W18Cr4V钢制造齿轮铣刀的热处理工艺

1、目录1.热处理工艺课程设计的目的32.零件的技术要求及选材32.1零件的技术要求32.2零件的服役条件42.3零件可能的失效形式42.4材料的选择52.5化学成分及合金元素的作用63热处理工艺内容及步骤73.1相变点的确定73.2热处理工艺73.2.1热处理工艺流程及参数73.2.2热处理工艺目的83.2.3操作过程中的注意事项93.3热处理设备的选用93.4组织特点和性能分析94零件热处理工艺的改进105收获和体会10参考文献：111.热处理工艺课程设计的目的热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。热处理工艺在整个机

2、械加工过程中是一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。热处理工艺课程设计是通过对零件技术要求分析，制定合理的热处理工艺。其目的是：（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。2.零件的技术要求及选材2.1零件的技术要求金属切削过程中，刀具进行切削加工的部分受到高压、高温的作用，刀具的切削表面还受到工件上金属切削层的剧烈摩擦作用。当切削加工不均匀或切削断续表面时，刀具切削

3、部分还要受到切削冲击，所以刀具如要胜任切削工作，刀具切削部分材料必须具备一定的切削性能。分析零件，其中技术要求如下：（1）铣刀应用W18Cr4V或同等性能的高速钢制造。（2）铣刀工作部分硬度为：6366HRC。（3）铣刀工作部分应具有较高耐磨性、耐热性、强度和韧性。（4）铣刀表面不得有裂纹、崩刃、烧伤及其他影响使用性能的缺陷。2.2零件的服役条件刀具切削的主要材料是金属材料，在机床上的切削速度较大，会产生较大的切削热量，刀尖上的温度较高。刀具在切削时，刀尖与工件之间，刀尖与切除的切削之间会产生强烈的摩擦，因此要求刀具必须有高的硬度。一般来说，刀具的硬度越高，耐磨性也越好。刀尖要承受挤压应力和弯

4、曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此刀具必须具备较高的抗弯强度和挤压强度，还应有较高的冲击韧性。同时伴随摩擦还会产生高温，因此刀具必须具备高温硬度和热硬性，特别是高速切削和加工难切削材料时热硬性尤为重要。有时韧性成为刀具的重要性能，因为刀具在切削过程中，刀尖会在外力的作用下产生崩刃、折断和破碎等情况，这时韧性就决定了工具的寿命，因此国内外及其重视刀具的韧性。2.3零件可能的失效形式切削刀具常见的失效形式主要有以下几种：(1)磨损磨损是在正常使用的情况下，切削刀具最常见的失效形式。切削刀具产生严重磨损时会发出尖叫声或产生严重振动，甚至无法切削。磨损大都是由于刀具与加工工件或切屑之间的磨粒磨损造

5、成的，有时也可能是由于工件表面形成积屑瘤而形成的黏着磨损所造成的。刀具产生不正常磨损的主要原因是耐磨性不高，耐磨性不高大都是硬度不足或热硬性不足造成的。热处理时产生的刀具表面脱碳、脱元素等现象也可能造成耐磨性降低。为提高刀具表面的耐磨性，应该选择高耐磨性、高热硬性的原材料，热处理时，在不使切削刃脆化的前提条件下，尽量提高工具的硬度；选择合适的表面处理，也可以提高刀具表面的耐磨性。(2)崩刃崩刃也是切刀具常见的失效形式之一，其中包括微崩刃、大块崩刃、掉牙、掉齿等现象。很多崩刃现象的产生是由于切削时切削刃长期承受周期性的循环应力所产生的一种疲劳坏现象，有时也可能是由于突然产生的冲击应力造成的。间断

6、切削的刀具或切削时承受较大冲击载荷的刀具更容易产生崩刃现象。制造这类刀具的原材料应该组织均匀，不应有严重的碳化物偏析，热处理硬度应取下限，不应产生过热及回火不足等增加工具脆性的现象。(3).断裂、破碎切削工具由于承受较大的冲击力或因刀具自身的脆性较大时会产生整体断裂、破碎现象、如砖头的扭断，锯条的折断，锯片铣刀的破碎等都属于这一类。刀具的断裂、破碎与工刀具本身的韧性不足有关，但这种失效不完全是韧性不足引起的，如拉刀的断裂有时就是因为强度不足或内裂纹引起的。仪表用的小钻头多以折断形式失效，但试验分析表明，小钻头折断不完全是钻头本身脆性大造成的，多数情况下是因为钻头的耐磨性不够，产生较大的磨损以后

7、还继续钻削，切削阻力增大，这是钻头折断。(4)被加工工件达不到技术要求，在切削过程中，由于刀具产生严重磨损或刀具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时刀具虽然可以继续切削，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，因而刀具不能继续使用。2.4材料的选择铣刀材料的选择应具备以下条件：（1）高硬度和耐磨性：在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。（2）好的耐热性：刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的

8、性质，又称为热硬性或红硬性。（3）高的强度和好的韧性：在切削过程中，刀具要承受很大的冲击力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。由于铣刀会受到冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃，碎裂等特点。综上所述，选用W18Cr4V钢。W18Cr4V为钨系高速钢，具有高的硬度、红硬性及高温硬度。其热处理范围较宽淬火不易过热，热处理过程不易氧化脱碳，磨削加工性能较好。该钢在500及600时硬度分别保持在HRC5758及HRC5253，对于大量的、一般的被加工材料具有良好的切削性能。2.5化学成分及合金元素的作用W18Cr4v，常用的钨系高速钢的一种，它属于莱氏体钢，是高速钢应用

9、最长久的一种。和其它高速钢一样，常被称为“白钢”、“锋钢”或“风钢”（空冷即可淬火）。由于W18Cr4V钢中加入大量W、Cr、V元素，使Fe-C相图中的ES线上升并左移，所以钢中出现大量的共晶莱氏体碳化物，其组织形态有布直接影响钢的性能及使用。故W18Cr4V钢需经反复锻造加工，使其组织中出现的铸态鱼骨状共晶碳化物碎裂成细小的碳化物颗粒，并呈弥散分布，才能使用。其化学成分如下（GB/T 9943-2008高速工具钢）：含碳量0.70.8%，含钨量17.519%，含铬量3.804.4%，含钒量1.01.4%，含硅量小于0.4%，含锰量小于0.4%，含钼量小于0.3%。在钢中，碳主要与钨、铬、钒、

10、钼、钴 (碳化物的形成元素)等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。钨是使高速钢具有较高红硬性的主要元素，钨在钢中主要以Fe4W2C形式存在，加热时部分溶人奥氏体中，淬火时存在于马氏体中，使钢的回火稳定性得以提高。560回火时，钨会以弥散的特殊碳化物形式出现，形成了“二次硬化”现象。加热时部分未溶的Fe4W2C则会阻碍奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性和提高耐磨性。铬在高速钢中的主要作用是提高淬透性、硬度和耐磨性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。铬存在形式的碳化物在高速钢的正常淬火加热温度下几乎全部溶解，对阻碍奥氏体晶粒长大不起作用，但是溶人奥氏体中会明显提高淬透性和回火稳定性。高速钢中

11、铬含量一般都在4Cr左右，过高了会增加残余奥氏体量，过低淬透性则达不到要求。钒在高速钢中的主要作用是细化晶粒，提高红硬性、硬度及耐磨性。钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化而提高钢的红硬性。钒碳化物比钨、钼、铬碳化物都稳定，而且是细小弥散分布，加热时很难溶解，对奥氏体晶粒长大有很大的阻碍作用，并能有效地提高硬度和耐磨性。合金元素钼的作用与钨相似，一份钼可代替两份钨，而且钼还能提高韧性和消除第二类回火脆性。但是含钼较高的高速钢脱碳和过热敏感性较大。W18Cr4V钢中还存有少量的硅、锰元素，除提高淬透性外，主要也固溶于基体组织中，起到强化基体组织和改善钢

12、的回火稳定性的作用。3热处理工艺内容及步骤3.1相变点的确定W18Cr4V属于高合金钢，其特点是升温速度慢,锻造温度范围窄。始锻温度为11001150C，终锻温度为900950C。根据国标规定，W18Cr4V钢相变点为： Ac1 820、Accm1330、Ar1760、Ms210。等温球化退火加热温度应在Ac1Accm线之间，等温温度低于Ar1760线以下，其等温球化退火加热温度为860880，等温温度为740760。淬火为分级淬火，W18Cr4V含大量的合金元素:塑性差,导热性差,在快速加热时的热应力使之变形开裂,所以要在加热到淬火温度1270一1280前进行800一840预热,对形状复杂者

13、,还应在500一650增加一次预热。钨、矾等主要起提高红硬性的元素要很高的温度下才溶解,但过高的温度又会使晶粒粗大,且钨等合金元素都缩小奥氏区,使得共析与共晶温度提高,因而选择1270一1280。从1270一1280分级淬火,分级温度为580一620，然后再560进行三次回火。 3.2热处理工艺3.2.1热处理工艺流程及参数盘形齿轮铣刀的热处理工艺盘形齿轮铣刀一般结构简单、使用方便，被广泛用于中、小模数齿轮的小批量加工或修配。用高速工具钢W18Cr4V制造盘形齿轮铣刀，其热处理工艺选用和生产工艺路线的确实是关键问题。W18Cr4V高速钢的碳及合金元素质量分数较高，属于莱氏体钢，铸态组织有粗大、

14、鱼骨状的共晶碳化物，分布不均匀，会使强度下降，脆性增加，并且不能通过热处理来改变碳化物分布，只有通过锻造使其均匀分布，锻后必须缓冷。W18Cr4V因其化学成分的特点，其热处理具有淬火加热温度高、回火次数多等特点。其中热处理流程为：等温球化退火分级淬火回火。等温球化退火 分级淬火三次回火3.2.2热处理工艺目的1、等温球化退火：W18Cr4V高速钢锻造后的硬度很高，只有经过退火降低硬度才能进行切削加工。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。2、分级淬火：淬火有助于Cr、Mn、Si元素和少量V、W元素的溶解以及共晶硕化物的溶解，提高淬透性，改善回火稳定性。分级淬火是为了减少

15、残余奥氏体，稳定组织，消除应力，提高红硬性。3、回火：W18Cr4V钢淬火后残余奥氏体量较多可达30%,为了减少残余奥氏体量，消除应力,稳定组织，提高力学性能，淬火后要在560进行回火,高速钢回火时会产生“二次硬化”现象,使硬度得到提高。3.2.3操作过程中的注意事项1.操作前，首先要熟悉热处理工艺规程和所要使用的设备。2.操作时，必须穿戴好必要的防护用品，如工作服、手套、防护眼镜等。3.在加热设备和冷却设备之间，不得放置任何妨碍操作的物品。 4.热处理用全部工具应当有条理地放置，不许使用残裂的、不合适的工具。5.车间的出入口和车间内的通路，应当通行无阻。在重油炉的喷嘴及煤气炉的浇嘴附近，应当

16、安置灭火砂箱；车间内应放置灭火器。6.经过热处理的工件，不要用于去摸，以免造成灼伤。3.3热处理设备的选用由热处理设备可知工件退火一般选用箱式炉。本设计等温退火温度为850，故选用中温箱式炉。查阅资料初步选用RX3-75-9型中温箱式炉，炉温850时空炉升温时间为3.5小时。淬火加热设备初步选用RDM-90-13型埋入式高温盐浴炉，额定温度为1300，加热时间取12s/mm。应此次淬火为一次油淬，两次分级淬火，除淬火油槽外还选用了RDM-35-6型埋入式低温硝盐浴炉，额定温度为680。W18Cr4V钢的回火温度为550570，保温时间通常为60min，回火次数为三次，每次回火冷却都要冷至室温。

17、选用RJ2-55-6型低温井式电阻炉。3.4组织特点和性能分析1、等温球化退火：球化退火后组织为索氏体和均匀分布的合金碳化物所组成。2、分级淬火：分级淬火后约获得50%的贝氏体和大量的残余奥氏体，因此淬火后的硬度比普通淬火稍低淬火变形开裂倾向很低。3、回火：在560进行三次回火，回火后的组织由回火马氏体、少量残余奥氏体、块状合金碳化物组成,硬度达到65HRC以上。4零件热处理工艺的改进在实际的热处理过程中，由于原材料的缺陷、工艺设计不当、工序不当、操作不当等原因，易造成各种热处理缺陷的产生。我们应该对零件热处理工艺进行改进，以减少缺陷。可能出现的热处理缺陷及改进方法如下：（1）硬度过高，W（C

18、）0.45%的中、高碳钢在正火过程中容易出现硬度过高现象。产生原因：冷却速度快，组织中珠光体片间距变细，碳化物弥散度增大；装炉量大，炉温不均匀。严格控制工艺参数，可消除硬度过高缺陷。 （2）淬火畸变，产生原因：热处理前后组织比体积不同是引起体积变化的主要原因，加热温度不均，淬火冷却时的不同时性形成的热应力和组织应力使工件局部发生塑性变形。消除方式：降低淬火加热温度对减少热应力和组织应力畸变都有作用，缓慢加热或对工件进行预热，可减少加热过程中的热畸变，合理捆扎和吊挂工件。根据工件的形状采用合理的淬入方式。 （3）淬火开裂，产生原因：冷却不当，在Ms温度以下快冷，因组织应力大引起开裂，还可能是淬火

19、后未及时回火，工件内部的显微裂纹在淬火应力作用下扩展成宏观裂纹。消除方式：正确进行预先热处理，避免正火、退火组织缺陷。合理选择淬火介质和淬火方法。易开裂工件，淬火后要及时回火。 （4）感应淬火易出现硬度不足，产生原因：单位表面功率低，加热时间短，加热表面与感应器间隙过大，这些因素都使感应加热温度降低，淬火组织中有较多的未溶铁素体。还可能是加热结束至冷却开始的时间间隙太长，喷液时间短，喷液供应量不足或喷液压力低，淬火介质冷却速度慢，使组织中出现非马氏体组织。消除方式：正确选择感应设备，严格按照工艺参数加工。5收获和体会热处理工艺的制定，必须居于工件的服役条件情况，不但要分析其性能要求，还要根据零件的外形条件，