钢的热处理工艺课程设计

钢的热处理工艺课程设计

一、目的

1、深入理解热处理课程的基本理论。

2、初步学会制定零部件的热处理工艺。

3、了解与本设计有关的新技术、新工艺。

4、设计尽量采用最新技术成就，并注意和具体实践相结合。使设计

具有一定的先进性和实践性。

二、设计任务

1、编写设计说明书。

2、编制工序施工卡片。

3、绘制必要的工装图。

三、设计内容和步骤

（一）零部件简图、钢种和技术要求。

技术要求：

钢种：柄部45#钢刃部W6Mo5Cr4V2高速钢

要求：扁尾硬度为HRC25～45 刃部的3/4硬度为HRC63～65 （二）零部件的工作条件、破坏方式和性能要求分析。

1、高速钢锥柄麻花钻的工作条件：

工具的工作条件比较复杂，各种工具的工作条件又有较大的差异，加工时往往以摩擦为主，常有较大的冲击。机用工具切削速度较高，会产生大量的切削热，有时会发生切削刃软化现象。

作为机床上使用的金属切削工具，其主要工作部分是刀刃或刀尖,刀具在进行切削时，刀尖与工件之间，刀尖与切除的切削之间要产生强烈的

摩擦，刀尖要承受挤压应力，弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力。同时伴随摩擦会产生高温。

金属切削工具首先应具备高的硬度和耐磨性。在一定条件下，工具的硬度越高，其耐磨性也越高。同时切削工具还具备足够的韧性，否则可能因为脆性过大，在外力作用下产生蹦刃，折断，破碎等现象。红硬性也是切削工具的重要性能，特别是高速切削工具，红硬性特别重要。

2、高速钢锥柄麻花钻的失效形式

由于工具种类的不同以及使用条件的差异，起失效形式也有所不同。切削工具失效主要由于磨损、横刃、外缘点磨损、崩刃、剥落、折断或加工的工件打不到技术要求等原因造成的

（1）磨损

磨损时切削工具在正常使用情况下最常见的失效形式。当切削工具发生严重磨损时，工具与被加工工件之间摩擦力增大，表现为切削时发出尖叫声或严重的震动，甚至无法切削。

磨损的产生大都是由于工具的切削刃与被切削工件之间的摩擦所产生的。有时也可能是由于在工具表面形成积痟瘤，形成粘合磨损所造成的。（2）崩刃

崩刃也是常见的失效形式，其中包括大的崩刃，小的崩刃，掉牙，掉齿等现象，很多的崩刃产生是由于切削时切削刃长期受循环应力所造成的一种疲劳断裂现象。

对间断切削的工具或切削时承受较大的载荷的工具如何提高韧性，减少崩刃非常重要。这类工具要求材料组织均匀，不应有严重的碳化物偏析，热处理硬度不宜过高，不能产生淬火，过热及回火不足等增加工具脆性的现象。

（3）断裂，破碎

切削工具由于受到较大的冲击力或因工具自身的脆性较大有时会产生整体断裂，破碎现象。比如钻头的扭断，折断，拉倒的拉断，折断。工具的断裂，破碎现象的产生与工具本身的韧性不是有关，但不是所有的断裂，破碎现象都是因为工具脆性较大而引起的。

(4)被加工工件达不到要求

在切削过程中，由于工具产生了严重的磨损或工具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时工具虽然可以继续加工，但由于被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度达不到技术要求，而使麻花钻不能使用。

3、高速钢锥柄麻花钻性能要求

针对以上的失效形式要求材料具有高的硬度，以适应高速切削的要求；还要有良好的耐磨性，较高的红硬性足够的强度和韧性等。

（三）零部件用钢的分析

1、W6Mo5Cr4V2化学成分的作用

表1 W6Mo5Cr4V2高速钢的化学成分表

（1）合金元素的作用

W6Mo5Cr4V2的主要成分为碳、钨、铬、钒等几种元素，各种元素对高速钢产生的作用不同。硅锰可以提高淬透性，同时在热处理时，可以减少工件的形变量，同时增加钢的回火稳定性。碳的作用有两个方面，一是与V、Cr、W等元素形成足够多的碳化物，来提高硬度、耐磨性和红硬性。另一方面还需一定量的碳溶于奥氏体中。

以便获得足够含量的马氏体来保证它具有高硬度、高耐磨性和良好的热硬性。碳含量过高或过低都未必好，必须和其他合金含量相匹配。若含碳量过高，则碳化物数量增加，同时碳化物的不均匀性也增加，导致钢的塑性降低，脆性增加，工艺性能变坏；若含碳量低，则无法保证足够多的合金碳化物，使高温奥氏体和马氏体中的含碳量减少，导致钢的硬度，耐磨性和热硬性变差。钨主要来提高高速钢的热硬性。对增加钢的淬透性也有一定作用。钼也主要是提高钢的热硬性。钒所形成的碳化物比钨所形成的碳化物更稳定。淬火加热时能显著阻碍奥氏体晶粒的长大，

当温度超过1200℃时，它才开始明显的溶解。钒碳化物的硬度大大超过钨碳化物的硬度。其颗粒细小，分布十分均匀，因此钒碳化物对改善钢的硬度，耐磨性和韧性有很大作用。特别是提高钢的耐磨性最有效。在回火时钒以细小的碳化物弥散析出, 产生二次硬化而提高热硬性铬可增加钢的铬可增加钢的淬透性，并改善耐磨性，提高硬度。

（2）W6Mo5Cr4V2的组织及性能

W6Mo5Cr4V2 钢是一类新发展的高速钢。它属钨钼系高速钢。这类钢兼具有钨系和钼系高速钢的优点。既有较高的红硬性和耐磨性。较小的脱碳倾向与过热敏感性,。同时碳化物较细、分布较均匀。热塑性及韧性较高。由于它便于机械加工。通用性强,。使用寿命高。价格便宜,。因此得到了广泛的应用。

W6Mo5Cr4V2高速钢韧性、耐磨性、热塑性均优W18Cr4V，而硬度、红硬性、高温硬度与W18Cr4V相当，因此W6Mo5Cr4V2高速钢除用于制造各种类型一般工具外，还可制作大型及热塑成型刀具。由于

W6Mo5Cr4V2钢强度高、耐磨性好，因而又可制作高负荷下耐磨损的零件，如冷挤压模具等，但此时必须适当降低淬火温度以满足强度及韧性的要求。

W6Mo5Cr4V2高速钢易于氧化脱碳，在热加工及热处理时应加以注意。

2、W6Mo5Cr4V2的热处理工艺性能分析：

W6Mo5Cr4V2的临界温度

W6Mo5Cr4V2淬火后：

①淬透性淬透性随淬火温度的提高淬透性增加。因为温度升高奥氏体晶粒尺寸增大淬透性提高。淬硬性随淬火温度的升高而增大，但是如果温度过高奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。

②淬硬性淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。它主要与钢的含碳量有

关，更确切的是说是它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。

③变形倾向淬火后变形分两种：翘曲变形和体积变形。翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或搓火前后没有定型处理或冷却不均匀所造成。另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形。淬火之前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织。由于两种组织的比容不同，淬火前后将引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩但不改变形状。应力也会引起形状变形。

3、钢材的组织性能（硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种

热处理工艺的关系

W

6Mo

5

Cr

4

V

2

在820～870℃预备热处理后所获得的组织主要是粒状珠光

体。铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织就是粒状珠光体，成分一定时，渗碳体颗粒越细晶界面越多，则钢的硬度和强度越高。碳化物越接近等轴状，分布越均匀，则韧性越好，在成分相同的条件下比片状珠光体的硬度稍低，但塑性好。

在1210～1230℃淬火后，所获得的组织主要是马氏体。碳在α－Fe 中的过饱和的固溶体就是马氏体。马氏体具有高硬度、高强度和耐磨性，但是片状马氏体韧性很差，硬而脆。板条马氏体的韧性比片状马氏体的好得多，即在具有较高强度，硬度的同时，还具有相当高的塑性韧性。

淬火组织在540～560℃三次回火后，主要获得回火马氏体组织。马氏体分解后形成α相和弥散的ε-碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。与淬火马氏体相比，回火马氏体除了具有高硬度、强度和耐磨性外塑性韧性低，克服了淬火马氏体脆而硬的特点。

（二）热处理工艺方案及工艺参数的论述。

1、零部件的加工工艺路线及其简单论证。

下料→锻造→焊接→去应力→刃部正火→球化退火→切削加工→淬火→校直→清洗→回火→清洗→柄部正火→检查硬度→喷砂→防锈→外观检查→成品。

1）下料→焊接→去应力退火：选择45#钢和W

6Mo

5

Cr

4

V

2

两种不同的材料

焊接在一起，由于焊接所产生的热量使接口处存在热应力，故要进行一次去应力退火。

图4-1 去应力退火曲线

去应力退火：加热温度

2）柄部热处理工艺

方案1 下料→锻造→正火→切削加工

方案2 下料→锻造→调质处理→切削加工

方案1和方案2得到的组织分别为索氏体和回火索氏体它们都能满足技术要求，在两种方中，方案1的成本相对低一些，所以选择方案1作为最终方案。

3）刃部热处理工艺

方案1 下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火→回火

方案2 下料→锻造→正火→球化退火→切削加工→淬火→回火一般合金钢在锻造后空冷所得组织为片状珠光体与网状碳化物，这样是组织硬而脆，难以切削加工且在以后淬火过程中容易出现变形开裂。而球化退火可以得到珠光体组织与片状珠光体相比，不但硬度低便于切削加工，而且淬火加热时奥氏体晶粒不易长大。冷却时工件变形和开裂倾向小。

可是球化退火只是加热到略高于Ac

1

的温度，其奥氏体化是不完全的。因此，它不可能消除网状碳化物，所以在球化退火之前进行一次正火，将其消除，这样才能保证球化退火正常进行。（参考《热处理工技师培训教材》55页）由此可见方案2较优。

2、确定预备热处理工艺方案、工艺参数及其论证。

柄部：正火加热温度810℃（Ac

3以上30～50℃，Ac

3

为780℃，

参考实用热处理手册）；冷却方式空冷；获得组织索氏体

图4-2 柄部正火曲线

W 6Mo 5Cr 4V 2刃部：正火+球化退火

正火： 加热温度为915℃（Accm 以上30～50℃，Accm 为885℃，参

考实用热处理手册）；冷却方式空冷 获得组织为索氏体

图4-3 刃部正火曲线

球化退火： 加热温度为880℃（Ac 1以上30～50℃，Ac 1为835℃，参

考实用热处理手册） ；保温时间2h ；冷却方式炉冷至760℃保温3h 再炉

冷至600℃出炉空冷。获得组织为粒状珠光体。

图4-4 刃部等温球化退火曲线3、确定最终热处理工艺方案、工艺参数及其论证

刃部W

6Mo

5

Cr

4

V

2

的最终热处理为：淬火+回火

淬火第一次预热温度为600℃，时间（16～30s/mm）；第二次预热温度为800℃时间（8～15s/mm）；最终温度1210℃时间（8～15s/mm）；淬火方式为分级淬火介质为300℃左右。为防止工件在加热过程中因热应力而产生开裂或变形所以进行两次预热。（参考《钢铁热处理500问》）。

分级淬火能有效地减小或防止工件淬火变形和开裂。因为

W

6Mo

5

Cr

4

V

2

的Ms为225℃，所以油冷到300℃左右。在300℃左右保温

一定时间使马氏体在转变之前工件各部分温度已趋均匀，并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，这样就减小淬火热应力，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或防止淬火变形或开裂。

回火：加热温度540～560℃；时间为1h；回火次数为3次（参考《钢铁热处理500问》）最终获得组织为回火马氏体和少量碳化物

（Cr、Fe、Mo、W、V）23C6，Fe

2W

4

C～Fe4W

2

C等。

图4-5

淬火回火曲线

图4-6分级淬火曲线

1）淬火温度的选择：

W 6Mo 5Cr 4V 2 高速钢中含有大量M 32C 6、M 6C 和MC 型合金碳化物，这些碳

化物只有加热至较高的温度才能相续溶解，其中M 23C6的溶解温度为950～

1000℃，M 6C 为1050～1230℃，MC 在1200℃。随着淬火加热温度的提高，

奥氏体中碳及合金元素含量增多，钢的硬度和红硬性升高。淬火加热温度

越高，钢的硬度和红硬性越高，钢的Ms 点降低，淬火后残余奥氏体量增多，

当残余奥氏体量增多到一定数量后，钢的淬火硬度反而下降。此外，淬火

温度过高，晶粒细化、钢的强度、韧性变坏。所以W 6Mo 5Cr 4V 2选择在1210～

1230℃淬火。

2）回火温度及次数的选择

回火温度的选择：从室温至270℃首先马氏体中析出ε相，温度升至

400℃，ε相转变为Fe 3C 并进行聚集，相应的淬火高速钢的硬度有所下降。

回火温度超过400℃时开始生成特殊碳化物。400～500℃主要生成Cr 23C 6，

500～600℃开始析出W 2C 、Mo 2C 、VC 。由于开始析出的这些碳化物的弥散度

很高，这时钢的硬度逐渐升高，650℃左右时硬度达到最高值，所以高速钢

采用硬化效果最佳的温度540～560℃。

回火次数的选择：由于高速钢中残余奥氏体量多，经过一次回火仍有10%

左右的残余奥氏体未转变，所以一般进行2～3回火。第一次回火只对淬火

马氏体起回火作用，但冷却过程中形成的二次马氏体以及与其形成有关的

内应力则尚未消除。经过二次回火，可以使二次马氏体回火以及与其形成

有关的内应力消除，以及使未转变的残余奥氏体在二次回火冷却过程中继

续转变为马氏体。第二次回火后又产生新的未回火马氏体和新的内应力，

因此还要进行第三次回火。

4、确定辅助工序方案

烘干、热水清洗槽清洗→检测刃部硬度及脱碳情况→校直→防锈处理1）刃部淬火后热水清洗槽清洗，检测硬度及脱碳情况，尾部处理后也要检测硬度，最终校直；

常用的清洗剂为碱（Na

2CO

3

）溶液其浓度一般1.5~3.0%。在碱液中可适当

加入添加剂，其成分为：碱（Na

2CO

3

）1.5~3.0%，亚硝酸钠（NaNO

2

）0.8~1.2%,

乳液13~16%，清洗液温度80~90℃

2）清洗后和淬火、回火前要烘干，以防止水分带入炉中。

（五）、选择加热设备。

1）整体去应力退火：RJ-65-9最高工作温度950℃

2 ) 柄部正火：

MD-75-8 最高工作温度850℃，炉堂尺寸宽、长、深分别为350mm、450mm、665mm。盐浴介质为NaCl 100%，熔点为803℃，使用温度：850～1100℃。

3 ) 刃部正火：

RDM-70-13 最高工作温度为1300℃，炉堂尺寸宽、长、深分别为350mm、

95%+NaCl 5%,熔点为850℃，使用温度为300mm、700mm. 盐浴介质为BaC

l2

1000～1350℃。

4 ) 刃部球化退火：同上③ RDM-70-13

5）刃部淬火：同上③ RDM-70-13

6）刃部回火：

DM-100-6最高工作温度为650℃炉堂尺寸宽、长、深分别为400mm、800mm、665mm。盐浴介质为NaCl 28%+CaCl2 72%，熔点为500℃使用温度为540～870℃（六）、确定工序质量检测项目、标准方法

硬度采用洛氏硬度机对刃部和尾部硬度进行硬度检测。

金相检测最终零件的组织、晶粒度。

（七）、缺陷及分析

（八）、绘制必要的工装图

图4-7刃部加热

图4-8柄部加热

参考资料

1、中国机械工程学会热处理学会.《热处理手册(第四版)》北京：机械工

业出版社，2008.1

2、叶卫平、张覃轶.《热处理实用数据速查手册》.北京：机械工业出版

社,2005.5

3、王忠诚.《热处理常见缺陷分析与对策》北京：化学工业出版社，2007.8

4、薄鑫涛，郭海祥，袁凤松.《实用热处理手册》上海：上海科学技术出

版社，2009.1

5、王忠诚，李杨，尚子民.《钢铁热处理500问》. 北京：化学工业出版

社,2009,3.

6、阎承沛.《典型零件热处理缺陷分析及对策480例》. 北京：机械工业

出版社,2005,7.