《装备制造技术｝２０１２年第３期 高速钢的热处理工艺探析 曾凡娇，杨灿 （河南农业职业学院机电工程系，河南郑州４５１４５０） 摘要：对高速钢的化学成分、组织结构和热处理工艺进行了分析，提出了Ｗｌ８Ｃｒ４Ｖ钢合理的热处理工艺，用该工艺 生产的刃具及冷作模具，综合力学性能好，使用寿命长，切削时获得的零件表面品质高。 关键词：热处理。淬火，回火 中图分类号：ＴＧ１６１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５４５，Ｘ（２０１２）０３—０１３５－０２ 高速钢又名风钢、锋钢，其硬度高，工艺性和强 量关系（２：１）。但是，同时增加碳和钒，会使韧性降 韧性配合好，因此可大量用于制造形状复杂的切削 低，使锻造性能恶化。 刀具、高温轴承和冷成型模具等。研究证明，刃具和 （４）Ｃｒ。高速钢淬火加热时，铬几乎全部溶入奥 模具的寿命，主要取决于热处理工艺的好坏。因此， 氏体，增加其稳定性，从而显著提高钢的淬透性和回 分析高速钢的特点及性能，研究其热处理工艺，对在 火稳定性。铬对高速钢的抗腐蚀和抗氧化脱碳能力， 生产实践中提高模具和刀具的机械性能、延长使用 也有一定提高。 寿命，具有重要的现实意义。 （５）Ｍｏ。钼造成二次硬化，提高高速钢的红硬性 和淬透性。 １ 成分和组织结构分析 １．２组织结构 高速钢属莱氏体钢，其铸态组织中有大量的粗 １．１化学成分 大鱼骨状碳化物，此碳化物硬而脆，分布很不均匀， 高速钢成分复杂，ｃ的含量为０．７％一１．６％，合金 显著降低钢的力学性能，特别是塑韧性，几乎为零。 元素Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、钴等，总量达１０％一２５％，这些元 尤其在碳化物富集处，刀具极易崩刃和折断。这种组 素都影响着高速钢的性能。 织，用热处理的方法不能根除，只能借助于反复的压 力热加工，一般选择轧制与锻造，将碳化物打碎，使 （１）Ｃ。碳在淬火加热时，溶人高速钢基体，提高 之均匀分布在基体中。 钢的淬透性和硬度。高的含碳量，一方面形成足够的 碳化物，另一方面溶于奥氏体，从而保证淬火后获得 ２热处理工艺 高碳马氏体，进而保证钢的硬度、耐磨性和热硬性。 但碳的含量不能过高，否则会增加碳化物的不均匀 热处理是高速钢工模具制作的重要技术工艺， 性，导致钢的工艺性和塑韧性降低。 其保证和提高了高速钢工模具的各项性能，也改善 （２）ｗ。钨一部分和碳形成合金碳化物，使高速 了毛坯的组织结构和应力状态，可以更好地进行加 钢有更好的耐磨性，一部分固溶于基体，提高钢的抗 工。高速钢的热处理工艺较复杂，必须经过退火、淬 回火稳定性和红硬性。钨在高温状态下，能防止晶粒 火、回火等一系列过程。 长大。 Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ是我国历史最早、应用最广、产量最高 （３）Ｖ。钒提高钢的红硬性和耐磨性，形成的碳 的高速钢，其通用性强，一般刀具的使用性能要求都 化物极其稳定，加热到高温也不易固溶，故能防止晶 能满足。本文以ｌ８—４—１钢为例，分析其热处理工艺 粒长大，由于钒和碳的结合力很强，因此淬火加热 特点。 时，钒强烈影响碳固溶于基体中的量。由此可见，要 ２．１退火工艺 得到适当的淬火回火硬度，必需使碳与钒有一定的 为消除坯料在锻造时产生的内应力，降低硬度， 收稿日期：２０１１－１２—２４ 作者简介：曾凡娇（１９８４一），湖北人，助教，硕士在读，研究方向为机械设计及制造。 １３５ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．３，２０１２ 细化晶粒，为切削加工和淬火作组织准备，高速钢锻 后必须及时退火。Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ退火后，组织为索氏体和 碳化物，硬度２０７—２５５ ＨＢＳ。 ．退火工艺不当，可导致奥氏体晶粒粗大，组织得 不到改善，其强度、韧性低，易引起晶粒异常长大及 奈状断口的形成，对最终的热处理变形不利。生产 中，我们常采用等温退火。 ２．２淬火工艺 ＾ｊ 量 越 ．－＿ 、 １ｂ ＼ ／ 、 ＇一一ｒ 回火温度（℃） 高速钢刃具的热硬性，主要取决于马氏体中合 金元素的质量分数，只有正确的淬火回火，才能获得 图１ １８—４—１钢硬度与回火温度的关系 高速钢淬火后，Ａ 达３０％，在回火过程中很难 高的热硬性。淬火加热温度愈高，合金碳化物分解愈 多，溶人奥氏体中的合金量愈多，淬火后马氏体中合 金的含量就愈多，从而钢的热硬性愈高。 高速钢工具淬火时，通常要经过５００—６００ｏＣ与 ８００—８５０ｃＣ两次预热。小型工具可省去第一次预热， 形状复杂的大型工具，可再加第三次１ ０５０—１ １００＇ｔ２ 预热。预热如快速加热，则工具内外温差大，为防止 热应力造成开裂和变形，要进行热透均匀的加热。 Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢淬火加热温度为１ ２７０—１ ２８５℃。 温度过高，合金碳化物溶解过多，阻碍晶粒长大因素 减少，因此奥氏体晶粒粗大，剩余碳化物聚集，使钢 的性能变坏。 淬火加热设备，决定于所处理零件的类型和数 量。从防止脱碳及温度调节等方面考虑，一般使用盐 浴炉。盐浴老化，会引起氧化和脱碳，所以要用硅铁、 碳化硅、石墨等进行脱氧，沉渣要经常捞出，操作完 后，将盐取出，并将其中老化变色的部分去掉。 淬火加热时间，取决于许多因素，如工具的大小 和形状、加热介质、炉子大小和生产能力以及预热和 淬火温度等。一般凭经验确定，以保证碳化物在相当 温度下，达最大溶解量而不使工具的任何部分有晶 粒过分长大的现象。 高速钢刃具常用油淬空冷的双介质淬火法，或马 氏体分级淬火法。淬火后组织由马氏体、残余奥氏体 （２０％～２５％）和粒状碳化物组成，硬度约６０ ＨＲＣ。 ２．３回火工艺 高速钢在回火后，有很高的硬度、强度和韧性， 因而其切削性能得到发挥。 高速钢的回火有“一高一多”，即回火温度高，回火 次数多。随着回火温度的升高，回火后硬度发生变化， 如图１。由图可知，在５６０℃回火，硬度最大（６５ ＨＲＣ）， 此时从马氏体中析出钨、钒的碳化物，其高度弥散分 布，产生二次硬化，同时残余奥氏体也转换为马氏体， 使硬度进一步提高。 １３６ 一次消除，一般采用３次回火，每次１ ｈ，以使大部分 Ａ 转变成马氏体。 高速钢正常淬火、回火后，网状组织被打破，由 及其细小的回火马氏体＋较多的粒状碳化物及少量 残留奥氏体组成。硬度为６３—６６ ＨＲＣ。这种组织综 合机械性能好，强度高，塑韧性好。 Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢淬火、回火工艺曲线如图２。 要 警 一次回火 二次回火 三次回火 时间ｌ（ｒａｉｎ） 图２ １８—４＿１钢的热处理工艺曲线 ３ 结束语 对大多数工具而言，淬火加热温度越高，其品质 越高。加热时增加碳化物的溶解，可保证工具的高硬 度，但降低其韧性。淬火时采用盐炉加热，可获得品 质良好的表面。 回火不充分，往往产生开裂，因此要选用适当的 回火温度，保证足够时间的回火。研究证明，强度与 塑韧性适当配合的回火温度，接近于得到最大硬度 的温度，１８—４—１钢的回火温度为５６０ｏＣ。 参考文献： ［１］孙广锡，陈友来，钱崇越．金属材料及热处理［Ｍ】．西安：西北 大学出版社，１９９５． 【２］（英）Ｓ Ｇ考普．高速钢的热处理（第１版）【Ｍ］．北京：冶金工 业出版社， ９ （－Ｆ￣ｇ １４４页） Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．３，２０１２ 首先进行蜗轮轴部件的装配。 新建一个装配文档，用【插入零部件】，选中“蜗 ３结束语 轮轴．ｐａｒｔ”，第一个插入的零件是固定装配。继续插入 基于Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ软件的蜗轮蜗杆减速器三维模 零件“键”，选配合按钮，拾取键的下平面和蜗轮轴的 型设计以及运动仿真，能够使工程技术人员更加直 大键槽的底平面，点击确定。 同时缩短了设计周期，提高了 继续拾取键的圆弧面与蜗轮轴键槽的圆弧面为 观地对产品进行评估，产品设计效率，这对促进制造业信息化以及其他设 “同轴心”，键侧面与蜗键槽的侧面为“平行”。在 都有一定的积极意义［５１。 蜗轮轴上装配键。蜗轮轴上部件上的配合都是基本 备的开发，的配合，不细述。继续添加蜗轮、调整片、锥齿轮、蜗 参考文献： 轮垫片、圆螺母、轴承，装配后结果如图４所示。 ［１贾爱莲，张世红．基于Ｓｏｌ１］ｉｄ Ｗｏｒｋｓ软件的减速器三维设计及 运动仿真叨．东华大学学报（自然科学版），２００６，（１０）：１０５—１０８． 【２］周凯旋，罗会信．基于Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ的Ｓｏｈｄ Ｗｏｒｋｓ二次开发【Ｊ］． 机械制造，２００５，（５）：４６－－４８． ［３］陈定芳，罗亚波．虚拟设计嗍．北京：机械工业出版社，２００２． ［４］沈琛林，陈定方．基于Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ的减速器设计及虚拟装配 们．湖北工业大学学报，２００７，（８）：５６—５８． 图４蜗轮轴总装 图５ 减速器装配体图 ［５］卢小平．面向虚拟装配的装配顺序规划研究【Ｊ】．系统仿真学 报，２００３，（１）：４４—４７． 其他零部件装配不再详述。完成子装配后，按照 从下到上的装配顺序完成总装配体（如图５）。 Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｏｒｍ Ｒｅｄｕｃｅｒ Ｇｅａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ ＬＩＵ Ｆｌ】 （Ｐａｎｊｉｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｐａｎｊｉｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １２４０１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｏｒＩｎ，ＷＯＩＴＵ ｇｅａｒ ｂｏｘ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ， ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｌｎ ｇｅａｒ ｒｅｄｕｃｅｒ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｍｏｔｏｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ， ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｌｎｎｉａｎｇ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｒｅｄｕｃｅｒ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＷＯ／Ｔａ ｇｅａｒ ｒｅｄｕｃｅｒ；Ｓｏｌｉｄ Ｗｏｒｋｓ；ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｎ ｇ（上接第１ ３６页） ［３】张文灼，赵振学．工程材料基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２Ｏ１０ ［５］朱正才．Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢的锻造与热处理【『】．锻压技术， ２００７，３２（２）：１７—１８． 【４】张至丰．机械工程材料及成形工艺基础【Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００７ 【６］朱春华，肖溪，刘春东．高速钢Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ的锻造及热处理 ［Ｊ］．河北建筑工程学报，２００８，２６（１）：５７－６１． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｓｔｅｅｌ ＺＥＮＧ Ｆａｎ－ｊｉａｏ，ＹＡＮＧ Ｃａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｎｄ ａＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５ １４５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓ ｈｅ ｔｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＷＩ８Ｃｒ４Ｖ ｓｔｅｅｌ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｍｏｌｄ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｌｏｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ，ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｏｂｔｍｎ ｈｉｇｈ ＳＵｌ￣ａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｈｅｎ ｃｕｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ １４４
