全溶解，导致渗碳层中的碳化物不能完全溶解，析出过多的碳化物，因而造成显微硬度偏低。
选择合适的淬火介质。对于喷射成形M3高速钢来说，一般采用水或空气作为淬火介质。如果采用空气作为淬火介质时，最好对空气进行预热后再进行淬火。因为空气作为淬火介质时，能有效地防止工件表面因水或油冷却而产生热应力。
另外，对于喷射成形M3高速钢来说，由于喷射成形时喷射器喷嘴为中空结构，喷出的金属液与空气混合后在钢件内形成了一种极细的连续薄膜状的流场。
这种流场在高速冷却时具有很好的冷却能力和冷却均匀性，因此喷射成形M3高速钢在淬火时往往出现组织不均匀性和组织硬度分布不均匀性的问题。
选择合适的渗碳温度。喷射成形M3高速钢的渗碳温度一般在~℃之间，如果渗碳温度过低，会导致渗碳层中碳化物析出量过少，不能完全溶解于渗碳层中，致使残余奥氏体含量偏高，影响材料的韧性；
如果渗碳温度过高，则会导致渗碳层中的碳化物大量聚集和析出，形成大量的碳化物聚集体，影响材料的力学性能。
因此在选择渗碳温度时要综合考虑喷射成形M3高速钢的性能、应用情况和实际生产条件等因素。
选择合适的淬火冷却方式。喷射成形M3高速钢淬火冷却方式主要有风冷、水冷和油冷等几种方式。
喷射成形M3高速钢在淬火时采用风冷和水冷两种方式冷却时，其最终淬火温度应根据喷射成形M3高速钢的使用条件决定。如果喷射成形M3高速钢的使用温度高于℃时，采用风冷或水冷两种冷却方式均可获得良好的淬火效果。
喷射成形M3高速钢的淬火冷却速度主要受温度和冷却介质的影响，如果在高温下采用风冷或水冷进行淬火时，其冷却速度相对较快；如果在低温下采用油淬火或油水冷进行淬火时，其冷却速度相对较慢。
另外，为了获得良好的淬硬层深度和力学性能，在进行喷丸成形M3高速钢热处理时应避免采用气相渗氮工艺。
应用前景及发展趋势
高速钢的应用是一个相对广泛的领域，在很多领域都有广泛的应用，如汽车、航空、机床、模具等。随着应用领域的扩大，高速钢的性能也在不断地提高，尤其是耐磨和耐高温方面的性能有了很大的改善，使高速钢成为各种行业中一种必不可少的材料。
例如在汽车制造行业中，发动机缸体是一种重要的零件，通常在℃以上工作，使用寿命是普通高速钢的5-10倍。
目前国内外使用最多的高速钢是M55钢、M13钢、M35钢和M42钢等马氏体钢。在一些特殊工作条件下，如高热传导性和抗热疲劳性能，特别是高温下耐腐蚀性能，通常会选用高速钢。
目前喷射成形技术是高速钢最先进的生产技术之一。喷射成形技术应用于高速钢领域主要是采用喷射成形工艺制备具有一定细度、较高密度和高硬度的粉末高速钢坯料，并通过不同工艺参数制备出具有不同性能指标的高速钢产品。
例如，通过合理地控制喷射成形工艺参数和冷却条件，可将高速钢坯料制备成不同性能要求的产品；
再通过不同工艺参数制备出具有不同性能指标的高速钢熔块或粉末。喷射成形技术生产出来的高速钢熔块具有高硬度、高耐磨性、高耐热性等优异性能。
喷射成形技术在国内已经得到了广泛应用，并且取得了不错的效果。但是目前国内还没有相关企业生产出符合国际标准的高速钢熔块或粉末。这与该技术在我国起步较晚、生产设备不完善以及相关技术人员缺乏有很大关系。
虽然喷射成形技术生产的高速钢熔块或粉末具有优异的性能，但是目前国内外的研究主要集中在该技术的生产工艺和设备方面，对喷射成形高速钢的热处理工艺研究较少。
本文从喷射成形高速钢在热处理过程中组织演变和硬度偏低问题方面进行了研究，探讨了喷射成形高速钢热处理过程中组织演变和硬度偏低问题产生的原因，并提出了解决方案。同时还对喷射成形高速钢在热处理过程中应注意的事项进行了说明。
喷射成形高速钢具有很多优良的性能，如高硬度、高耐磨性、低热变形抗力、高热稳定性以及优异的耐腐蚀性等，可广泛用于汽车、摩托车、机床等行业。
笔者观点
在喷射成形M3高速钢热处理过程中，由于喷射成形M3高速钢的显微组织不均匀性导致其硬度值偏低，其主要原因是喷射成形M3高速钢在淬火时；
由于喷射成形的温度高于传统工艺淬火的温度，导致喷射成形M3高速钢中的马氏体相变滞后于传统工艺，从而导致马氏体相变不完全，不能进行完全的回复再结晶和析出，从而导致硬度偏低。
解决的办法是采用高温回火热处理工艺对喷射成形M3高速钢进行回火处理，可在一定程度上解决喷射成形M3高速钢的硬度偏低问题。
参考文献
1.方俊峰：高速钢的强韧化研究进展。《金属材料》，(10)：57-60。
2.郭军：喷射成形高速钢组织演变研究。《工业技术与管理》，(4)：21-22。
3.尹文彬：喷射成形高速钢中各相的形成机理及对力学性能的影响，《金属学报》，,30(8)：-。
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