合金工具鋼的熱處理工藝分析

1、論文導(dǎo)讀:：合金工具鋼的種類和性能要求。經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得較高的硬度和良好的耐磨性。論文關(guān)鍵詞：合金工具鋼，熱處理，工藝分析隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，工程材料的合理應(yīng)用越發(fā)顯得重要。選用恰當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)制造，從而保證制成的產(chǎn)品具有最佳形貌和性能；如果選材不當(dāng)，將會(huì)使所設(shè)計(jì)制造出產(chǎn)品，不能發(fā)揮出最佳性能，并可能導(dǎo)致其使用壽命大大降低；或因選材不當(dāng)，導(dǎo)致成本太高，失去其應(yīng)有的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。所以，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的各類工程技術(shù)人員，需對(duì)材料要有技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量性的價(jià)值觀念。1 合金工具鋼的種類和性能要求在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加人一定種類和數(shù)量的合金元素，用來(lái)制造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱為合金

2、工具鋼。與碳素工具鋼相比，合金工具鋼的硬度和耐磨性更高，而且還具有更好的淬透性、紅硬性和回火穩(wěn)定性。1.1 工具鋼的種類在工程上工具鋼的分類有兩種形式，一種是按成分可分為：碳素工具鋼和合金工具鋼；一種是按用途可分為：刃具鋼、模具鋼和量具鋼。此外，還可按所用淬火冷卻介質(zhì)分為：水淬鋼、油淬鋼和空硬鋼三類。工具鋼分類方法很多，其中按用途分類是常用的。1.2 工作條件和性能要求1.2.1低合金刃具鋼 對(duì)于某些低速而且走刀量較小的機(jī)用工具機(jī)械論文，以及要求不太高的刃具，如絲錐、板牙等刃具可用碳素工具鋼T7、T8、T10、T12來(lái)制作。碳素工具鋼價(jià)格低廉，加工性能好，經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得較高的硬度和良好的

3、耐磨性。但是其淬透性差，回火穩(wěn)定性和紅硬性不高，不能用作對(duì)性能有較高要求的刀具。為了克服碳素工具鋼的不足之處，在其基礎(chǔ)上加(35)Me的合金元素就形成了低合金刃具鋼。1.2.2 高速工具鋼高速鋼是一種高合金工具鋼，含鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，總量超過(guò)10Me。高速鋼優(yōu)于其他工具鋼的主要之處是其具有良好的紅硬性，在切削零件刃部溫度高達(dá)600時(shí)，硬度仍不會(huì)明顯降低。高速鋼的碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，一般為(0.70150)C核心期刊。高碳一方面是保證與鎢、鉬等諸多合金元素形成大量的合金碳化物，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，提高回火穩(wěn)定性。另一方面是在加熱時(shí)使奧氏體含一定量的碳、淬火得到的馬氏體有較高的硬度和耐磨性

4、，常用于車刀、銑刀、高速鉆頭等。1.2.3冷作模具鋼處于工作狀態(tài)的冷作模具承受著強(qiáng)烈的沖擊載荷和摩擦、很大的壓力和彎曲力的作用，主要的失效破壞形式包括磨損、變形和開裂等，因此冷作模具鋼要求具有較高的硬度和耐磨性，良好的韌性和疲勞強(qiáng)度。截面尺寸較大的模具還要求具有較高的淬透性，高精度模具則要求熱處理變形小。冷作模具鋼是用于在室溫下對(duì)金屬進(jìn)行變形加工的模具，包括冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模、拉絲模、落料模等。1.2.4熱作模具鋼熱作模具鋼在工作時(shí)經(jīng)常接觸熾熱的金屬，型腔表面溫度高達(dá)400600。金屬在巨大的壓應(yīng)力、張應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和沖擊載荷作用下，與型腔作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損。工作過(guò)程中還要反

5、復(fù)受到冷卻介質(zhì)冷卻和熱態(tài)金屬加熱的交替作用，模具工作面出現(xiàn)熱疲勞“龜裂紋”。因此，為使熱作模具正常工作，要求模具用鋼在較高的工作溫度下具有良好的強(qiáng)韌性，較高的硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性、抗熱疲勞能力，較高的淬透性和尺寸穩(wěn)定性。 熱作模具鋼是用于制造在受熱狀態(tài)下對(duì)金屬進(jìn)行變形加工的模具，包括熱鍛模、熱擠壓模、熱鐓模、壓鑄模、高速鍛模等。1.2.5量具鋼用于制造卡尺、千分尺、樣板、塞規(guī)、塊規(guī)、螺旋測(cè)微儀等各種測(cè)量工具的鋼被稱為量具鋼。量具在使用過(guò)程中始終與被測(cè)零件緊密接觸并作相對(duì)移動(dòng)，主要承受磨損破壞。因此要求其具有較高的硬度和耐磨性，以保證測(cè)量精度，還要有耐輕微沖擊、碰撞的能力，熱處理變形要小機(jī)械論文

6、，在存放和作用過(guò)程中要有極高的尺寸穩(wěn)定性。2 熱處理工藝設(shè)計(jì)分析2.1低合金刃具鋼熱處理工藝低合金刃具鋼的預(yù)先熱處理是球化退火，目的是改善鍛造組織和切削加性能，最終熱處理是淬火+低溫回火。組織為回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體，具有較高的硬度和耐磨性。以9SiCr鋼制造的圓板牙是切削加工外螺紋的刀具，要求鋼中碳化物均勻分布，熱處理后硬度和耐磨性較高，而且齒形變形小。其制造工藝路線：下料球化退火一機(jī)加工+淬火+低溫回火+磨平面一拋槽開口。9SiCr圓板牙的球化退火采用等溫處理工藝，組織為粒狀珠光體，硬度在(1924)HBW之間，適宜切削加工。淬火+低溫回火工藝，先在600650預(yù)熱，目的是縮短

7、隨后的淬火保溫時(shí)間，減輕氧化脫碳的可能性。在850870加熱保溫后，迅速轉(zhuǎn)移到160200的硝鹽槽中進(jìn)行分級(jí)淬火，降低淬火時(shí)的變形。然后在190200低溫回火，降低殘余應(yīng)力，保留較高的硬度值(6063)HRC。2.2高速鋼的熱處理工藝高速鋼的碳及合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆較高，屬于萊氏體鋼，鑄態(tài)組織有粗大、魚骨狀的共晶碳化物，分布不均勻，會(huì)使強(qiáng)度下降，脆性增加，并且不能通過(guò)熱處理來(lái)改變碳化物分布，只有通過(guò)鍛造將其去碎，使其均勻分布，鍛后必須緩冷。高速鋼因其化學(xué)成分的特點(diǎn)，其熱處理具有淬火加熱溫度高、回火次數(shù)多等特點(diǎn)。以W18Cr4V鋼制造盤形齒輪銑刀為例，說(shuō)明其熱處理工藝選用和生產(chǎn)工藝路線的制定。(1

8、) 球化退火。高速鋼鍛造后的硬度很高，只有經(jīng)過(guò)退火降低硬度才能進(jìn)行切削加工。一般采用球化退火降低硬度，消除鍛造應(yīng)力，為淬火作組織上的準(zhǔn)備。球化退火后組織為索氏體和均勻分布的合金碳化物所組成。(2) 淬火十回火。W18Cr4V鋼盤形齒輪銑刀的淬火回火工藝。高速鋼中含大量合金元素，導(dǎo)熱性差核心期刊。為避免加熱過(guò)程產(chǎn)生變形開裂，一般在800840預(yù)熱機(jī)械論文，截面尺寸較大的零件可在500650多進(jìn)行一次預(yù)熱。高速鋼淬火溫度都比較高，一般在1270加熱，但也不可過(guò)高，否則奧氏體晶粒長(zhǎng)大，殘余奧氏體增加。高速鋼淬透性高，一般采用油冷，截面尺寸小的刀具，在空氣中即可淬硬。對(duì)于形狀復(fù)雜、要求小變形的刀具，先

9、將其淬人580620的中性鹽浴中分級(jí)均溫，然后再空冷，可防止變形、開裂。W18Cr4V鋼淬火組織是馬氏體+殘余奧氏體+粒狀碳化物，其殘余奧氏體量高達(dá)30。在回火冷卻時(shí)，部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生了“二次淬火”使硬度升高。高速鋼淬火后要在560回火三次是因?yàn)橐淮位鼗鸩荒芡耆龤堄鄪W氏體，第一次回火后，殘余奧氏體量由30降為15左右，第二次回火后還有57，第三次回火后殘余奧氏體減少為12。而且，后一次回火可消除前一次回火時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。W18Cr4V鋼淬火加上三次回火后組織為回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。2.3 模具鋼的熱處理工藝用作冷沖壓模、熱鍛壓模、擠壓模、壓鑄模等模具

10、的鋼稱為模具鋼。根據(jù)性質(zhì)和使用條件的不同，可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類。2.3.1 冷作模具鋼熱處理工藝?yán)渥髂＞咪摕崽幚淼哪康氖亲畲笙薅鹊貪M足其性能要求，以便能正常工作，現(xiàn)以Crl2MoV冷作模具專用鋼制造沖孔落料模為例來(lái)分析熱處理工藝方法及制定生產(chǎn)工藝路線。沖孔落料模的凸、凹模均要求硬度在(5860)HRC之內(nèi)，要求具有較高的耐磨性、強(qiáng)度和韌性，較小的淬火變形。為此，設(shè)計(jì)其生產(chǎn)工藝路線：鍛造一退火一機(jī)加工+淬火+回火+精磨或電火花加工一成品。Crl2MoV鋼的組織與性能與高速鋼相類似，合金元素含量較高，鍛后空冷易出現(xiàn)馬氏體組織，一般鍛后都采用緩冷。鋼中有萊氏體組織，可以通過(guò)鍛造使其破碎

11、，并均勻分布。鍛后退火工藝與高速鋼的等溫退火工藝相似，退火后硬度小于255HBW，可進(jìn)行機(jī)械加工。Crl2MoV鋼的淬火十回火工藝，淬火溫度較低機(jī)械論文，低溫回火后鋼的耐磨性和韌性較高，組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+合金碳化物，硬度為(5860)HRC。如果要求模具具有較高的紅硬性，能夠在400450條件下工作，則要進(jìn)行“二次硬化法”處理，將淬火加熱溫度提高到11001150，此時(shí)由于鋼中出現(xiàn)了大量的殘余奧氏體，硬度僅為(4250)HRC，但是隨后在510520C高溫下三次回火，析出了細(xì)小彌散的合金碳化物及殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生“二次硬化”現(xiàn)象，硬度回升到(6062)HRC，紅硬性也較好

12、，但是淬火加熱溫度較高，組織粗化會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性下降。2.3.2 熱作模具鋼熱處理工藝熱作模具鋼熱處理的目的主要是提高紅硬性、抗熱疲勞性和綜合力學(xué)性能，最終熱處理一般為淬火斗高溫(或中溫)回火，以獲得均勻的回火索氏體(或回火托氏體)。以5CrMnMo鋼制造板牙熱鍛模為例來(lái)分析熱處理工藝方法及制定生產(chǎn)工藝路線。板牙熱鍛模要求硬度為(351387)HBW，抗拉強(qiáng)度大于12001400MPa，沖擊值大于3256J，同時(shí)還要滿足對(duì)熱作模具淬透性、抗熱疲勞性等的要求。其生產(chǎn)工藝路線：鍛造一退火一粗加工一成型加工+淬火+回火+精加工(修型、拋光)。由于鋼在軋制時(shí)會(huì)出現(xiàn)纖維組織，導(dǎo)致各向異性，所以要予以鍛造

13、消除。鍛后要緩冷，防止應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂紋，采用780800保溫45h退火，消除鍛造應(yīng)力，為最終熱處理作組織上的準(zhǔn)備。5CrMnMo鋼制熱鍛模淬火+回火工藝，為降低熱應(yīng)力，大型模具需在500左右預(yù)熱，為防止模具淬火開裂，一般先由爐內(nèi)取出空冷至750780預(yù)冷，然后再淬人油中，油冷至150200C(大致為油只冒青煙而不著火的溫度)取出立即回火，避免冷至室溫再回火導(dǎo)致開裂?；鼗鹣藨?yīng)力機(jī)械論文，獲得回火索氏體(或回火托氏體)組織，以得到所需的性能。2.4 量具鋼的熱處理工藝量具鋼應(yīng)盡量采用在緩冷介質(zhì)中淬火，并進(jìn)行深冷處理以減少殘余奧氏體量。低溫回火消除應(yīng)力，保證高硬度和高耐磨性。以CrWMn鋼制造的測(cè)量標(biāo)定線性尺寸的塊規(guī)為例，說(shuō)明其熱處理工藝方法的選定和生產(chǎn)工藝路線的安排。塊規(guī)是機(jī)械制造行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)量塊，硬度值要求達(dá)到(6265)HRC，淬火不直度小于0.05mm