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論文導(dǎo)讀:：合金工具鋼的種類和性能要求。經(jīng)適當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?shù)牟牧蟻碇圃欤瑥亩�保證制成的產(chǎn)品具有最佳形貌和性能；如果選材不當，將會使所設(shè)計制造出產(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，導(dǎo)致成本太高，失去其應(yīng)有的市場競爭力。所以，從事機械設(shè)計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)濟性和質(zhì)量性的價值觀念。
　　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。
　　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
　　 對于某些低速而且走刀量較小的機用工具機械論文，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來制作。碳素工具鋼價格低廉，加工性能好，經(jīng)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(chǔ)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
　　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10％Me。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600℃時，硬度仍不會明顯降低。高速鋼的碳平均質(zhì)量分數(shù)較高，一般為(0.70％～1．50％)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，阻礙奧氏體晶粒長大，提高回火穩(wěn)定性。另一方面是在加熱時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，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金屬進行變形加工的模具，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經(jīng)常接觸熾熱的金屬，型腔表面溫度高達400～600℃。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，與型腔作相對運動時，會產(chǎn)生強烈的磨損。工作過程中還要反復(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)下對金屬進行變形加工的模具，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，熱處理變形要小機械論文，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(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。
　　2.2 高速鋼的熱處理工藝
　　高速鋼的碳及合金元素質(zhì)量分數(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，會使強度下降，脆性增加，并且不能通過熱處理來改變碳化物分布，只有通過鍛造將其去碎，使其均勻分布，鍛后必須緩冷。高速鋼因其化學成分的特點，其熱處理具有淬火加熱溫度高、回火次數(shù)多等特點。以W18Cr4V鋼制造盤形齒輪銑刀為例，說明其熱處理工藝選用和生產(chǎn)工藝路線的制定。
　　(1) 球化退火。高速鋼鍛造后的硬度很高，只有經(jīng)過退火降低硬度才能進行切削加工。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。為避免加熱過程產(chǎn)生變形開裂，一般在800～840℃預(yù)熱機械論文，截面尺寸較大的零件可在500～650℃多進行一次預(yù)熱。
　　高速鋼淬火溫度都比較高，一般在1270℃加熱，但也不可過高，否則奧氏體晶粒長大，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。對于形狀復(fù)雜、要求小變形的刀具，先將其淬人580～620℃的中性鹽浴中分級均溫，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30％。在回火冷卻時，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℃回火三次是因為一次回火不能完全消除殘余奧氏體，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5％～7％，第三次回火后殘余奧氏體減少為1％～2％。而且，后一次回火可消除前一次回火時馬氏體轉(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
　　冷作模具鋼熱處理的目的是最大限度地滿足其性能要求，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(58～60)HRC之內(nèi)，要求具有較高的耐磨性、強度和韌性，較小的淬火變形。為此，設(shè)計其生產(chǎn)工藝路線：鍛造一退火一機加工+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，可以通過鍛造使其破碎，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，可進行機械加工。
　　Crl2MoV鋼的淬火十回火工藝，淬火溫度較低機械論文，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(58～60)HRC。如果要求模具具有較高的紅硬性，能夠在400～450℃條件下工作，則要進行“二次硬化法”處理，將淬火加熱溫度提高到1100～1150℃，此時由于鋼中出現(xiàn)了大量的殘余奧氏體，硬度僅為(42～50)HRC，但是隨后在510～520'C高溫下三次回火，析出了細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(60～62)HRC，紅硬性也較好，但是淬火加熱溫度較高，組織粗化會導(dǎo)致強度和韌性下降。
　　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(351～387)HBW，抗拉強度大于1200～1400MPa，沖擊值大于32～56J，同時還要滿足對熱作模具淬透性、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)。由于鋼在軋制時會出現(xiàn)纖維組織，導(dǎo)致各向異性，所以要予以鍛造消除。鍛后要緩冷，防止應(yīng)力過大產(chǎn)生裂紋，采用780～800℃保溫4～5h退火，消除鍛造應(yīng)力，為最終熱處理作組織上的準備。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750～780℃預(yù)冷，然后再淬人油中，油冷至150～200C(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�除了應(yīng)力機械論文，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(yīng)保持高穩(wěn)定性核心期刊。生產(chǎn)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(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(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、熱處理工藝及應(yīng)用大有必要，做到觸類旁通。典型工具鋼應(yīng)用情況如下表。
　　表 典型工具鋼的特點、熱處理工藝及應(yīng)用場合
　　

4 結(jié)論
　　機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行優(yōu)化設(shè)計的。
　　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，要著眼于耐磨性與韌性的性能指標來優(yōu)化。

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