林再治　趙立新

【摘 要】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(jì)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(gè)熱處理過程著重點(diǎn)就是降低變形開裂而采取一系列措施。在工藝措施上，對(duì)于一般工件經(jīng)常采用預(yù)熱、預(yù)冷，淬火常用等溫、分級(jí)、雙液淬火等方法，并且需要及時(shí)回火。對(duì)于工具鋼的合金化和熱處理工藝設(shè)計(jì)，要著眼于耐磨性與韌性的性能指標(biāo)來優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】工具鋼；熱處理工藝；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.工具鋼的種類和性能要求

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(duì)于某些低速而且走刀量較小的機(jī)用工具，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(jià)格低廉，加工性能好，經(jīng)適當(dāng)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(duì)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

隨著切削加工速度的不斷提高，以及被加工的材料強(qiáng)度增大，切削時(shí)產(chǎn)生大量的熱，使刀刃受熱溫度升高，而且刀具還要承受較大的切削載荷，這就要求刀具材料應(yīng)該具有更高的熱硬性和強(qiáng)度。高速工具鋼經(jīng)過科學(xué)的熱處理后具有較高的熱硬性和耐磨性，同時(shí)還具有較好的淬透性。高速鋼碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為（0.70%～1.50%）C，回火穩(wěn)定性也較好。常用于制造各種切削刀具，也用于制作一些重載冷作模具和結(jié)構(gòu)件等。

1.2.3模具鋼

模具鋼分為冷作和熱作模具鋼兩種。冷作模具鋼要求具有高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度及韌性，形狀復(fù)雜和淬火后不再進(jìn)行加工的工具，要求淬火變形小。熱作模具的種類很多，一類是熱變形模具，另一類是壓鑄模具，故對(duì)其制作材料性能要求較高。熱作模具鋼應(yīng)該具備良好的高溫力學(xué)性能，即高的強(qiáng)度、韌性和足夠耐磨性；良好的耐熱疲勞性和導(dǎo)熱性，即避免高溫下模型型腔表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋等現(xiàn)象；還應(yīng)具有良好的淬透性，即使得模具整個(gè)截面性能均勻。

1.2.4量具鋼

用于制造卡尺、千分尺、樣板、塞規(guī)、塊規(guī)、螺旋測(cè)微儀等各種測(cè)量工具的鋼被稱為量具鋼。量具在使用過程中始終與被測(cè)零件緊密接觸并作相對(duì)移動(dòng)，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(cè)量精度，還要有耐輕微沖擊、碰撞的能力，熱處理變形要小，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(jì)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(jī)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(shí)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(jìn)行分級(jí)淬火，降低淬火時(shí)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

高速鋼的鑄造組織很復(fù)雜，屬于萊氏體鋼。共晶碳化物呈現(xiàn)粗大的魚骨狀，只有通過鍛造將其擊碎，使其均勻分布。高速鋼鍛造后的硬度一般還很高，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(zhǔn)備。

高速鋼最終熱處理為高溫（1200～1285℃）淬火，再加上三次高溫（550～570℃）回火。在淬火前一般要經(jīng)過預(yù)熱處理，而且淬火介質(zhì)多用油，也可用鹽浴進(jìn)行馬氏體分級(jí)淬火，以減小變形。淬火目的是讓難溶合金碳化物很好地溶解到奧氏體中，淬火后的組織為馬氏體+為溶合金碳化物+殘余奧氏體等。三次回火目的是更好地達(dá)到減少殘留奧氏體含量，同時(shí)多次回火可以消除馬氏體轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在三次回火后，高速鋼會(huì)產(chǎn)生“二次硬化”現(xiàn)象，有助于提升鋼的硬度。如果淬火后預(yù)先進(jìn)行冷處理，那么采用一次回火也可達(dá)到熱處理的工藝效果。另外，高速工具鋼在淬火加回火后，根據(jù)需要還可以進(jìn)行氮化、硫氮共滲、氣相沉積等工藝，來提高其使用壽命。

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

鍛造后進(jìn)行球化退火，加工成工模具后進(jìn)行淬火，淬火冷卻介質(zhì)一般用油或鹽浴進(jìn)行馬氏體分級(jí)淬火或貝氏體等溫淬火，淬火后再進(jìn)行低溫回火。常用的Crl2型鋼的淬火十回火工藝，淬火溫度一般為1000℃，低溫回火后鋼的耐磨性和韌性較高。淬火后其顯微組織除馬氏體外，還有較多碳化物存在，其硬度與耐磨性比碳素工具鋼和低合金鋼要高。

2.3.2熱作模具鋼熱處理工藝

一般常采用淬火加中溫回火，以獲得均勻的回火索氏體或回火托氏體。如常見的熱作模具鋼5CrNiMo淬透性好，能在500℃保持高的強(qiáng)度和韌性，適合于制造大型鍛模。有些熱擠壓模、壓鑄模等，還采用氮化、碳氮共滲等化學(xué)熱處理來提高其耐磨性和使用壽命。有時(shí)也采用調(diào)質(zhì)處理來提高硬度，熱鍛模具工作部分硬度一般為33～47HRC，壓鑄模具通常為40～48HRC硬度水平。

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(jìn)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(cè)量標(biāo)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(jī)械制造行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)量塊，硬度值要求達(dá)到（62～65）HRC，淬火不直度小于0.05mm，長(zhǎng)期使用時(shí)尺寸應(yīng)保持高穩(wěn)定性。生產(chǎn)工藝路線：鍛造一球化退火一機(jī)加工一淬火一冷處理一回火一粗磨一低溫人工時(shí)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(zhǔn)備。其工藝為780～800℃加熱，在Ar1以下690～710℃長(zhǎng)時(shí)間等溫，硬度為（217～255）HBW。

機(jī)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(shí)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(shí)效處理則可以松弛殘余應(yīng)力和防止因馬（下轉(zhuǎn)第127頁(yè)）（上接第110頁(yè)）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(shí)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(jìn)一步穩(wěn)定尺寸。 [科]

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