工具鋼的熱處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

工具鋼的熱處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)濟(jì)南金鐘電子衡器股份有限公司侯曉冬摘要：首先介紹工具鋼的種類及其工作條件和性能要求。通過對工具材料的機(jī)械性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性分析，著眼于耐磨性與韌度等性能指標(biāo)，對工具鋼的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后綜合闡述典型工具鋼的性能特點(diǎn)、熱處理工藝及應(yīng)用場合，得出耐磨性與韌度的合理配合是工具鋼性能發(fā)揮的關(guān)鍵。最后對工具鋼合金化及熱處理質(zhì)量控制問題進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：工具鋼；熱處理工藝；優(yōu)化設(shè)計(jì)引言隨著我國裝備制造業(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)牟牧蟻碇圃?，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)有的市場競爭力。所以，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的各類工程技術(shù)人員，需對材料要有技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量性的價值觀念。1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，用來制造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱為合金工具鋼。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。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。工作條件和性能要求低合金刃具鋼對于某些低速而且走刀量較小的機(jī)用工具，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來制作。碳素工具鋼價格低廉，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(3%?5%)Me的合金元素就形成了低合金刃具鋼。高速工具鋼隨著切削加工速度的不斷提高，以及被加工的材料強(qiáng)度增大，切削時產(chǎn)生大量的熱，使刀刃受熱溫度升高，而且刀具還要承受較大的切削載荷，這就要求刀具材料應(yīng)該具有更高的熱硬性和強(qiáng)度。高速工具鋼經(jīng)過科學(xué)的熱處理后具有較高的熱硬性和耐磨性，同時還具有較好的淬透性。高速鋼碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為(0.70%?1.50%)C,回火穩(wěn)定性也較好。常用于制造各種切削刀具，也用于制作一些重載冷作模具和結(jié)構(gòu)件等。模具鋼模具鋼分為冷作和熱作模具鋼兩種。冷作模具鋼要求具有高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度及韌性，形狀復(fù)雜和淬火后不再進(jìn)行加工的工具，要求淬火變形小。熱作模具的種類很多，一類是熱變形模具，另一類是壓鑄模具，故對其制作材料性能要求較高。熱作模具鋼應(yīng)該具備良好的高溫力學(xué)性能，即高的強(qiáng)度、韌性和足夠耐磨性；良好的耐熱疲勞性和導(dǎo)熱性，即避免高溫下模型型腔表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋等現(xiàn)象；還應(yīng)具有良好的淬透性，即使得模具整個截面性能均勻。量具鋼用于制造卡尺、千分尺、樣板、塞規(guī)、塊規(guī)、螺旋測微儀等各種測量工具的鋼被稱為量具鋼。量具在使用過程中始終與被測零件緊密接觸并作相對移動，主要承受磨損破壞。因此要求其具有較高的硬度和耐磨性，以保證測量精度，還要有耐輕微沖擊、碰撞的能力，熱處理變形要小，在存放和作用過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：下料一球化退火一機(jī)加工+淬火+低溫回火+磨平面一拋槽一開口。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（19?24）HBW之間，適宜切削加工。淬火+低溫回火工藝，先在600?650℃預(yù)熱，目的是縮短隨后的淬火保溫時間，減輕氧化脫碳的可能性。在850?870℃加熱保溫后，迅速轉(zhuǎn)移到160?200℃的硝鹽槽中進(jìn)行分級淬火，降低淬火時的變形。然后在190?200℃低溫回火，降低殘余應(yīng)力，保留較高的硬度值（60?63）HRC。高速鋼的熱處理工藝高速鋼的鑄造組織很復(fù)雜，屬于萊氏體鋼。共晶碳化物呈現(xiàn)粗大的魚骨狀，只有通過鍛造將其擊碎，使其均勻分布。高速鋼鍛造后的硬度一般還很高，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。高速鋼最終熱處理為高溫(1200?1285℃)淬火，再加上三次高溫550?570℃)回火。在淬火前一般要經(jīng)過預(yù)熱處理，而且淬火介質(zhì)多用油，也可用鹽浴進(jìn)行馬氏體分級淬火，以減小變形。淬火目的是讓難溶合金碳化物很好地溶解到奧氏體中，淬火后的組織為馬氏體+為溶合金碳化物+殘余奧氏體等。三次回火目的是更好地達(dá)到減少殘留奧氏體含量，同時多次回火可以消除馬氏體轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在三次回火后，高速鋼會產(chǎn)生“二次硬化”現(xiàn)象，有助于提升鋼的硬度。如果淬火后預(yù)先進(jìn)行冷處理，那么采用一次回火也可達(dá)到熱處理的工藝效果。另外，高速工具鋼在淬火加回火后，根據(jù)需要還可以進(jìn)行氮化、硫氮共滲、氣相沉積等工藝，來提高其使用壽命。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。冷作模具鋼熱處理工藝鍛造后進(jìn)行球化退火，加工成工模具后進(jìn)行淬火，淬火冷卻介質(zhì)一般用油或鹽浴進(jìn)行馬氏體分級淬火或貝氏體等溫淬火，淬火后再進(jìn)行低溫回火。常用的Crl2型鋼的淬火十回火工藝，淬火溫度一般為1000℃，低溫回火后鋼的耐磨性和韌性較高。淬火后其顯微組織除馬氏體外，還有較多碳化物存在，其硬度與耐磨性比碳素工具鋼和低合金鋼要高。熱作模具鋼熱處理工藝一般常采用淬火加中溫回火，以獲得均勻的回火索氏體或回火托氏體。如常見的熱作模具鋼5CrNiMo淬透性好，能在500℃保持高的強(qiáng)度和韌性，適合于制造大型鍛模。有些熱擠壓模、壓鑄模等，還采用氮化、碳氮共滲等化學(xué)熱處理來提高其耐磨性和使用壽命。有時也采用調(diào)質(zhì)處理來提高硬度，熱鍛模具工作部分硬度一般為33?47HRC,壓鑄模具通常為40?48HRC硬度水平。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鋼制造的測量標(biāo)定線性尺寸的塊規(guī)為例，說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（62?65）HRC,淬火不直度小于0.05mm,長期使用時尺寸應(yīng)保持高穩(wěn)定性。生產(chǎn)工藝路線：鍛造一球化退火一機(jī)加工一淬火一冷處理一回火一粗磨一低溫人工時效一精磨一低溫去應(yīng)力回火+研磨。CrWMn鋼的預(yù)先熱處理采用球化退火，消除鍛造應(yīng)力，得到粒狀珠光體和合金滲碳體組織，提高了切削加工性，為最終熱處理作組織上準(zhǔn)備。其工藝為780?800℃加熱，在Ar1以下690?710℃長時間等溫，硬度為（217?255）HBW。機(jī)械加工后的熱處理工藝與用作低合金刃具CrWMn鋼的熱處理區(qū)別是，用于量具鋼的熱處理增加了冷處理和時效處理，冷處理能極大程度地減少殘余奧氏體的量，避免殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起尺寸的脹大。時效處理則可以松弛殘余應(yīng)力和防止因馬氏體分解而引起的尺寸收縮效應(yīng)，保證塊規(guī)高的硬度和尺寸穩(wěn)定性。冷處理后的低溫回火是消除淬火、冷處理的應(yīng)力和把過高的硬度降到規(guī)定值。時效后低溫回火目的是在保證高硬度、高耐磨性的基礎(chǔ)上，消除磨削應(yīng)力，進(jìn)一步穩(wěn)定尺寸。3典型工具鋼的熱處理工藝為了更好地了解合金工具鋼的使用性能，發(fā)揮其潛在的熱處理工藝性能，掌握常見工具鋼的性能特點(diǎn)、熱處理工藝及應(yīng)用大有必要，做到觸類旁通。4結(jié)論機(jī)械制造中所使用的各種工具，主要用于切削、鍛造、擠壓、沖裁、剪切等加工材料。工具材料的性能要比被加工材料有更高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性及良好的韌度。耐磨性與韌度的合理配合是工具鋼性能發(fā)揮的關(guān)鍵，工具鋼的合金化和熱處理工藝都是圍繞這一主線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。工具鋼合金化目的是改變碳化物類型、提高淬透性、提高回火穩(wěn)定性等，熱處理工藝設(shè)計(jì)盡可能地降低淬火應(yīng)力、減小變形開裂傾向和穩(wěn)定組織。尺寸大的工件則整個熱處理過程著重點(diǎn)就是降低變形開裂而采取一系列措施。在工藝措施上，對于一般工件經(jīng)常采用預(yù)熱、預(yù)冷，淬火常用等溫、分級、雙液淬火等方法，并且需要及時回火。對于工具鋼的合金化和熱處理工藝設(shè)計(jì)，要著眼于耐磨性與韌性的性能指標(biāo)來優(yōu)化。參考文獻(xiàn)：[1]王英杰，金升.金屬材料及熱處理[