直柄麻花鉆的熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y金屬材料綜合課程設(shè)計(jì)直柄麻花鉆的熱處理工藝設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱(chēng)： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 金屬1302 學(xué)生姓名： 錢(qián)振 學(xué)號(hào)： 3130702063 指導(dǎo)教師姓名：邵紅紅，紀(jì)嘉明 2017年 1 月直柄麻花鉆的熱處理工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師姓名： 邵紅紅 紀(jì)嘉明1 麻花鉆零件圖 圖1 高速鋼直柄麻花鉆尺寸參數(shù)直柄麻花鉆的尺寸：直徑D刃部l總長(zhǎng)L10mm 87mm 133mm2 服役條件及提出的性能要求和技術(shù)指標(biāo)2.1 服役條件作為機(jī)床上使用的金屬切削工具，其主要工作部分是刀刃或刀尖,鉆頭在切削過(guò)程中，刃部與工件表面的金屬相互作用，使

2、鉆頭產(chǎn)生變形和斷裂，并從工件整體上剝離下來(lái)，所以鉆頭本身承受彎曲、剪切應(yīng)力和沖擊震動(dòng)負(fù)荷；在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量切削，因此鉆頭還受到工件和切削強(qiáng)烈的摩擦作用；同時(shí)伴隨摩擦?xí)a(chǎn)生高溫。機(jī)用工具切削速度較高，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，有時(shí)會(huì)發(fā)生切削刃軟化現(xiàn)象。切削量增大和被切削金屬的硬度升高，都會(huì)使切削熱大量增加，從而使刃具的溫度很快升高。直柄麻花鉆在鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量多，而傳熱、散熱困難；承受擠壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、沖擊應(yīng)力及切削產(chǎn)生的高溫，工作溫度在500600左右，容易造成鉆頭嚴(yán)重磨損。2.2 失效形式由于工具種類(lèi)的不同以及使用條件的差異，起失效形式也有所不同。切削工具失效主要由于磨損、 橫刃、外緣

3、點(diǎn)磨損 、崩刃 、剝落、 折斷或加工的工件打不到技術(shù)要求等原因造成的（1） 磨損鉆頭屬半封閉式切削，鉆削熱難以向外傳散，更易形成高的切削溫度。所以，引起鉆頭磨損主要為熱磨損，對(duì)于高速鋼鉆頭來(lái)說(shuō)，主要是相變磨損。磨損的產(chǎn)生大都是由于工具的切削刃與被切削工件之間的摩擦所產(chǎn)生的。有時(shí)也可能是由于在工具表面形成積痟瘤，形成粘合磨損所造成的。機(jī)械磨損：工件材料中含有刀具材料硬度高的硬質(zhì)點(diǎn)或粘附有積屑瘤碎片，會(huì)在刀具表面上刻劃，使刀具磨損。低速切削時(shí)，機(jī)械摩擦磨損是造成刀具磨損的主要原因。熱磨損：熱磨損通常發(fā)生在滑動(dòng)摩擦?xí)r（不論有無(wú)潤(rùn)滑）。當(dāng)滑動(dòng)速度很大時(shí),比壓也很大的時(shí)候，將產(chǎn)生大量摩擦熱使?jié)櫥妥冑|(zhì)，

4、并使表面金屬加熱到軟化溫度，在接觸點(diǎn)發(fā)生局部金屬粘著，出現(xiàn)較大金屬質(zhì)點(diǎn)的撕裂脫離甚至融化，這種形式的磨損稱(chēng)為熱磨損。相變磨損：刀具材料因切削材料表面的馬氏體組織轉(zhuǎn)化為托氏體組織，硬度下降造成磨損。高速鋼刀具在550660時(shí)發(fā)生相變。（2） 接觸疲勞零件接觸表面在接觸壓應(yīng)力的反復(fù)長(zhǎng)期作用后引起的一種表面疲勞剝落損壞現(xiàn)象。其損壞形式是在光滑的接觸表面上分布有若干深淺不同的針狀或豆?fàn)畎伎?，或較大面積的表層壓碎，一般通稱(chēng)接觸疲勞失效。（3）崩刃崩刃也是常見(jiàn)的失效形式，其中包括大的崩刃，小的崩刃，掉牙，掉齒等現(xiàn)象，很多的崩刃產(chǎn)生是由于切削時(shí)切削刃長(zhǎng)期受循環(huán)應(yīng)力所造成的一種疲勞斷裂現(xiàn)象。（4）斷裂切削工具

5、由于受到較大的沖擊力或因工具自身的脆性較大有時(shí)會(huì)產(chǎn)生整體斷裂，破碎現(xiàn)象。比如鉆頭的扭斷，折斷。工具的斷裂，破碎現(xiàn)象的產(chǎn)生與工具本身的韌性不夠有關(guān)，但不是所有的斷裂，破碎現(xiàn)象都是因?yàn)楣ぞ叽嘈暂^大而引起的。(4)被加工工件達(dá)不到要求在切削過(guò)程中，由于工具產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損或工具的切削刃上有明顯的崩刃現(xiàn)象，這時(shí)工具雖然可以繼續(xù)加工，但由于被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度達(dá)不到技術(shù)要求，而使麻花鉆不能使用。2.3 性能要求刃部要求：（1）良好的機(jī)械性能鉆頭應(yīng)具有高硬度、高耐磨性；足夠的強(qiáng)度和韌性，以承受鉆削中的沖擊和震動(dòng)，避免崩刃和折斷；高的紅硬性，即要有高的耐熱性，在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性

6、；（2） 良好的工藝性，如良好的段造型，磨削加工性；（3） 好的經(jīng)濟(jì)性，即價(jià)格要便宜； 柄部要求： 良好的綜合機(jī)械性能。2.3 技術(shù)指標(biāo)刃部（1）硬度HRC63；500600時(shí)仍保持5060HRC高硬度；（2）金相組織：應(yīng)能保證鉆頭具備高硬度、高耐磨性和高紅硬性，以及一定韌性和較高的強(qiáng)度，鉆頭的刃部組織應(yīng)為高碳、高合金度的回火馬氏體基體，其上分布著細(xì)小、均勻、穩(wěn)定的合金碳化物。（3）彎曲度：應(yīng)該小于0.12mm。柄部硬度HRC2035之間3 選材3.1 常用材料比較分析現(xiàn)在市場(chǎng)上使用較多的是通用型高速鋼，以鎢系W18Cr4V和鎢-鉬系W6Mo5Cr4V2為代表。鎢鋼W18Cr4V有良好的綜合性

7、能，在600的高溫強(qiáng)度為48.5HRC，優(yōu)點(diǎn)是淬火時(shí)過(guò)熱傾向小；含釩量較少，磨削加工性好；碳化物含量較高，塑性變形抗力較大。缺點(diǎn)是碳化物分布不均勻，影響薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；強(qiáng)度和韌性顯得不夠，熱塑性差，很難用作熱成型方法制造的刀具。另外，高性能高速鋼理論上均可用于該麻花鉆，其中W6Mo5Cr4V2Al由于Al元素的添加，其韌性大大下降，用于制造麻花鉆的話，其使用壽命與其他高性能高速鋼相比相對(duì)較低，因此不考慮使用。W18Cr4V2Co8性能上能滿足該麻花鉆的要求。W18Cr4V2Co8為加鈷版高性能高速鋼，由于含鎢量較高，價(jià)格很高因此從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，不采用W18Cr4V2Co8。W

8、6Mo5Cr4V2 鋼，它屬鎢鉬系高速鋼。這類(lèi)鋼兼具有鎢系和鉬系高速鋼的優(yōu)點(diǎn)。既有較高的紅硬性和耐磨性。較小的脫碳傾向與過(guò)熱敏感性,。同時(shí)碳化物較細(xì)、分布較均勻。熱塑性及韌性較高。由于它便于機(jī)械加工，通用性強(qiáng),使用壽命高，價(jià)格便宜,因此得到了廣泛的應(yīng)用。W6Mo5Cr4V2高速鋼韌性、耐磨性、熱塑性均優(yōu)W18Cr4V，而硬度、紅硬性、高溫硬度與W18Cr4V相當(dāng)，因此W6Mo5Cr4V2高速鋼除用于制造各種類(lèi)型一般工具外，還可制作大型及熱塑成型刀具。由于W6Mo5Cr4V2鋼強(qiáng)度高、耐磨性好，因而又可制作高負(fù)荷下耐磨損的零件，如冷擠壓模具等，但此時(shí)必須適當(dāng)降低淬火溫度以滿足強(qiáng)度及韌性的要求。柄

9、部主要承受沖擊與扭矩，以及作為被夾持部位會(huì)承受夾具的擠壓，但柄部所處環(huán)境并不嚴(yán)酷，45鋼完全可以勝任，因此柄部使用45鋼。因此，最終選擇W6Mo5Cr4V2作為鉆頭的材料，柄部選擇45鋼。3.3 材料成分表及臨界溫度3.3.1 W6Mo5Cr4V2成分及含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示表1 W6Mo5Cr4V2成分及含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)元素CMnSiCrVWMoSP含量（%）0.800.900.150.400.200.453.804.401.752.205.506.754.505.500.0300.0303.3.2 合金元素的作用碳的作用：一是與V、Cr、W等元素形成足夠多的碳化物，來(lái)提高硬度、耐磨性和紅硬性

10、。另一方面還需一定量的碳溶于奧氏體中。以便獲得足夠含量的馬氏體來(lái)保證它具有高硬度、高耐磨性和良好的熱硬性。碳含量過(guò)高或過(guò)低都未必好，必須和其他合金含量相匹配。若含碳量過(guò)高，則碳化物數(shù)量增加，同時(shí)碳化物的不均勻性也增加，導(dǎo)致鋼的塑性降低，脆性增加，工藝性能變壞；若含碳量低，則無(wú)法保證足夠多的合金碳化物，使高溫奧氏體和馬氏體中的含碳量減少，導(dǎo)致鋼的硬度，耐磨性和熱硬性變差。鎢的作用：獲得熱硬性的主要元素，在鋼中形成M6C是共晶碳化物的主要組成，它還以二次碳化物由奧氏體析出；鉬的作用：Mo 和W可相互取代，故也是獲得熱硬性的元素，并減小碳化物的不均勻性。釩的作用：提高馬氏體回火穩(wěn)定性，阻礙馬氏體分解

11、同時(shí)提高高速鋼的熱硬性。鉻的作用：鉻在鋼中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物，促使其溶于奧氏體，增加奧氏體合金度。淬火加熱時(shí)，鉻幾乎溶于奧氏體，主要起增加鋼的淬透性作用。3.3.3 W6Mo5Cr4V2相變臨界點(diǎn)表2 W6Mo5Cr4V2相變臨界點(diǎn)臨界溫度（）鍛造溫度熱處理Ac1AcmAr1Ms始鍛（）終鍛（）退火（）淬火（）回火（）83588577022510401150900950820870122512355405804 汽車(chē)齒輪熱處理工藝設(shè)計(jì)4.1 工藝路線下料鍛造焊接去應(yīng)力退火正火球化退火切削加工淬火回火硬度及金相檢驗(yàn)精磨 （1）下料鍛造焊接去應(yīng)力退火：選擇45鋼和W

12、6Mo5Cr4V2兩種不同的材料焊接在一起，由于焊接所產(chǎn)生的熱量使接口處存在熱應(yīng)力，故要進(jìn)行一次去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火：為了去除由于塑性形變加工、焊接等造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力面進(jìn)行的退火。目的：消除鑄、鍛、焊、冷沖壓等工件的殘余應(yīng)力，同時(shí)還可以降低硬度，提高尺寸穩(wěn)定性和防止工件變形開(kāi)裂。圖2 去應(yīng)力退火曲線去應(yīng)力退火：加熱溫度<Ac1，一般鋼材550650，合金工具鋼650750，加熱速度100150/h，保溫時(shí)間35min/mm 冷卻速度60100/h，300以下出爐空冷。加熱溫度720760保溫時(shí)間24h冷卻方式500以下出爐空冷。表3 RX3-15-9主要技術(shù)參數(shù)型號(hào)額定功

13、率（KW）額定電壓（V）額定溫度（）相數(shù)爐膛尺寸（L×W×H）（mm）最大裝載（kg）RX3-15-9153809503650×300×25080退火組織：球化珠光體，白色球狀碳化物，基體為珠光體。（2） 柄部熱處理工藝下料鍛造正火切削加工（3）刃部熱處理工藝下料鍛造正火球化退火切削加工淬火回火一般合金鋼在鍛造后空冷所得組織為片狀珠光體與網(wǎng)狀碳化物，這樣的組織硬而脆，難以切削加工且在以后淬火過(guò)程中容易出現(xiàn)變形開(kāi)裂。而球化退火可以得到粒狀珠光體組織，與片狀珠光體相比，不但硬度低便于切削加工，而且淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大。冷卻時(shí)工件變形和開(kāi)裂傾向小?？墒?/p>

14、球化退火只是加熱到略高于Ac1的溫度，其奧氏體化是不完全的。因此，它不可能消除網(wǎng)狀碳化物，所以在球化退火之前進(jìn)行一次正火，將其消除，這樣才能保證球化退火正常進(jìn)行。正火：將鋼件加熱到上臨界點(diǎn)（Ac3或Acm）以上3050保溫到完全奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處理工藝。目的：消除晶粒粗大、帶狀組織、魏氏組織等熱加工缺陷及過(guò)共析鋼網(wǎng)狀碳化物。球化退火：是使鋼中碳化物球化而進(jìn)行的退火工藝。將鋼加熱到Ac1以上2030，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物組織。目的：降低硬度，便于切削加工，并為淬火做好組織準(zhǔn)備。柄部正火： 加熱溫度810 時(shí)間：工件燒透為止 冷卻方式

15、：空冷 設(shè)備：RDM-70-13最高工作溫度為1300 圖3 柄部正火曲線刃部：正火+球化退火正火加熱溫度：915 時(shí)間：工件燒透為止 冷卻方式：空冷 設(shè)備：RDM-70-13表4 RDM-70-13主要技術(shù)參數(shù)型號(hào)額定功率（KW）額定電壓（V）額定溫度（）相數(shù)爐膛尺寸（L×W×H）（mm）最大裝載（kg）RDM-70-1370380130031800×900×550900 圖4 刃部正火曲線球化退火：加熱溫度840860 保溫時(shí)間34h以上，保溫后可采用1020/h的速度冷卻至500以下出爐 設(shè)備：RX3-15-9最高工作溫度950圖5 球化退火 W6

16、Mo5Cr4V2 高速鋼中含有大量M32C6、M6C和MC型合金碳化物，這些碳化物只有加熱至較高的溫度才能相續(xù)溶解，其中M23C6的溶解溫度為9501000，M6C為12151230。隨著淬火加熱溫度的提高，奧氏體中碳及合金元素含量增多，鋼的硬度和紅硬性升高。淬火加熱溫度越高，鋼的硬度和紅硬性越高，鋼的Ms點(diǎn)降低，淬火后殘余奧氏體量增多，當(dāng)殘余奧氏體量增多到一定數(shù)量后，鋼的淬火硬度反而下降。此外，淬火溫度過(guò)高，晶粒細(xì)化、鋼的強(qiáng)度、韌性變壞。所以W6Mo5Cr4V2選擇在12151230淬火。淬火；把鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上，保溫并以大于臨界冷卻速度冷卻，以得到介穩(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體

17、的熱處理工藝。淬火目的：提高工具鋼、滲碳零件和其他高強(qiáng)度耐磨機(jī)器零件的硬度、強(qiáng)度、耐磨性。為防止工件在加熱過(guò)程中因熱應(yīng)力而產(chǎn)生開(kāi)裂或變形所以進(jìn)行兩次預(yù)熱。低溫預(yù)熱：600650 保溫0.81.0min/mm（鹽浴爐）中溫預(yù)熱：800850 保溫0.41.0min/mm（鹽浴爐） 淬火溫度：12151230 淬火方式：分級(jí)淬火 設(shè)備RDM-70-13最高工作溫度為1300，鹽浴介質(zhì)為BaCl2 95%+NaCl 5%,熔點(diǎn)為850，使用溫度為10001350。冷卻介質(zhì)：油冷分級(jí)淬火能有效地減小或防止工件淬火變形和開(kāi)裂。因?yàn)閃6Mo5Cr4V2的Ms為225，所以油冷到300左右。在300左右保溫

18、一定時(shí)間使馬氏體在轉(zhuǎn)變之前工件各部分溫度已趨均勻，并在緩慢冷卻條件下完成馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣就減小淬火熱應(yīng)力，而且顯著降低組織應(yīng)力，因而有效地減小或防止淬火變形或開(kāi)裂。一般鋼件在淬火后都要進(jìn)行回火處理，這是因?yàn)椋捍慊鸾M織馬氏體是碳在Fe中的過(guò)飽和的固溶體，而鋼的平衡態(tài)是鐵素體+滲碳體，所以馬氏體要自行分解成鐵素體和滲碳體，變成其他組織，他的性能將隨之發(fā)生變化。為了獲得滿足性能要求的組織，故要進(jìn)行回火處理，使馬氏體分解為相和彌散的-碳化物組成的復(fù)相組織即回火馬氏體。回火還可以除去殘余奧氏體。柄部調(diào)質(zhì)處理后得到良好的綜合機(jī)械性能組織，即回火索氏體。檢查硬度是確定部件是否符合性能要求?；鼗鹉康模簻p少或消

19、除淬火應(yīng)力，提高韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足不同工件的要求?；鼗饻囟龋?40560 時(shí)間：11.5h 次數(shù)：3 設(shè)備：RDM-70-13最高工作溫度為1300回火溫度的選擇：從室溫至270首先馬氏體中析出相，溫度升至400，相轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C并進(jìn)行聚集，相應(yīng)的淬火高速鋼的硬度有所下降。回火溫度超過(guò)400時(shí)開(kāi)始生成特殊碳化物。400500主要生成Cr23C6，500600開(kāi)始析出W2C、Mo2C、VC。由于開(kāi)始析出的這些碳化物的彌散度很高，這時(shí)鋼的硬度逐漸升高，650左右時(shí)硬度達(dá)到最高值，所以高速鋼采用硬化效果最佳的溫度540560。回火次數(shù)的選擇：由于高速鋼中殘余奧氏體量多，經(jīng)過(guò)一次回火仍有10%左右的殘余奧氏體未轉(zhuǎn)變，所以一般進(jìn)行23回火。第一次回火只對(duì)淬火馬氏體起回火作用，但冷卻過(guò)程中形成的二次馬氏體以及與其形成有關(guān)的內(nèi)應(yīng)力則尚未消除。經(jīng)過(guò)二次回火，可以使二次馬氏體回火以及與其形成有關(guān)的內(nèi)應(yīng)力消除，以及使未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體在二次回火冷卻過(guò)程中繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。第二次回火后又產(chǎn)生新的未回火馬氏體和新的內(nèi)應(yīng)力，因此還要進(jìn)行第三次回火。6min30mi