對工具鋼的熱處理工藝優(yōu)化設計分析

林再治　趙立新

【摘 要】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，熱處理工藝設計盡可能地降低淬火應力、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，對于一般工件經常采用預熱、預冷，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計，要著眼于耐磨性與韌性的性能指標來優(yōu)化。

【關鍵詞】工具鋼；熱處理工藝；優(yōu)化設計

1.工具鋼的種類和性能要求

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

對于某些低速而且走刀量較小的機用工具，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，經適當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，在其基礎上加（3%～5%）Me的合金元素就形成了低合金刃具鋼。

1.2.2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度增大，切削時產生大量的熱，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該具有更高的熱硬性和強度。高速工具鋼經過科學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。高速鋼碳平均質量分數一般為（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構件等。

1.2.3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，足夠的強度及韌性，形狀復雜和淬火后不再進行加工的工具，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。熱作模具鋼應該具備良好的高溫力學性能，即高的強度、韌性和足夠耐磨性；良好的耐熱疲勞性和導熱性，即避免高溫下模型型腔表面產生網狀裂紋等現象；還應具有良好的淬透性，即使得模具整個截面性能均勻。

1.2.4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.熱處理工藝設計分析

2.1低合金刃具鋼熱處理工藝

低合金刃具鋼的預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（19～24）HBW之間，適宜切削加工。淬火+低溫回火工藝，先在600～650℃預熱，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，迅速轉移到160～200℃的硝鹽槽中進行分級淬火，降低淬火時的變形。然后在190～200℃低溫回火，降低殘余應力，保留較高的硬度值（60～63）HRC。

2.2高速鋼的熱處理工藝

高速鋼的鑄造組織很復雜，屬于萊氏體鋼。共晶碳化物呈現粗大的魚骨狀，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，消除鍛造應力，為淬火作組織上的準備。

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。在淬火前一般要經過預熱處理，而且淬火介質多用油，也可用鹽浴進行馬氏體分級淬火，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到減少殘留奧氏體含量，同時多次回火可以消除馬氏體轉變所產生的內應力。在三次回火后，高速鋼會產生“二次硬化”現象，有助于提升鋼的硬度。如果淬火后預先進行冷處理，那么采用一次回火也可達到熱處理的工藝效果。另外，高速工具鋼在淬火加回火后，根據需要還可以進行氮化、硫氮共滲、氣相沉積等工藝，來提高其使用壽命。

2.3模具鋼的熱處理工藝

用作冷沖壓模、熱鍛壓模、擠壓模、壓鑄模等模具的鋼稱為模具鋼。根據性質和使用條件的不同，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

鍛造后進行球化退火，加工成工模具后進行淬火，淬火冷卻介質一般用油或鹽浴進行馬氏體分級淬火或貝氏體等溫淬火，淬火后再進行低溫回火。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。

2.3.2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、碳氮共滲等化學熱處理來提高其耐磨性和使用壽命。有時也采用調質處理來提高硬度，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。

2.4量具鋼的熱處理工藝

量具鋼應盡量采用在緩冷介質中淬火，并進行深冷處理以減少殘余奧氏體量。低溫回火消除應力，保證高硬度和高耐磨性。以CrWMn鋼制造的測量標定線性尺寸的塊規(guī)為例，說明其熱處理工藝方法的選定和生產工藝路線的安排。塊規(guī)是機械制造行業(yè)常用的標準量塊，硬度值要求達到（62～65）HRC，淬火不直度小于0.05mm，長期使用時尺寸應保持高穩(wěn)定性。生產工藝路線：鍛造一球化退火一機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力回火+研磨。CrWMn鋼的預先熱處理采用球化退火，消除鍛造應力，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力和防止因馬（下轉第127頁）（上接第110頁）氏體分解而引起的尺寸收縮效應，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、高耐磨性的基礎上，消除磨削應力，進一步穩(wěn)定尺寸。 [科]

【參考文獻】

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