剃齿刀热处理工艺试验

剃齿刀热处理工艺试验摘要：本课题是对剃齿刀的生产材料-M2系列高速钢的热处理工艺进行研究，课题来源于太原工具厂。对M2高速钢热处理工艺的研究，主要是通过淬火、回火以及高温回火试验，研究一种正确的热处理工艺方法，以使其能达到剃齿刀生产要求的高回火温度和高红硬性。同样，正确的热处理对于一种刀具的经济性也有着决定性的意义。关键词：剃齿刀，M2高速钢，热处理工艺HeattreatmentprocesstestoftheshavingcutterAbstract：histopicisthestudyProductionofshavingcuttermaterialofM2highspeedsteelseriesofheattreatmentprocess,topicisfromtheTaiyuantoolfactory.StudyofM2highspeedsteelheattreatmentprocess,mainlybyquenchingtemperingandhightemperaturetemperingtest,studyamethodtocorrectheattreatmentprocess,Sothatitcanreachtheshavingcutterproductionrequirementsofthehightemperingtemperatureandhighhardness.Also,thecorrectheattreatmenttoatoolofeconomyalsohasadecisivesignificance.Keywords:Gearshaver,M2highspeedsteel,heattreatmentprocessI目录1绪论-11.1课题的背景及意义-11.2高速钢的发展及应用状况-21.2.1国外高速钢的发展状况-21.2.2我国高速钢的发展状况-31.2.3质量水平与国外相比-51.3高性能高速钢的发展及特点-61.4高速钢的组织特点-81.5本课题的研究内容-92剃齿刀的加工原理及问题-102.1齿轮加工工艺简介-102.2剃齿原理-102.3剃齿加工原理-112.4剃齿刀的加工-112.4.1刀具磨损-122.4.2刀具破损-122.5失效分析与常见热处理缺陷-143M2高速钢的组织性能特点-163.1M2高速钢的成分特点-163.1.1钨在钢中的影响-163.1.2钼在钢中的影响-173.1.3铬在钢中的影响-173.1.4钒在钢中的影响-183.1.5碳在钢中的影响-184试验条件与方法-194.1试验材料-194.2试样编号-204.3试验仪器与设备-204.3.1淬火工艺设备-20II4.3.2回火工艺设备-214.3.3其他各种设备-214.4工艺试验方法-214.4.1淬火工艺试验方法-214.4.2回火工艺试验方法-224.4.3高温回火工艺试验-234.5淬火工艺曲线的确定-245试验结果与分析-265.1M2淬火组织观察-265.1.1M2淬火组织金相检验-265.1.2淬火组织金相图片-265.1.3碳化物的分布-285.1.4奥氏体晶粒大小-285.1.5M2淬火试样硬度测定结果与分析-295.1.6淬火组织分析-305.2M2高速钢试样回火硬度的检验-315.3淬火温度对红硬性的影响-325.3.1各检测温度处理后基体的硬度-335.3.2高温回火前后硬度变化-33结论-34参考文献-35致谢-37附录-3801绪论1.1课题的背景及意义剃齿刀是直齿和斜齿渐开线圆柱齿轮的一种精加工刀具。剃齿时，剃齿刀的切削刃沿工件齿面剃下一层薄金属，可以有效的提高被剃齿轮的精度和齿面质量；并且加工效率高，刀具寿命长，是成批、大量生产中等精度圆柱齿轮时，应用最广泛的一种加工刀具。如右图所示几种剃齿刀具。齿面上开有许多形成切削刃的窄槽，按螺旋齿轮啮合原理加工工件的齿轮形齿轮加工刀具，在加工时，刀具从齿轮的齿面上切下胡须状的细切屑，故称剃齿刀。剃齿刀用于在滚齿、插齿（见齿轮加工）后对轮齿进行精加工。常用的盘形剃齿刀像一个淬硬的斜齿圆柱齿轮。齿面上的沟槽有两种形式：一种是在整个齿圈上开有圆环形或螺旋形的通槽，槽的截面可以是矩形，也可以是梯形，这种剃齿刀用钝后只刃磨前面（槽部），齿形和外径都不改变，由于通槽不能做得太深，只适用于模数小于1.75毫米的剃齿刀；另一种为两侧面的沟槽不通，是用梳形插刀分别插出来的，为使插刀能够退刀，在每个齿的齿根处钻有倾斜的小孔。这种剃齿刀用钝后需重磨齿形和齿顶圆柱面。为了减小每个齿的切削负荷，剃齿刀的齿数较多，一般取质数，以避免与被切齿轮的齿数有公因数，否则剃齿刀的误差将复印到被加工齿轮上去。剃齿刀的精度按国际标准有AA级、A级和B级3种。在实际生产中，用正确的渐开线齿形的剃齿刀剃出的齿轮齿形，往往在齿轮的节圆附近偏离正确的渐开线，向内凹进，偏差约10.010.03毫米，直齿齿轮的齿形偏差要比斜齿轮大些。为了使工件得到正确的渐开线齿形，剃齿刀的齿形应经过修正，在大量生产中都是通过实验的方法来决定剃齿刀的齿形修正曲线。剃齿刀可以加工直齿和斜齿的内、外圆柱齿轮，生产效率高、加工表面光洁。此外，还有加工精密蜗轮用的蜗轮剃齿刀，其基本蜗杆的类型和参数均应与蜗轮相匹配的工作蜗杆相同。它与齿轮剃齿刀一样，在螺旋面上开有许多窄的沟槽，以形成切削刃并容纳切屑。蜗轮剃齿刀难于制造，只有在加工精度要求很高的蜗轮时才使用。剃齿刀的加工材料主要使用M2高速钢，M2高速钢通过电渣重熔精炼，其碳化物颗粒均匀、细小，综合性能优越，尤其是其脱碳敏感性小，不出现混晶，韧性较高，性价比更高，可望获得更大效益5。1.2高速钢的发展及应用状况1.2.1国外高速钢的发展状况自1900年由Taylor和White发明高速工具钢后，为了满足机械制造业的不断发展需要，人们陆续开发出了不同类型及牌号的各种高速钢6。在日本，高速钢的研究1940-1944年显示出快速发展。为了开发代用高速钢和机械加工的效率化，高性能高速工具钢的开发已是急迫任务。小柴广泛研究了含碳、钨、钒、钴、钼量变化情况下各种高速钢的热处理性能和切削耐用性，结果表明，高钴高速钢的切削耐用性，W的含量高时效果大7。JES日本金属标准将低碳含Co高W高速钢录入第五种SKH5。关于此钢的回火硬化现象、热处理特性，门间和小柴进行了研究。该钢由于从马氏体中析出碳化物而硬化，从固溶了多量W、Co的铁素体相中析出W、Co、Fe的金属间化合物而硬化，这就是该钢虽然碳含量低，仍显出高的回火硬度和优良切削耐用性的原因。SKH5作为日本独特高速钢，在1983年JIS工具钢标准改定时仍保留8。二次大战中代用高速钢的研究，W降低到多少程度是问题的焦点。SKH6应用了上述小柴的研究成果。屈田研究了14%W-4%Cr-1%V和12%W-4%Cr-1%V钢，2含W量更低的2%-8%W钢，或完全不含W的高速钢。研究结果表明，8-4-1系高速切削耐用性约为18-4-1系的4%，8-4-3系切削耐用性差于8-4-1系。8-4-1系添加了Mo改善其切削耐用性。而8-4-1系添加3%-5%Co切削耐用性优于18-4-1系4-4-1系锋利性显著差，此外2-4-1系也特别差，但添加4%Mo则优于18-4-1系。考虑了屈田的研究成果，SKH7（2-6-4-0）被列入标准，可是不添加V是个问题，1950年JIS标准修订时加了1%V8。1950年JIS标准修订时增添了SKH4B，1953年JIS标准修订时废除了SKH1。此一动向与SKH5钢表示当时切削耐用性放在重点地位。可是，1923年德国的Baumhauer发明超硬WC-Co烧结合金，德国的克虏伯（Krupp）公司，美国的通用电气（GE）公司扩大超硬合金的应用范围，逐渐扩展向车削工具，作为车削工具的高速钢的地位渐渐下降。不久，SKH5及SKH4B等高合金工具钢消失，1983年JIS标准修订时步入废除命运，代之新的钼系高速工具钢出现8。在金属材料科学的形成和发展过程中，有关高速钢金相结构、相转变及组织与性能的关系是重要的组成部分，受到不少科学工作者的关注。在西方，尤其在40-60年代，对高速钢投入的研究力量和成果逐渐使其形成了特殊领域的一个独立分支。美国J.P.基尔（Gill）所著ToolSteel一书的出版（1936）首次将以高速钢为代表的工具钢（成分、组织、性能、应用）作为一个技术学科分支展现与世人。次书多次修订再版，至今仍不失为全球最系统介绍高速钢材料问题的专著之一。美国P.佩森（Payson）的专著亦是本领域的重要文献。此外，日本小柴定雄（上已提及）和前苏联盖勒也都分别出版了专著介绍所在国有关高速钢的研究和使用情况9。1.2.2我国高速钢的发展状况众所周知，多年来我国是世界钨矿储量最大、开采与出口最多的国家。1918年在大连钢厂已能生产少量高速钢，但发展缓慢。新中国成立后，高速钢得到迅速发展：1960年年产高速钢材5111t，1965年12003t，1971年19000t，已是世界高速钢生产大国。1989年达到最高年产33350t，其后大约在年产3万t，居于世界前列。我国高速钢绝大多数用小型（15t以下）电弧炉冶炼。采用扁模铸锭是1我国的特点，钢水凝固速度比同等截面的方型或圆锭型快，因而改善了铸态组织，使钢材的碳化物质量有明显改善。直径150mm以上的大型材采用电渣重熔大钢锭，经快锻压机或精煅机开坯后再煅轧成材。还有采用感应炉-电渣重熔工艺生产高速钢钢带与小型材，冶金质量较好，也是特殊经验1。20世纪80年代初期，为节约用钼量以及改进W18Cr4V与M2钢各自存在的缺点，我国自行研制了W9Mo3Cr4V钢，经过短短的5-10年时间，该钢得到了迅速发展，曾达到全国高速钢总产量的1/3以上。研制W9Mo3Cr4V钢成功地达到在尽量少用钼的前提下，改善W18Cr4V钢碳化物的冶金质量及热塑性，以满足四辊扭轧钻头的需要，同时也改善了M2钢易脱碳、淬火过热敏感与磨削性较差的缺点。此三种通用高速钢在使用性能上基本居同一水平，但从碳化物质量上看，M2钢最细小均匀，W9Mo3Cr4V钢次之，W18Cr4V较差，这与其钨、钼的含量不同有关。市场上钨、钼、钒的供应与价格情况常有波动，因此根据实际需要，3种通用高速钢均可供不同的选择1。我国钴资源较缺，价格昂贵，因此含钴高速钢生产很少。这种高性能超硬高速钢在欧美各国占高速钢总量的20%-25%，在我国则不及1%，因此长期不能满足工具行业制造高性能刀具的需要。为此，我国在无钴低钴高速钢方面一直进行着大量的科研工作，其中成果显著的首推W6Mo5Cr4V2Al（简称M2Al）钢。它是含1%铝的高碳M2钢，在某些场合可以代替相同V%级别的含钴超硬型高速钢如M42，部分刀具曾出口美国，受到欢迎。我国自行研制Co3N（W8Mo5Cr4VCo3N，W12Mo3Cr4VCo3N）和W9Co5（W9Mo3Cr4VCo5），其含钒量皆为1%级，超硬，易磨，虽含钴3%和含钴5%，但是在很多场合，尤其是在制作精密刀具和加工难切削材料时，可以代替当前国际市场销量最大的高性能高速钢M42（8%Co）使用。我国盛产钒，但是由于磨料工业落后，高钒高速钢得不到应用。国外单晶刚玉砂轮或立方氮化硼砂轮早已用于3%钒以上的高钒高速钢，收到良好效果。我国研制的含3%钒就是这类无钴高钒超硬高速钢10。前文已述，近年来低合金高速钢的开发研究又重新引起国内外的重视，研究目标已由过去以适应低速和软材料切削为目的的“半高速钢”上升为节约合金元素的同时，力求提高低合金高速钢的综合性能，使其在很多场合可以代替标准的通用高速钢，从而节约大量合金元素，尤其是钨和钼。涂层技术应用于低合金高速钢同样能成倍地提高其刀具的耐用度，甚至不亚于涂层的通用高速钢刀具。我2国自20世纪80年代初期就开始研制低合金高速钢，迄今比较成功且已获得生产应用的有301钢（W3Mo2Cr4VSi）、D106（W4Mo3Cr4VSi）和GM钢（W3Mo2Cr6V6），前二者已大批量生产，GM钢大多用于冷作模具。在低合金高速钢中我国首先成功地使用1%硅10。1.2.3质量水平与国外相比目前我国虽然是高速钢生产大国，但是与世界生产先进国家，如奥地利、法国、日本等国家相比在生产技术与产品的质量上有较大的差距。我国原国有特殊钢企业的产品质量处于世界中上水平，与俄罗斯、捷克大体相当。但原特钢厂产量现在仅仅占国内9.36%。新兴的民营企业占较大的份额，但相对来说，这些企业工艺装备、检测手段、技术水平参差不齐。具体表现在：表面质量差、尺寸精度低、化学成分不均匀、碳化物颗粒度与不均匀的差距、国产M42夹杂物少、缺少高档次产品、缺乏严格的国家标准与厂控标准1。我国的高速钢冶金质量不亚于进口的国外著名厂的产品。但是由于轧机精度差，精整设备落后，相当多的产品的公差精度与表面质量不如进口材，差距较大。我国富有钨、钼、钒资源，生产高速钢具有很大的优势。如前所述，20世纪70年代以前，我国生产的通用型高速钢主要是高W系钢W18Cr4V。由于国内四辊扭轧钻头生产工艺兴起，迫切要求使用热塑性好的W-Mo系高速钢，工具制造厂对高速钢碳化物颗粒度细化和分布均匀度的要求也越来越高，再加上20世纪70年代后期我国钼矿得到大量开采，于是W-Mo系钢迅速开发代替W系钢，在高速钢生产中占了主导地位，其中主要钢号为W6Mo5Cr4V2，是世界最通用的高速钢M210。在低合金高速钢中，我国首先成功地使用1%硅。由于能使钢在热处理时均匀细化碳化物颗粒，含硅高速钢也有较高的淬、回火硬度和红硬性，也具有良好的机加工工艺性能和良好的耐磨性，且硅作为合金元素价格低廉，储量丰富，在一定程度上也提高了我国高速钢在国际高速钢领域的竞争力11。1.3高性能高速钢的发展及特点3高性能高速钢，也称特种高速钢，泛指硬度（包括高温硬度和抗回火软化性）和耐磨性显著高于通用型的高速钢钢种。切削加工难题是推动刀具材料不断改进的动力，高性能高速钢的发展更是如此。通用型高速钢的问世解决了原用工具钢切削速度低，刀具寿命短等问题，但它仅仅适用于中软钢（HB250）及其他较易切削的材料，顶多扩及普通强度的调质钢（HB300）。而动力机器、尤其武器制造中高强度调质钢（HB300、b1050MPa）和不锈钢、耐热钢的切削加工，则促使人们寻求性能更高的刀具材料，首先开发成功的是加Co和高V高速钢12。18-0-4-1型高速钢诞生后不到10年，人们就发现向其中加入Co可以提高切削性能。不久又发现提高V的含量也有效。到20世纪20年代已形成了加Co、高V和二者兼用的三类高性能高速钢钢种，它们分别是后来的AISI标准中的T6（含钴）、T4（高钒）和T15（高钒加钴）的原型。Mo系高速钢产生之后，也有相应的钢种：M3、M6（高钒）和M35、M36（含钴）。这类钢热处理后硬度仍处于通用型钢的范围HRC63-66以内，所不同的是含钴钢易于获得上限硬度，而高钒钢则在相同的硬度下具有成倍提高的耐磨性。不过这些钢的特点是以添加贵重合金元素来获得性能的改善，合金成本成倍上升。用现代人的眼光看，当时为工具性能并不太大的提高付出了昂贵的代价。故此，可视为高性能高速钢发展的第一阶段13。20世纪50年代，强度在b1300Mpa（HB350-420）或以上，直至淬硬态（HRC58、b2400Mpa级）高强度和超高强度结构钢、超级耐热合金及钛合金的用量不断增多，以及这些材料的精密、成型切削均要求高速钢达到更高的档次。于是50年代末至60年代初，欧洲出现了相当于后来瑞典（ASSAB）HSP-15、德国S10-4-3-10，美国M41、M42钢。这些钢的热处理硬度为HRC66-67，比通用型高出一个档次。它们的形成都是在原有（或近似于）某含钴钢种的基础上提高其含碳量（到近Cp值），而非依靠添加什么特殊的合金元素而得到的。到60年代末，已发展成为以美国M40系列，瑞典HSP-15（16及17）为代表的一个超硬型高速钢家族。因其解决了众多宇航器加工中的难题，故当时被誉为“宇航时代的高速钢”，并迅速在高性能高速钢中占据了主要地位，可视为高性能高速钢发展的第二阶段13。不过，工业技术的发展总会提出新的切削难题。例如，高强度和超强度结构4钢的高韧性及较高的塑性会使切削力上升，摩擦和变形功增大，断屑困难，导致温升增高，并且使刀具前面的高温区（月牙洼区）移向刀刃，从而大大加速了刀具的磨损。钛合金以其最高的比强度和其他优点而誉为21世纪最有发展前途的金属材料。当前钛合金力学性能约为b1000-1200Mpa（HB约为300左右）、10%。单从力学指标看，切削似乎不应成为难题，但实际上却是当前最难切削的金属材料。这归因于于它具有下述化学、物理特性：导热值低；化学活性强，在300-600可大量吸收H2、O2、N2而发生硬化，并在切削温度下，在与刀具的接触面上发生溶质的互扩散，改变刃部材料的化学成分；弹性模量小；与刀具材料间的摩擦系数大。由于这些特性则使钛合金的切削呈下述特点：切屑流出速度大，加剧了切屑与前刀面的摩擦；切屑与前刀面接触宽度窄，生热点移向刀刃，并使其温度上升；吸气硬化加大了工件和切屑对刀具前后面的磨损；被加工件回弹性大，增加了精加工难度。因此，必须有更高性能的高速钢才能适应。所幸的是粉末冶金高速钢于20世纪70年代问世，为解决上述切削难题提供了更多的机会。粉末冶金高速钢的综合性能（硬度、红硬性、耐磨性及可磨削性等兼顾）比上述M40系列超硬高速钢高出一个档次，代表着高性能高速钢的第三个发展阶段。这一时期，国外高速钢材料领域的开发开发重点转移到粉末冶金法制钢及专用于粉末冶金法生产高性能高速钢品种方面，而通常的铸锻高速钢的发展基本处于停滞状态，以M40系列主要品牌为代表的超硬型高速钢仍沿用至今12。而我国此时对无钴、低钴超硬型铸锻高速钢的研究却取得丰硕的成果，如M2Al钢享誉国外，Co3N钢等多个钢号均具有良好的性能和使用价值，至今仍保持着相当数量的工业应用。1.4高速钢的组织特点高速钢属于莱氏体类钢。铸态状态下的组织是由骨骼状的共晶莱氏体、隐针状马氏体、奥氏体以及相共析产物黑色组织（屈氏体及索氏体混合组织）所组成。铸造高速钢内碳化物有三种类型：共晶莱氏体中的初生碳化物、冷却时由奥氏体析出的次生碳化物，以及在珠光体转变时所形成的共析碳化物。高速钢钢锭经锻轧及退火后，金相组织为及碳化物。随着热压力加工变形量的不同，钢中共晶碳化物的破碎程度和分布也有所不同。如果在钢的横截面上5进行金相观察，碳化物多为粒状均匀分布或略有堆积。如果从纵向进行观察，碳化物常呈带状或网状分布。这称为碳化物不均匀性或碳化物偏析12。高速钢淬火状态的组织应为淬火马氏体、粒状碳化物及残余奥氏体。马氏体呈隐针状，只有在过热的组织中有时才能看到针状。在经淬火并侵蚀的金相试样下，可明显地看出奥氏体晶界，在晶粒周围或中心分布着粒状的碳化物。淬火后钢的组织中有较多的残余奥氏体（约占20%-30%），通常在显微镜下不能识别。奥氏体晶粒大小随淬火加热温度及保温时间等而变化，其中与加热温度的关系更为密切。随着加热温度的升高，奥氏体晶粒也增大。淬火后的钢具有适当的晶粒度一般在500倍放大下，晶粒度相当于高速钢奥氏体晶粒度参考图8号-10号为最适宜。如果晶粒太大，这是过热的表现，钢的机械性能降低。晶粒太小则是由于加热不足，使钢的硬度及热硬性差13。1.5本课题的研究内容本课题来源于太原工具厂，针对剃齿刀在使用中常常由于磨损和崩刃导致早期失效，降低了刀具的使用寿命。而磨损主要是由于刃部硬度低和红硬性差引起，崩刃是由于韧性差引起。通过对M2高速钢采用不同淬火温度加热、检测淬、回火后的硬度、冲击韧性及红硬性，对热处理工艺进行优化，以使其能得到高强韧性和高红硬性，从而达到剃齿刀的实际使用要求。62剃齿刀的加工原理及问题2.1齿轮加工工艺简介齿轮是各类机械、仪器、仪表普遍采用的构件。随着生产技术的不断发展和机构设计精度的普遍提高，对齿轮的质量要求也越来越高。齿轮齿廓的基本齿形有很多种，诸如渐开线齿轮、摆线齿轮、双圆弧齿轮等等，其中以渐开线齿轮为主。对于渐开线齿轮，根据齿廓形成的原理，传统的齿轮成形加工方法包括滚齿加工方法，插齿加工方法，铣削加工方法和铸造法等等。滚齿加工方法是一种最常用的齿形加工方法，它具有生产率高、精度高等特点。滚齿加工法不仅可加工直齿和斜齿圆柱齿轮，还能加工蜗轮。对于中等模数的齿轮，滚齿加工精度为78级：对于小模数齿轮，加工精度可达45级。插齿加工方法也是一种常用的齿形加工方法，可以获得78级的加工精度，并可作为最终加工，也可用作精加工的切齿工艺。缺点是齿轮圆周上各轮齿容易出现差异，特别是受插齿刀和齿轮工件偏心的影响大。刨齿加工方法是使齿条形刀具和齿轮工件进行正确的啮合，齿条节线和齿轮节线进行无滑动的滚动；与此同时，刀具在垂直于刀面方向做切削运动，从而范成齿形。加工效果较滚齿差，但刀具容易制造，适合于对齿轮有特殊要求的情况。其他齿轮加工方法还有铣齿加工法、拉削加工法及高速剪齿加工等。另外齿轮的精加工方法包括磨齿、剃齿、研齿、珩齿以及精轧等。磨逸主要用来提高齿轮的精度和表面光洁度，效果显著但加工效率较低且设备费用较高；剃齿工艺加工效果次于磨齿，但加工效率较高，因此被广泛采用。72.2剃齿原理剃齿刀是经过淬火磨削的齿轮形刀具，沿齿高方向有锯齿刀槽。剃齿加工就是利用剃齿刀与齿轮工件的啮合传动，从齿轮工件的齿面切削去微小的加工余量，进行剃削。齿轮工件与剃齿刀啮合旋转时，齿轮轴与刀具轴并不平行，而是互相交错；齿轮工件和剃齿刀之间只有齿面啮合，两者的轴之间没有机械的联系，互相之间自由旋转。这也是剃齿与其它齿轮精加工方法、切齿法的显著区别所在。剃齿过程中，两轴互相交错地啮合着的齿轮和剃齿刀，由于一面在齿面上加压力而一面旋转，刀具和齿轮齿面在齿高方向和轴向产生相对滑移，刀具齿面上的很多齿刃槽的边缘就成了切削刃。剃齿刀的锯齿刀槽的顶部构成刀具齿面，用齿轮磨床进行齿形磨削，没有齿面后角，不像其它刀具(例如插齿刀)有齿面后角。因此，即使是用锯齿刃槽的刃背顶住齿轮工件的齿面，也不会过度切入，可以用0.020.05毫米的加工余量进行齿面精加工。剃齿刀齿侧面的切削刃槽通常是平行于刀具端面或垂直于刀具齿向，使两侧切削刃分别具有正、负前脚或零前角，剃齿刀切削工件时，它的齿侧面和工件的加工表面相切，所以剃齿时的后角应等于0，这将产生挤压现象，因此剃齿是一个在滑移运动中产生切削与挤压的加工过程。2.3剃齿加工原理当一直齿轮和一斜齿轮相啮合，或者两个螺旋角不等的斜齿轮相啮合，都会因两轴线投影的交叉而构成一定大小的轴间交角。假如斜齿轮是加工刀具(剃齿刀)，直齿轮(或另一斜齿轮)是被加工的工件，在刀具主动回转并带动工件自由回转的情况下，剃齿刀上所产生的圆周速度可分解为两个速度分量：其中一个分速度向量垂直于直齿轮的轴线，另一个速度分量与直齿轮齿向方向平行，前者带动齿轮旋转后者使两齿面产生齿向方向滑移。如果将剃齿刀牙齿两侧面制出一系列与端面平行的沟槽以形成切削刃，当剃齿刀与齿轮工件无间隙啮合时，由于进刀压力和切削速度的作用，可从工件齿面切下一层约0.01-0.05mm的金属层，从而实现剃齿工艺的切削过程。剃齿刀主轴再辅之以周期性轴向往复移动即可对齿轮齿面所有部位的剃削。剃齿刀装在机床主轴上，被剃齿轮装在工作台两顶尖8问，理论上是无侧隙点接触，但实际剃齿时，刀齿必须压入被剃齿轮齿面一定深度才能切下一定厚度的材料，进而理论上的点接触变成近似椭圆的面接触。2.4剃齿刀的失效形式2.4.1刀具磨损（1）磨料磨损被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨砂损。磨料磨损在各个面都存在，前刀面最明显。而且各种切削速度下都能发生麻料磨损，但对于低速切削时，由于切削温度较低，其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因。另处刀具硬度越低磨料麻损越严重。（2）冷焊磨损切削时，工件、切削与前后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。（3）扩散磨损在高温下切削、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构，使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损。扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。例如硬质合金在800时其中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳扩散到钢中去；PCD刀具在切削钢、铁材料时当切削温度高于800时，PCD中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。钴、钨扩散比较严重，钛、钽、铌的抗扩散能力较强。故YT类硬质合金耐磨性较好。陶瓷和PCBN切削时，当温度高达1000-1300时，扩散磨损尚不显著，工件、切屑与刀具由于材料的同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具的磨损。这种在热电势的作用下的扩散磨损，称为“热电磨损”。9（4）氧化磨损当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。如：在700-800时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应，形成较软的氧化物；在1000时PCBN与水蒸气发生化学反应。2.4.2刀具破损（1）削刃微崩当工件材料组织、硬度、余量不均匀，前角偏大导致切削刃强度偏低，工艺系统刚性不足产生振动，或进行断续切削，刃磨质量欠佳时，切削刃容易发生微崩，即刃区出现微小的崩落、缺口或剥落。出现这种情况后，刀具将失去一部分切削能力，但还能继续工作。继续切削中，刃区损坏部分可能迅速扩大，导致更大的破损。（2）切削刃或刀尖崩碎种破损方式常在比造成切削刃微崩更为恶劣的切削条件下产生，或者是微崩的进一步的发展。崩碎的尺寸和范围都比微崩大，使刀具完全丧失切削能力，而不得不终止工作。刀尖崩碎的情况常称为掉尖。（3）刀片或刀具折断当切削条件极为恶劣，切削用量过大，有冲击载荷，刀片或刀具材料中有微裂，由于焊接、刃磨在刀片中存在残余应力时，加上操作不慎等因素，可能造成刀片或刀具产生折断。发生这种破损形式后，刀具不能继续使用，以致报废。（4）刀片表层剥落对于脆性很大的材料，如TiC含量很高的硬质合金、陶瓷、PCBN等，由于表层组织中有缺陷或潜在裂纹，或由于焊接、刃磨而使表层存在着残余应力，在切削过程中不够稳定或刀具表面承受交变接触应力时极易产生表层剥落。剥落可能发生在前刀面，刀可能发生在后刀面，剥落物呈片状，剥落面积较大。涂层刀具剥落可能性较大。刀片轻微剥落后，尚能继续工作，严重剥落后将丧失切削能力。（5）切削部位塑性变型具钢和高速钢由于强度小硬度低，在其切削部位可能发生塑性变型。硬质合金在高温和三向压应力状态直工作时，也会产生表层塑性流动，甚至使切削刃或刀尖发生塑性变形面造成塌陷。塌陷一般发生在切削用量较大和加工硬材料的情况下。TiC基硬质合金的弹性模量小于WC基硬质合金，故前者抗塑性变形能力加快，或迅速失效。PCD、PCBN基本不会发生塑性变形现象。10（6）刀片的热裂当刀具承受交变的机械载荷和热负荷时，切削部分表面因反复热胀冷缩，不可避免地产生交变的热应力，从而使刀片发生疲劳而开裂。例如，硬质合金铣刀进行高速铣削时，刀齿不断受到周期性地冲击和交变热应力，而在前刀面产生梳状裂纹。有些刀具虽然并没有明显的交变载荷与交变应力，但因表层、里层温度不一致，也将产生热应力，加上刀具材料内部不可避免地存在缺陷，故刀片也可能产生裂纹。裂纹形成后刀具有时还能继续工作一段时间，有时裂纹迅速扩展导致刀片折断或刀面严重剥落。2.5失效分析与常见热处理缺陷表2.1失效方式、原因及解决对此原因失效方式性能成分、工艺与组织对策刃部硬度低刃部过回火/退火，氧化脱碳防止刃部烧伤，控制原材料脱碳和加工余量不耐用（非正常磨损）红硬性差TA低，晶粒细，基体合金度低适当提高TA和TT使用过程崩刃掉齿韧性差1碳化物形貌不良1)不均匀、堆积（粘连）2)粗大,残存莱氏体3)角状、棒状2晶粒粗大3非金属夹杂、气体4残余元素球化细化复化纯化热处理变形开裂碳化物形貌不良不均匀加热/冷却较快,加工设计不良均匀化分级、均匀冷却加工过程氧化脱碳铝、碳含量高盐浴脱氧不良，加热时间长检查并控制加热介质氧势和时间11磨削裂硬度高回火不充分碳化物不均匀充分冷却，充分回火控制硬度表2.2缺陷分类、原因及预防措施缺陷分类原因分析预防措施过热或过烧1热电偶测温不准造成温度偏高。2装料方法不当。3钢种之间混料1定期检查2做到均匀加热3淬火前鉴别淬火变形1淬火温度过高。2加热和冷却过程吊装不当。3加热和冷却方法1参照产品介绍调整加热温度，定期检查测温装置。2改进吊装装置，考虑工件自重3加强预热，控制分级后冷速。淬火开裂1形状不良，圆角R过小。2过热或过烧。3残余脱碳层造成表面与心部组织转变差异。4原材料组织不良（碳化物偏析严重）。5淬火冷却条件选定不当。6回火冷却过程中过早淬水。7应力腐蚀开裂1加大圆角R。2参照产品介绍选择加热温度，定期检查测温装置。3控制火前加工余量。4控制原材料来源，加强检验。5对形状复杂、厚薄不均，分级淬火后，降低马氏体转温度范围冷却速度或采用等温淬火。6回火冷却至室温方可清洗。7淬火后清洗工序对工件、水温控制。硬度不良硬度偏低时：1钢的化学成分不合格或混料。2淬火温度过低3淬火温度过高（严重过热或过烧）4淬火冷却速度慢5回火装炉温度过高或不充分。1加强投料管理2参照产品介绍选择加热温度，调整装料量均匀加热。3参照产品介绍选择加热温度，定期检查测温装置。4加快淬火冷却126脱碳（原材料残余和热处理过程）硬度偏高时：7淬火温度选择偏高。5冷却至室温及时回火。补充回火。6严守最小加工余量。检查盐浴脱氧或真空炉真空度。7适当降低加热温度。回火不充分1测温不准2装炉量不当3原材料碳化物堆积1定期检查测温装置。2调整装料量均匀加热。3控制原材料来源，加强检验。3M2高速钢的组织性能特点3.1M2高速钢的成分特点M2各合金元素的具体成分百分含量如下表3.1-表3.2：表3.1传统国内通用M2钢的主要成分主要元素CWMoCrV平均含量wt%0.836.084.894.091.90表3.2M42高速钢的主要成分主要元素CWMoCrVCo平均含量wt%1.101.409.403.851.188.15由以上各类型高速钢成分对比看出，M2高速钢的碳含量与M42差不多，其高碳保证达到最高二次硬度。因为对于1260淬火时含碳1.1%以上M2来说是过热或过烧状态，最高二次硬度出现在含碳1.1%左右，这一极值的出现与淬火态残余奥氏体量及其稳定性随钢中碳量升高而急剧增加有关。与M42相比，M2高速钢除不含有M42所高达8.15%的钴的同时，其钨的含量远高于M42钢，而其Mo的含量又远少于M42中钼的含量。3.1.1钨在钢中的影响钨是赋予高速钢红硬性的主要元素，能形成多种碳化物，如WC、（FeW）133C、（FeW）6C等。主要是以（FeW）6C为主。钢在淬火加热时，（FeW）6C等很难溶解，从而对晶粒长大起阻碍作用。因此可以用较高的淬火加热温度以提高奥氏体的合金度，使热处理后获得高的性能。未溶解的碳化物具有极高的硬度，增加钢的耐磨性。在回火过程中，析出钨的碳化物，如W2C和（FeW）6C等，弥散分布于马氏体基体上，与钒的碳化物一起产生钢的二次硬化效应。溶入固溶体的钨，既能提高回火时马氏体的分解温度，又能阻碍铁原子的扩散，故提高了钢的回火稳定性，钢加热到600-625时，钢中的马氏体仍较稳定，所以使钢具有较高的红硬性。钨强烈的降低钢的导热性，所以锻造时，加热速度应该较缓慢，保温时间应充分，停锻温度较高，防止锻件开裂14。3.1.2钼在钢中的影响钼也是碳化物形成元素，在钢中形成与钨相似的多种碳化物。钼和钨是同族元素，晶体结构和原子半径相近，化学性质类似，在高速钢中的作用也相似。所以可以用钼来替代钨，按原子百分数计，1%的钼可替代1%的钨，按重量百分数计，1%的钼可替代2%的钨。钼在提高钢的强度、产生二次硬化、提高红硬性和淬透性方面的作用都与钨相似。钼能降低高速钢结晶时的包晶反应温度，从而使铸态组织中的莱氏体较钨系高速钢细小，锻轧后碳化物不均匀性较重，提高了钢的热塑性。钼的主要碳化物（FeMo）6C溶解于奥氏体中的温度比（FeW）6C为低，所以淬火时晶粒易于长大，过热敏感性高，淬火加热温度较窄，含钼量增加，钢的氧化脱碳倾向也随之增加。钼的还有一个不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向14。3.1.3铬在钢中的影响铬的主要作用是提高钢的淬透性，其为碳化物形成元素，在高速钢钢中以Cr23C6为主，淬火加热时，铬几乎全部溶于奥氏体中，提高了奥氏体的稳定性，增大了钢的淬透性14。铬有较强的形成复合碳化物的倾向，易溶入钨、钼碳化物中，有利于防止钨、14钼的碳化物转化为稳定的WC和MoC，而以M6C型碳化物存在于钢中。在淬火加热时，M6C型碳化物比WC、MoC易溶于奥氏体，增加了奥氏体的合金度，从而增加了钢的红硬性。铬还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。如铬量过低，将降低钢的淬透性，但含铬量过高，会降低钢的Ms点，使残余奥氏体增加，淬火硬度较低，并由于残余奥氏体具有较大的稳定性，使回火增加困难。铬在钢中的缺点主要有：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进钢的回火脆性。3.1.4钒在钢中的影响钒也是形成高速钢红硬性的主要元素之一，也是碳化物形成元素，形成稳定的VC，回火过程中VC以细小质点弥散析出，形成高速钢的二次硬化，其作用比钨强。溶入固溶体中的钨，可提高马氏体的抗回火稳定性，所以两者是不能相互替代的。钢的含钒量增加，其红硬性和耐磨性则随之提高。但由于刀具本身的耐磨，也给刀具制造过程中的磨加工增加困难。高速钢中含钒量一般1%-5%14。3.1.5碳在钢中的影响高速钢二次硬化等基本性能，是碳与各碳化物形成元素组成各种碳化物所产生的。高速钢的含碳量起着重要的作用，当含碳量较低时，不能保证形成足够数量的复合碳化物，因而，在淬火加热时，溶入固溶体的碳和合金元素减少，降低了高速钢的硬度、红硬性和耐磨性。当含碳量偏高时，碳化物数量增加，加热时奥氏体中碳和合金元素的浓度增高，使淬火后钢的硬度和红硬性提高。但另一方面由于含碳量较高，也带来不良影响，如钢中碳化物不均匀性增大，塑性降低，工艺性变差，锻造容易产生开裂；由于含碳量较高，降低了钢的熔点和Ms线，所以工件在淬火时易出现过热或过烧，并增大了残余奥氏体的量。一般对于含碳较高的高速钢，热处理加热温度应适当降低15。154试验条件与方法4.1试验材料试样的制备：本实验试样材料为太原工具厂提供的河冶M2高速钢材料，试样取自71mm的热轧圆钢，在实验前经切削加工成如下图4.1所示的淬火试样及实物图4.2。其中扇形试样18块。图4.1试样图16图4.1实物图4.2试样编号试样共18块，平均分成6组，每组3个试样，每组采用不同的标记识别。如图4.3。图4.3实物图174.3试验仪器与设备4.3.1淬火工艺设备（1）电极盐浴炉（预热炉），编号RL-019，型号ZUSG-120，炉膛尺寸：300mm350mm550mm，电极顶埋。（2）电极盐浴炉（中温加热炉）,编号RL-018，型号ZUSG-150，炉膛尺寸：300mm350mm550mm，电极顶埋。（3）电极盐浴炉（高温加热炉），编号RL-017，型号TSJN-125/0.5，炉膛尺寸：300mm350mm550mm，电极顶埋。（4）电极盐浴炉（一次冷却炉），编号RL-016，型号ZUSG-120，炉膛尺寸900mm600mm600mm,电极插入式。（5）热水清洗槽，编号RQ-145。4.3.2回火工艺设备（1）硝盐炉（回火炉），编号RL-028，型号TSH-80/0.5，炉膛尺寸900mm600mm600mm,电极插入式。4.3.3其他各种设备（1）洛氏硬度计，HRD-150。（2）金相预磨机，型号M-2，直径300mm。（3）金相抛光机，型号M412A，直径300mm。（4）砂轮机，型号M-3040A，规格40040mm。（5）金相显微镜，型号Neophot-32，观察倍数500。（6）图像金相显微镜，型号4XC-V，放大倍数500。4.4工艺试验方法184.4.1淬火工艺试验方法（1