工具钢的热处理工艺优化设计

工具钢的热处理工艺优化设计

济南金钟电子衡器股份有限公司

侯晓冬

摘要：首先介绍工具钢的种类及其工作条件和性能要求。通过对工具材料的机械性能、工艺性能和经济性分析，着眼于耐磨性与韧度等性能指标，对工具钢的热处理工艺进行了优化设计。然后综合阐述典型工具钢的性能特点、热处理工艺及应用场合，得出耐磨性与韧度的合理配合是工具钢性能发挥的关键。最后对工具钢合金化及热处理质量控制问题进行了介绍。

关键词：工具钢；热处理工艺；优化设计

引言

随着我国装备制造业的快速发展，工程材料的合理应用越发显得重要。选用恰当的材料来制造，从而保证制成的产品具有最佳形貌和性能；如果选材不当，将会使所设计制造出产品，不能发挥出最佳性能，并可能导致其使用寿命大大降低；或因选材不当，导致成本太高，失去其应有的市场竞争力。所以，从事机械设计与制造的各类工程技术人员，需对材料要有技术性、经济性和质量性的价值观念。

1工具钢的种类和性能要求

在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。

1.1 工具钢的种类在工程上工具钢的分类有两种形式，一种是按成分可分为：碳素工具钢和合金工具钢；一种是按用途可分为：刃具钢、模具钢和量具

钢。此外，还可按所用淬火冷却介质分为：水淬钢、油淬钢和空硬钢三类。工具钢分类方法很多，其中按用途分类是常用的。

1.2 工作条件和性能要求

1.2.1 低合金刃具钢对于某些低速而且走刀量较小的机用工具，以及要求不太高的刃具，如丝锥、板牙等刃具可用碳素工具钢T7、T8、T10、T12来制作。碳素工具钢价格低廉，加工性能好，经适当热处理后可获得较高的硬度和良好的耐磨性。但是其淬透性差，回火稳定性和红硬性不高，不能用作对性能有较高要求的刀具。为了克服碳素工具钢的不足之处，在其基础上加（3％～5％）Me的合金元素就形成了低合金刃具钢。

1.2.2 高速工具钢随着切削加工速度的不断提高，以及被加工的材料强度增大，切削时产生大量的热，使刀刃受热温度升高，而且刀具还要承受较大的切削载荷，这就要求刀具材料应该具有更高的热硬性和强度。高速工具钢经过科学的热处理后具有较高的热硬性和耐磨性，同时还具有较好的淬透性。高速钢碳平均质量分数一般为（0.70％～1．50％）C，回火稳定性也较好。常用于制造各种切削刀具，也用于制作一些重载冷作模具和结构件等。

1.2.3 模具钢模具钢分为冷作和热作模具钢两种。冷作模具钢要求具有高的硬度和耐磨性，足够的强度及韧性，形状复杂和淬火后不再进行加工的工具，要求淬火变形小。热作模具的种类很多，一类是热变形模具，另一类是压铸模具，故对其制作材料性能要求较高。热作模具钢应该具备良好的高温力学性能，即高的强度、韧性和足够耐磨性；良好的耐热疲劳性和导热性，即避免高温下模型型腔表面产生网状裂纹等现象；还应具有良好的淬透性，即使得模具整个截面性能均匀。

1.2.4 量具钢用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪等各种测量工具的钢被称为量具钢。量具在使用过程中始终与被测零件紧密接触并作相对移动，主要承受磨损破坏。因此要求其具有较高的硬度和耐磨性，以保证测量精度，还要有耐轻微冲击、碰撞的能力，热处理变形要小，在存放和作用过程中要有极高的尺寸稳定性。

2热处理工艺设计分析

2.1 低合金刃具钢热处理工艺低合金刃具钢的预先热处理是球化退火，目的是改善锻造组织和切削加性能，最终热处理是淬火+低温回火。组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，具有较高的硬度和耐磨性。以9SiCr钢制造的圆板牙是切削加工外螺纹的刀具，要求钢中碳化物均匀分布，热处理后硬度和耐磨性较高，而且齿形变形小。其制造工艺路线：下料—球化退火一机加工+淬火+低温回火+磨平面一抛槽—开口。9SiCr圆板牙的球化退火采用等温处理工艺，组织为粒状珠光体，硬度在（19～24）HBW之间，适宜切削加工。淬火+低温回火工艺，先在600～650℃预热，目的是缩短随后的淬火保温时间，减轻氧化脱碳的可能性。在850～870℃加热保温后，迅速转移到160～200℃的硝盐槽中进行分级淬火，降低淬火时的变形。然后在190～200℃低温回火，降低残余应力，保留较高的硬度值（60～63）HRC。

2.2 高速钢的热处理工艺高速钢的铸造组织很复杂，属于莱氏体钢。共晶碳化物呈现粗大的鱼骨状，只有通过锻造将其击碎，使其均匀分布。高速钢锻造后的硬度一般还很高，一般采用球化退火降低硬度，消除锻造应力，为淬火作组织上的准备。

高速钢最终热处理为高温（1200～1285℃）淬火，再加上三次高温（550～570℃）回火。在淬火前一般要经过预热处理，而且淬火介质多用油，也可用盐浴进行马氏体分级淬火，以减小变形。淬火目的是让难溶合金碳化物很好地溶解到奥氏体中，淬火后的组织为马氏体+为溶合金碳化物+残余奥氏体等。三次回火目的是更好地达到减少残留奥氏体含量，同时多次回火可以消除马氏体转变所产生的内应力。在三次回火后，高速钢会产生“二次硬化”现象，有助于提升钢的硬度。如果淬火后预先进行冷处理，那么采用一次回火也可达到热处理的工艺效果。另外，高速工具钢在淬火加回火后，根据需要还可以进行氮化、硫氮共渗、气相沉积等工艺，来提高其使用寿命。

2.3 模具钢的热处理工艺用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。根据性质和使用条件的不同，可分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。

2.3.1 冷作模具钢热处理工艺锻造后进行球化退火，加工成工模具后进行淬火，淬火冷却介质一般用油或盐浴进行马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火，淬火后再进行低温回火。常用的Crl2型钢的淬火十回火工艺，淬火温度一般为1000℃，低温回火后钢的耐磨性和韧性较高。淬火后其显微组织除马氏体外，还有较多碳化物存在，其硬度与耐磨性比碳素工具钢和低合金钢要高。

2.3.2 热作模具钢热处理工艺一般常采用淬火加中温回火，以获得均匀的回火索氏体或回火托氏体。如常见的热作模具钢5CrNiMo淬透性好，能在500℃保持高的强度和韧性，适合于制造大型锻模。有些热挤压模、压铸模等，还采用氮化、碳氮共渗等化学热处理来提高其耐磨性和使用寿命。有时也采用调质

处理来提高硬度，热锻模具工作部分硬度一般为33～47HRC，压铸模具通常为40～48HRC硬度水平。

2.4 量具钢的热处理工艺量具钢应尽量采用在缓冷介质中淬火，并进行深冷处理以减少残余奥氏体量。低温回火消除应力，保证高硬度和高耐磨性。以CrWMn钢制造的测量标定线性尺寸的块规为例，说明其热处理工艺方法的选定和生产工艺路线的安排。块规是机械制造行业常用的标准量块，硬度值要求达到（62～65）HRC，淬火不直度小于0.05mm，长期使用时尺寸应保持高稳定性。生产工艺路线：锻造一球化退火一机加工一淬火一冷处理一回火一粗磨一低温人工时效一精磨一低温去应力回火+研磨。CrWMn钢的预先热处理采用球化退火，消除锻造应力，得到粒状珠光体和合金渗碳体组织，提高了切削加工性，为最终热处理作组织上准备。其工艺为780～800℃加热，在Ar1以下690～710℃长时间等温，硬度为（217～255）HBW。

机械加工后的热处理工艺与用作低合金刃具CrWMn钢的热处理区别是，用于量具钢的热处理增加了冷处理和时效处理，冷处理能极大程度地减少残余奥氏体的量，避免残余奥氏体转变为马氏体引起尺寸的胀大。时效处理则可以松弛残余应力和防止因马氏体分解而引起的尺寸收缩效应，保证块规高的硬度和尺寸稳定性。冷处理后的低温回火是消除淬火、冷处理的应力和把过高的硬度降到规定值。时效后低温回火目的是在保证高硬度、高耐磨性的基础上，消除磨削应力，进一步稳定尺寸。

3典型工具钢的热处理工艺

为了更好地了解合金工具钢的使用性能，发挥其潜在的热处理工艺性能，掌握常见工具钢的性能特点、热处理工艺及应用大有必要，做到触类旁通。

4结论

机械制造中所使用的各种工具，主要用于切削、锻造、挤压、冲裁、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、强度、耐磨性及良好的韧度。耐磨性与韧度的合理配合是工具钢性能发挥的关键，工具钢的合金化和热处理工艺都是围绕这一主线进行优化设计的。

工具钢合金化目的是改变碳化物类型、提高淬透性、提高回火稳定性等，热处理工艺设计尽可能地降低淬火应力、减小变形开裂倾向和稳定组织。尺寸大的工件则整个热处理过程着重点就是降低变形开裂而采取一系列措施。在工艺措施上，对于一般工件经常采用预热、预冷，淬火常用等温、分级、双液淬火等方法，并且需要及时回火。对于工具钢的合金化和热处理工艺设计，要着眼于耐磨性与韧性的性能指标来优化。

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