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1、1.绪论工具钢（Tool steel），是用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。工具钢具有较高的硬度和在高温下能保持高硬度得红硬性，以及高的耐磨性和适当的韧性。工具钢一般分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。工具钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位。高速钢是由大量的W、Mo、Cr、Co、V等元素组成的高碳、高合金钢。它是适合切削的需要而发展起来的一类刃具钢。而本次设计的齿轮滚刀所用材料正是属于高速钢。高速钢的主要性能特点是具有很高的热硬性，钢在淬火并回火后的硬度一般高于63HRC，高的可达68-70HRC，后者通常称为超硬型高速钢。一般高速钢
2、在高速切削时，刃口温度升高600左右，硬度仍保持在55 HRC以上。故高速钢能在较高温度下保持高速切削能力和耐磨性，同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧性。高速钢还具有很高的淬透性，中、小型刃具甚至在空气中冷却也能淬火。因此高速钢广泛用于制造尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种机加工刃具。1.1 引言 本设计中的齿轮滚刀是我国工业生产中一种重要的刀具，其形状较为复杂，在工作时，由于强烈摩擦作用，势必引起刀具刃部温度的升高，当切削速度达到一定量刃部温度能达到500-600，随着机械制造业的发展和制造工艺的成熟，切削加工速度的提高，刀具刃部的工作温度还可能增加。这就要求刀具材料不仅具
3、有一般刀具材料的所必需的硬度、强度、耐磨性和一定的韧性，还要求刀具在较高的温度下具有高硬度、强度和耐磨性（俗称红硬性或热硬性）。而碳素工具钢和低合金工具钢在200以下可以保持其工作性能，当工具受热超过250度时，硬度就显著下降，失去切削效能。高速钢经热处理以后，其热硬性好，以下通过对高速钢刀具材料的化学成分、性能及使用工作条件的阐述以及加工中对刀具材料的技术要求，经过严格的热处理工艺方法如：退火、淬火、和多次高温回火才能满足其技术要求和使用性能。1.2齿轮滚刀的材料及热处理工艺概况1.2.1 齿轮滚刀简介通过对中国齿轮刀具制造厂和主要用户企业（如变速箱制造厂）的考察可知，目前齿轮滚刀的使用方式
4、可分为传统的湿式切削工艺和干式切削工艺两大类。用于湿式切削的齿轮滚刀材料主要采用M35+TiN和M35+TiNC，其中 M35+TiN为主流材料，滚切速度通常为90110m/min。用于干式切削的齿轮滚刀材料主要为ASP60+TiAlN，其滚切速度为 160m/min。硬质合金滚刀主要用于干式切削，其滚切速度可达260m/min。根据滚切试验结果，ASP60+TiAlN滚刀用于干式切削的综合加工效能优于硬质合金滚刀。因此，在实际生产应用中ASP60+TiAlN滚刀的使用量远远大于硬质合金滚刀。随着数控滚齿技术和刀具涂层技术的快速发展，齿轮滚刀的结构设计也在不断变化，主要体现在以下方面：由于滚齿
5、速度的不断提高，正前角滚刀的切削性能优势已不明显，加上正前角滚刀的齿形较复杂，制造精度不易保证，因此正前角滚刀结构正逐渐被淘汰，而代之以零前角滚刀结构。目前除日本NACHI公司还少量生产正前角滚刀外，国外其它齿轮生产厂几乎已不生产正前角滚刀。滚刀头数的确定主要考虑滚齿加工效率的要求，滚刀的外径、长度、槽数等参数则需根据刀具寿命要求来确定。设计滚刀时，通常首先确定每个刀齿的切削长度，再按重磨一次需加工的工件数确定滚刀的有效切削齿数，最后确定滚刀的外径、长度、槽数等。近年来，由于滚齿机快进、快退速度的提高，小径滚刀进退刀耗时少的优势已不明显，因此滚刀直径的确定主要取决于齿轮结构和槽数的要求。为提高
6、加工效率，对于同一齿轮轴上需滚齿加工的不同齿轮，要求可在同一台机床上一次安装依次加工完成，这就要求一把滚刀上有多段不同规格的滚刀齿形，即将多把滚刀集成为一体。由于滚刀圆周齿数的增多，滚齿加工已可视为近似连续切削加工，加上滚刀重磨后重新涂层技术的应用， M35+TiN滚刀与ASP30+TiN滚刀相比其寿命差别已不是很大，但却具有成本较低的优势，因此M35+TiN滚刀的使用数量已在明显回升，这一趋势无论从滚刀制造厂还是齿轮生产厂均可得到证实。但对于圆周齿数较少的滚刀和重磨后不涂层的滚刀，ASP30+TiN滚刀与M35+TiN滚刀相比仍具有较明显的寿命优势。齿轮滚刀是按螺旋齿轮啮合原理加工直齿和斜齿
7、圆柱齿轮的一种刀具。它相当于一个齿数很少，螺旋角很大的斜齿轮其外貌呈蜗杆状。按照加工性质分为：精切滚刀，粗切滚刀，剃前滚刀，刮前滚刀，挤前滚刀，和磨前滚刀。按结构分为：整体滚刀，焊接式滚刀，装配式滚刀，齿轮材料的选择齿轮滚刀是一种高强度刀具，在高速切削的速度下，刀具刃部温度约为500-600，工作时主要承受着疲劳、摩擦等多种机械力的作用，使刀刃发生脆断、磨损、咬合、啃伤、软化等现象而失效。因此，齿轮滚刀作为切削刀具应具备高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳等能力。因此刀具材料选用高速钢W18Cr4V，工作硬度可达62HRC以上。在W18Cr4V钢中碳化物分布的均匀性较差，并易产生粗大角状碳化
8、物颗粒，钢的韧性和塑形也较差。该钢不适宜用来生产大断面钢材，也不宜进行冷轧或冷拔加工，因为粗大角状碳化物易在冷加工过程中使钢开裂产生微裂纹，从而使钢的性能变差。W18Cr4V钢可用于制造各种切削工具，例如车刀、刨刀、铣刀、铰刀、拉刀、滚刀、插齿刀、锯条、丝锥、板牙和钻头等，不适宜制造大截面和热塑性成形刀具。此外，W18Cr4V钢还用于制造高温轴承、模具和耐磨机零件等。1.2.2 齿轮滚刀用高速钢热处理质量控制高速钢W18Cr4V齿轮滚刀经球化退火、淬火及多次回火的热处理方法是成熟可行的热处理工艺。这里有两个关键的因素：一个是淬火加热温度，它是决定能否使高速钢刀具发挥应有性能和满足制造条件，经久
9、耐用的关键；另一个是淬火变形，零件尺寸、大小、形状复杂程度、要求精度等级、淬火后变形量都将影响加工质量。因此高速钢刀具热处理过程中就是围绕这两个关键环节采取措施 。通过了解高速钢刀具热处理的过程，在实践中采用正确的方式方法非常重要。淬火加热温度是一个外因通过工件的化学成分、内部组织这个内引起作用。因此，真正掌握高速钢刀具的称合组织转变规律对性能的影响，才能正确选择淬火加热温度、保温时间和冷却方式，以避免和减少变形，控制热处理质量，满足其技术要求，使刀具在使用中发挥最佳的效能。1.3 W18Cr4V钢的基本性质1.3.1钢的化学成分和力学性能表1 W18Cr4V钢的化学成分（）钢号WCCrVW1
10、8Cr4V17.5019.000.71.53.804.401.001.40SiMoMnP，S0.200.400.300.100.400.030表2 W18Cr4V钢刀具的基本力学性能硬度抗弯强度冲击韧度耐热性HRA（HRC）Kg/mm2KJ/m282-87(62-69)350-45098-490540-650表3 W18Cr4V钢的导热率温度/20200500700900/Wm-1K-127.2125.9625.9625.1225.12W18Cr4V钢的热导率比碳含量相同的铸钢低温时热导率小很多，高温时略小。1.3.2 合金元素的作用高速钢的特殊性能是有其化学成分所决定的（只有经过一定的热处理
11、才能体现出来）。a) 钨是造成高速钢热硬性的主要元素，是强碳化物形成元素如(FeW)6C为主，同时有部分钨溶入固溶体中。钢在淬火加热时，(FeW)6c等碳化物很难溶解，对晶粒的长大起阻碍作用。将钢加热到高温时，仍保持细小晶粒。因此可以采用较高的淬火温度以提高奥氏体的合金度，热处理后获得优良性能。未溶的碳化物具有极高的硬度，增加了钢的耐磨性。钨还强烈降低钢的导热系数，因此高速钢加热和冷却必须缓慢进行。b) 钒是造成高速钢热硬性主要元素之一。钒是强碳化物形成元素，形成稳定的VC，回火过程中VC的细小质点弥散析出造成钢的二次硬化。c) 铬是碳化物形成元素，钢中加入铬的重要作用是提高淬透性与韧性，能增
12、加钢的二次硬化效率和热硬性。铬还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。d) 钢的含碳量很重要。钢的二次硬化和热硬性等基本性能是碳与各碳化物形成元素，形成各种碳化物所造成的。钢的含碳量很重要的，当含碳量太低时，不能保证形成足够数量的复合碳，导致淬火后硬度、热硬性、耐磨性降低。当含碳量偏高时，碳化物数量增加，碳和合金元素的浓度增高，使钢的塑性降低，工艺性能、机械性能下降。e) 钴也能显著提高钢的红硬性及硬度。W18Cr4V钢的特性:、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，直接影响钢的性能及使用。、W18Cr4V钢中加入C
13、r元素，主要是提高钢的淬透性，固溶于基体强化基体组织，并改善钢的回火稳定性；同时形成Cr的碳化物作为钢中的强化相。、W18Cr4V钢中加入W、V元素主要是形成碳化物，作为钢中的强化相，提高钢的强度、硬芳与耐磨性；同时细化晶粒，改善钢的韧性。尤其是V元素细化晶粒作用较强。、W18Cr4V钢在奥氏体化时，W、V元素可随时其碳化物少量地固溶于奥氏体中，进一步提高钢的淬透性，同时冷却后存在于基体组织中，强化基体组织和提高钢的回火稳定性。、W18Cr4V钢中加入大量的C、W、Cr、V元素，会使MS线（马氏体相变开始点）下移，淬火后组织中存在大量的残余奥氏体，在经回火冷却时会转变成马氏体，即出现二次淬火现
14、象。而淬火组织中的马氏体因溶有大量的W、Cr、V元素，使其保持相当稳定。在270回火时才有碳化物相析出，至400，碳化物转变为Fe3C相并进行聚集，此时马氏体硬度下降。回火温度升至400以上，开始生成特殊碳化物，400至500，主要析出铬的碳化物。500至600，部分Fe3C重新溶解而自回火马氏体中开始析出弥散度很高的碳化物W2C和VC，使硬度回升，即出现二次硬化现象。由于回火马氏体中溶有大量的W、Cr、V元素，使回火马氏体保持较高的硬度，而析出的碳化物聚集的速度较缓慢，因而会产生显著的红硬性。、W18Cr4V钢中加入W元素可以消除钢的回火脆性。、W18Cr4V钢中存有少量的Si、Mn、Mo元
15、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的回火稳定性的作用。1.3.3 组织转变及淬透性W18Cr4V的铸态组织包括呈骨骼状的、碳化物片状与马氏体或屈氏体相间排列的莱氏体，以及黑色组织(偏析)和白色组织(马氏体和残余奥氏体)。高速钢的铸态组织和化学成分尤其不均匀，而且热处理也不能改变，因而必须进行压力加工，将粗大的共晶碳化物打碎，并使其均匀分布，然后再用以制造各种刃具。W18Cr4V钢热处理组织转变过程：等温球化退火后组织由原始的片状珠光体和渗碳体转变为以片状珠光体为基体上分布着均匀的颗粒状渗碳体及碳化物的组织，降低了硬度，同时为之后的淬火做好了组织准备。淬火加热时
16、钢中的一部分渗碳体及碳化物融入奥氏体中，在随后的快冷中，含有大量碳和合金元素的奥氏体转变为过饱和的亚稳定马氏体组织以及基体上均匀分布的一定量的碳化物颗粒。回火时钢中的马氏体、残余奥氏体和碳化物都将发生变化，一是淬火马氏体转变为回火马氏体；二是残余奥氏体在回火冷却时转变为淬火马氏体。回火过程中，钒和钨的合金碳化物析出，使钒、钨、铬的含量降低析出，以及细小的粒度弥散分布在马氏体基体上，使其硬度升高，造成二次硬化。淬透性：钢的淬透性主要决定于临界冷却速度的大小，即决定于等温转变曲线“鼻尖”位置，钢的成分、组织等影响等温转变曲线“鼻尖”位置的材料因素都对淬透性有影响。W18Cr4V中含碳量较高，合金元
17、素含量也很大，其中Cr元素对钢的淬透性有较大的提高，使钢的等温转变曲线右移，使过冷奥氏体稳定性增大，从而增大钢的淬透性，甚至在空冷时都可淬火，因此W18Cr4V钢的淬透性很好，淬火时可以用油来冷却，以降低转变应力和热应力,减小变形开裂的倾向。2. W18Cr4V齿轮滚刀生产工艺路线及分析2.1 相变点的确定 Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图高速钢属于高合金莱氏体钢，其相图较复杂。由上示Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图，并查找资料，可确定W18Cr4V的相变点：项目Ac1Ac3Ar1Ms温度/8208607602102.2 加工工艺路线以及工艺分析高速钢的热处理工艺较为复杂，
18、必须经过退火、淬火、多次回火等一系列过程。滚刀齿轮的热处理工艺简介：加工路线：原材料锻造热处理（退火）机械加工热处理（淬火、回火）精加工（磨削）工艺分析：1) 高速钢的锻造，其目的不仅仅是改变钢材的形状和尺寸，更重要的是通过反复的镦粗拔长，打碎碳化物。改善碳化物不均匀性使钢的化学成分更加均匀。锻造中的主要缺陷是裂纹，除材料因素外，停锻温度过低、冷速 快，加热不足和加热不均匀都能引起开裂。当停锻温度过高（大于1000左右）会造成晶粒过分长大，及易引起裂纹。2) 高速钢的退火的目的是降低硬度，便于切削加工，消除锻造的应力（内、外应力）并为随后的机械加工、淬火做好组织准备。加热温度选择在860880
19、，以得到细小的奥氏体晶粒，后在740750保温使碳化物球化。3) 高速钢刀具所要求的硬度、强度、热硬度和耐磨性是通过正确的淬火获得的，所以淬火工艺决定刀具的使用性能和寿命，是热处理的关键。高速钢淬火温度的选择依据：奥氏体晶粒度控制在911级；细小碳化物尽可能多的溶解。一般不选择过热温度淬火，因为它会使钢的韧性急剧下降，因此奥氏体化温度选择在1280，此温度下奥氏体晶粒会保持细小，淬火后形成隐针马氏体。4) 淬火后的回火工艺决定刀具的使用性能和寿命，是热处理的关键。淬火以后的高速钢回火时能产生明显的二次硬化现象，对钢的硬度、热硬性有直接的影响。对W18Cr4V钢的高含碳量和高合金元素，需要进行三
20、次高温回火，回火温度选择在560，以达到最高硬度和最稳定状态。 热处理工艺参数的制定高速钢属于高合金莱氏体钢，其相图较复杂。由Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图，并查找资料，可确定W18Cr4V的相变点：表4 W18Cr4V钢相变点相变点Ac1Ac3Ar1Ms温度/820860760190根据时间计算公式=aKD 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，将工艺参数制表如下：表5 热处理工艺参数表工艺温度/时间/saKD加热加热+保温球化退火加热8608804h保温7407506h一次预热5006000.41
21、.3257801560二次预热8008500.351.325682.51365奥氏体化1280.0.181.325351351三次回火550570每次1h注：球化退火，一级预热，二级预热、奥氏体化加热和回火均采用到炉加热，加热时先在炉口预热，后放入炉中加热。根据热处理工艺参数绘制其工艺曲线图如下：图1 W18Cr4V钢齿轮滚刀热处理工艺曲线图2.3 W18Cr4V钢的锻造工艺高速钢加热时很容易发生过烧，接近此温度范围的锻造很容易出现碎裂，应严格控制其加热温度。1) 锻造温度范围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1100 1150C，终锻温度为900 9
22、50C。2) 加热时间的确定W18Cr4 V 钢的导热性差，一般需分段加热。低温段加热温度为800 900C，加热时间一般按1mi n/ mm计算。高温时快速加热，加热时间一般按0. 5mi n/ mm计算。加热时，为了防止过热或过烧，要严格控制上限温度。同时，炉内的坯料要装炉适量，还要不停地翻转，以使其内外温度均匀。3) 锻造比钢锭在锻造过程中，其锻造比都在8 以上，因而锻造比选在5 7 之间即可。4) 加热火次的确定W18Cr4 V 钢的加热火次由镦拔次数、设备能量以及操作工人的熟练程度来确定。根据我们多年来的生产实践和对锻件的技术要求，前三火为三镦三拔，或前四火为四镦四拔，最后一火修整成
23、形。火次不宜太多，在可能的情况下，应尽量减少火次，以免因锻造抗力过大而开裂。 当坯料加热到工艺要求的温度后，即开始锻造。锻造前，锤砧应预热到100 200C，同时还要根据坯料横截面尺寸的大小，以及对零件的技术要求，采用最为合适的锻造工艺，即轴向反复镦粗拔长法、径向“十字”锻造法和三向镦拔锻造法。操作过程中应严格执行“两轻一重” 的锻造方法,即当在高温段1100 1150C 时要轻击，以防止开裂；当锻造温度在1000 1050C 时要重击，以保证能打碎碳化物； 当锻坯温度低于1000C 时要轻击，以防内裂纹出现； 当锻坯温度降至900 950C 时停锻。为避免锻造时出现裂纹，镦粗阶段锤击不易太重
24、,必要时可先将端部“铆锻” 后再镦粗，镦粗后立即拔长。拔长时，送进量要控制在锻件高度的0. 6 0. 8 倍的范围内。送进量过小锻不透，过大则会产生“十字”裂纹。镦粗时要避免单面变形或发生歪斜。拔长时翻转毛坯要均匀，拔圆时要先倒角，不要在同一地方多次锤击。当发现坯料出现细小的裂纹时，应及时加以铲除后再锻。锻后冷却及退火 (1) 锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中严埋缓冷，不可有外露部分。锻件埋入前，白灰或干砂的温度以100 200C 为宜。小锻件锻后，可在炉内保温后随炉冷至50C 出炉空冷。(2) 锻件冷却后应立即进行退火，退火的目的不仅是为了消除内应力、降低硬度以利于切削加工，同时也是为了以
25、后的淬火准备较好的原始显微组织。2.4 预备热处理工艺2.4.1 等温球化退火高速钢（齿轮滚刀）的退火高速钢的退火的目的是降低硬度，便于切削加工，消除锻造的应力（内、外应力）,同时也使碳化物形成均匀分布的颗粒，为随后的机械加工、淬火做好组织准备。退火工艺分为两种，即普通退火和等温球化退火。普通退火工艺：将工件加热至860880，保温24小时,后以20每小时的冷却速度冷却至500出炉空冷。等温球化退火工艺：将工件加热至860880，保温4小时，速冷至740750（冷至C曲线的拐弯处）保温6小时，使奥氏体等温分解，随炉冷至500550出炉空冷。 本工艺采取等温球化退火，退火曲线图如下所示：8006
26、00400200温度（）时间（h）870 880740 750 炉冷500 550出炉空冷4h6h图2 W18Cr4V齿轮滚刀球化退火工艺曲线加热设备 通常毛坯件的退火在箱式电炉中进行。经历了高温880和长时间的加热过程中，势必造成工件的氧化脱碳，为了避免工件的氧化脱碳，对一些表面光洁要求较高的刀具坯料的退火处理，选择在可控气氛炉中进行。如井式气体炉火真空炉。实践中在井式炉中温度大于600滴入煤油或甲醇进行气体保护。使工件在加热过程中不增碳也不氧化脱碳，保证工件基本的光洁度和有效尺寸。 退火后的硬度采用布氏硬度计检测，为HB 207255。其显微组织为细小的合金碳化物均匀的分布在索氏体基体上。
27、图3 W18Cr4V钢退火金相组织2.5 整体淬火工艺高速钢刀具所要求的硬度、强度和耐磨性是通过正确的淬火后获得的，所以淬火工艺正确合理是刀具的使用性能和寿命的关键。淬火工艺： 一次预热500600，二次预热800850，加热12501280，保温，油冷。 一次预热500600，二次预热800850，加热12501280，保温，550580硝盐浴分级510min，出浴空冷。 一次预热500650，二次预热800850，加热12001240，550580硝盐浴分级510min，出浴空冷。淬火工艺操作分析：高速钢齿轮滚刀的淬火工艺包括预热（温度、时间）加热保温（温 度、时间）淬火冷却三部分组成。本
28、次工艺采用第一种淬火工艺。淬火预热：高速钢预热的目的主要是减少温差和有温差造成的应力，减少变形、防止开裂，其次是为了防止脱碳和提高生产效率。高速钢含有大量的合金元素导热性差，塑性较低。如果直接将工件由室温加热至1200以上，将产生很大的应力，加热时易引起变形开裂。冷却时这种由加热过急造成的应力也增加变形开裂的倾向。为了减少热应力，实践中采用分级予热，即工艺中的500600、800850两次预热，时间分别为25min、20min，500600预热、保温后升直800850度预热，通过预热缩短了高温加热时间，有利于防止工件的氧化脱碳。500600在箱式炉中，一般工件预热48-60秒/毫米，80085
29、0在盐浴炉中，一般取15-18秒/毫米。淬火加热、保温工件经800850在中温盐浴炉中预热后，转入高温盐炉1280中加热，加热系数为15-18秒/毫米。淬火加热温度不高于Accm线，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。未溶的V、W元素的碳化物及共晶碳化物细化了晶粒，保持强韧性，同时提高硬度与耐磨性，根据其有效厚度，在高温盐炉的保温时间为5min。此时齿轮滚刀的内部组织碳和合金元素以最大限度的溶入奥氏体中，同时又不使奥使体晶粒过分长大，为淬火冷却后满足技术要求创造了便利条件。预热500600预热8008501280温度 时间min分级
30、淬火油淬空冷空冷550580盐浴图4 W18Cr4V齿轮滚刀淬火工艺曲线图淬火冷却淬火冷却的目的是获得必要的组织和性能，但变形和开裂也往往在冷却时发生。实践证明根据工件的形状尺寸和技术要求选择正确的淬火方式至关重要。根据工艺齿轮滚刀的冷却采用油，将加热保温后的工件，直接淬入机油中，淬火后得到64HRC，组织是M+碳化物+残留奥氏体。图5 W18Cr4V钢淬火金相组织2.6回火工艺2.6.1淬火以后的高速钢回火时能产生明显的二次硬化现象，对钢的硬度、热硬性有直接的影响。回火工艺： 齿轮滚刀的回火工艺在井式回火炉中操作。经过三次高温回火后，不仅消除应力，提高强度、塑性，而且提高了硬度，产生了二次硬
31、化现 象。高速钢的热硬性也是在回火过程中获得的，这两点是高速钢回火得显著特点。回火时组织转变性能影响回火时钢中的马氏体、残余奥氏体和碳化物都将发生变化，每次回火可消除前次回火时产生的内应力，W18Cr4V钢淬火加三次回火后组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。随回火温度提高，钢的硬度开始呈下降趋势，大于300后，硬度反而随温度升高而提高，在570左右达到最高值。这是因为温度升高，马氏体中析出了细小弥散的特殊碳化物W2C、VC等，造成了第二相的弥散强化效应。由于部分碳及合金元素从残余奥氏体中析出，M点升高，钢在回火冷时发生了“二次淬火”使硬度升高。二次硬化还与回火后冷却过程中残留奥氏体转变为
32、二次马氏体有关，有低硬度的残留奥氏体转变为高硬度的二次马氏体，也是造成硬度升高的原因。高速钢回火时所得到的高硬度，在以后的切削过程中既使切削部位升到600左右仍保持高的硬度是因为：1）以VC型为主的钒和钨碳化物，既弥散析出造成二次硬化，又具有较好的稳定性，难以发生聚集。2）析出碳化物后的马氏体中，尚有相当高的钨，使马氏体难以继续分解。由于这两方面的原因保证了高速钢的热硬性。温度时间min55057055057055057060min60min60min空冷空冷空冷图7 W18Cr4V齿轮滚刀回火工艺曲线回火工艺分析在回火工艺中，回火温度为56010，保温1小时回火次数三次。为什么要回火三次呢？
33、这是因为高速钢淬火后大部分转变为马氏体，残留奥氏体量是2025%甚至更高。第一次回火后，又有15%左右的残留奥氏体转变为马氏体。还有10%左右的残留奥氏体，15%左右新转变未经回火的马氏体，还会产生新的应力，对性能还有一定的影响。为此，要进行二次回火，这时又有56%的残留奥氏体转变为马氏体，同样原因为了使剩余的残留奥氏体发生转变，和使淬火马氏体转变为回火马氏体并消除应力，需进行第三次回火。经过三次回火残留奥氏体约剩13%左右。W18Cr4V钢制齿轮滚刀经回火后得到：回火马氏体（含钨钒的合金马氏体），细小碳化物颗粒和少量残留奥氏体，硬度为HRC65。显微组织为暗黑色的马氏体分布白亮的碳化物颗粒。
34、图6 W18Cr4V钢回火金相组织工艺情况：淬火后560回火三次浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：正常的淬火组织2.7 整体强化后钢的组织与性能W18Cr4V齿轮滚刀经淬火后的组织为M十碳化物十残余A(多达30%)在550一570三次高温回火后，最终得回火组织M十碳化物十极少量残余A。淬火加回火后的硬度采用洛氏硬度计检测，为HRC6567，其硬度、耐磨性及红硬性等性能指标符合技术要求。2.8 热处理变形原因及影响因素淬火是将钢件加热到临界温度以上,保温适当的时间,然后以大于临界冷却速度冷却,获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺,它是强化钢材的最重要的热处理方法。各类刀具、刃具、量具等都离不
35、开淬火处理。需要淬火的工件,经过加热后,便放到一定的淬火介质中快速冷却。但冷却过快，工件的体积收缩及组织转变都很剧烈，从而不可避免地引起很大的内应力，容易造成工件变形及开裂。由于淬火变形影响因素非常复杂，导致变形控制十分棘手。而采用校直办法纠正变形或通过加大磨削加工余量，都会增加成本，因此研究钢件淬火热处理变形的影响因素，提出防止变形的措施是提高产品质量、延长零部件使用寿命、提高经济效益的重要课题。刀具热处理变形原因分析1.热应力引起的变形钢件在加热和冷却过程中,将发生热胀冷缩的体积变化以及因组织转变时新旧相比容差而产生的体积改变。零件加热到淬火温度时,屈服强度明显降低,塑性则大大提高。当应力
36、超过屈服强度时,就会产生塑性变形,如果造成应力集中，并超过了材料的强度极限,就会使零件淬裂。导热性很差的高速钢W18Cr4V工具钢，淬火加热温度很高，如不采用多次预热和缓慢加热,不但会造成零件变形,而且会导致零件开裂而报废。此外,锻件毛坯,如果表层存在着一层脱碳层,由于表层和心部导热性能不同,在淬火加热较快时,也会产生热应力而引起变形。冷却时由于温差大,热应力是造成零件变形的主要原因。 2.组织应力引起的变形体积的变化往往与加热和冷却有关,因为它和钢的膨胀系数相关。比容的变化导致零件尺寸和形状的变化。组织应力的产生起源于体积的收缩和膨胀，没有体积的膨胀,就没有组织转变的不等时性,也就没有组织应
37、力引起的变形，导致热处理变形的内应力是热应力和组织应力共同作用形成的复合应力，热应力和组织应力综合作用的结果是不定的,可能因冷却条件及淬火温度的不同而产生不同情况，淬火应力是由急冷急热应力及由组织转变不同时所引起的应力综合构成的。影响淬火热处理变形的主要因素在实际生产中，影响W18Cr4V钢齿轮滚刀淬火热处理变形的因素有很多,其中主要包括其原始组织、含碳量、尺寸和形状、淬火介质的选择、淬火工艺、钢的淬透性等。1.钢中的含碳量对刀具淬火热处理变形的影响形成显微裂纹敏感度随马氏体中碳含量增高增大。当钢中碳含量大于1.4%时，形成显微裂纹敏感度反而减小。因为钢中碳含量大于1.4%时马氏体的形态改变了
38、，片变得厚而短，马氏体片之间的夹角变小，撞击机会和应力都有所减小。因此，高碳钢过热淬火容易开裂，是因为奥氏体晶粒粗大和马氏体碳含量过高而引起形成显微裂纹敏感度增大的缘故。为防止变形和开裂，W18Cr4V钢通常采用不完全淬火获得隐晶马氏体，不易产生显微裂纹。2.钢的淬透性对淬火热处理变形的影响钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特征。它是反映钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的难易程度。钢的淬透性与钢的临界冷却速度有密切的关系，临界冷却速度越底，钢的淬透性越好，降低临界冷却速度的主要因素是钢的化学成分，W18Cr4V钢的淬透性很好，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质比如油或盐浴
39、，减少工件淬火的变形及开裂倾向。3.钢的原始组织对零件淬火变形的影响淬火前的组织状态对刀具的淬火质量有很大影响，W18Cr4V钢在锻造加工以后，必须进行球化退火，将片状珠光体变为球状珠光体，在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件的变形和开裂倾向小。另外偏析现象和网状组织,对淬火后刀具的变形影响很大。材料的本质晶粒度越细,屈服强度越高,对变形的抗力越大,工件淬火后的变形量就相应减小。4.淬火介质对刀具淬火热处理变形的影响根据W18Cr4V钢的等温转变图可知，为了抑制非马氏体转变的产生，在c曲线“鼻子”附近需要快冷，而在650以上或400以下温度范围，并不需要快冷，特别在Ms线附近发生马氏体
40、转变时需要缓慢冷却，为使马氏体转变时产生的热应力和组织应力最小，以防止淬火变形和开裂。一般情况下碳钢常采用淬火烈度大的水或水溶液作为淬火介质；而合金钢一般用油作为淬火介质。因此，选择淬火介质的正确原则是，在保证淬硬的前提下，尽量选择淬火烈度小的淬火介质，以减小淬火变形及开裂。5.刀具的几何形状对零件淬火变形的影响从热处理工艺角度出发，刀具设计最好采用对称结构，尽量避免尖角，要求截面过渡均匀。必要时可开工艺用槽。形状较复杂的尖角处，由于应力集中，更容易产生淬火裂纹。因此，必须合理选择材料，避免淬火裂纹产生。6.淬火方法对刀具淬火变形的影响为了使淬火时最大限度地减少变形和避免开裂，除了正确地进行加
41、热及合理选择淬火介质外，还应根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法，避免淬火在马氏体转变区域进行快速冷却而产生畸变过大和开裂的问题。总之，淬火热处理变形的影响因素是十分复杂的问题，在制定淬火热处理工艺时，应充分考虑工件的形状、钢中的碳含量，根据工件所要求的力学性能，合理选择淬火方法及冷却介质，防止变形及开裂，提高产品质量。设计总结作为大学生，毕业设计是我们大学学习生活的最后一个环节，也是对所学各种知识的一种综合应用，是一种综合的再学习，再提高和巩固复习的过程。这一过程对我们的学习、独立思考和以后工作能力是一个很好的培养。同时毕业设计的水平也反应了我们在大学所学的各种知识，因此学
42、院非常重视毕业设计工作的指导和动员教育。在大学的学习过程当中，毕业设计是一个很重要的一个环节，对我们的自学和解决问题的能力的一次考验。是学校生活与社会生活之间的一个过渡。在完成毕业设计的时候我尽量的把所学的知识用于当中，同时把毕业设计和实际的工作有机的结合起来，实践与理论相结合这样有利于自己能力的提高，社会是在不断的变化和发展的，眼下社会变革迅速对人才的要求的越来越高，目前中国的职业市场正处于倒金字塔，高技术的技术工人更是缺乏。国家大力提倡培养高技术一线工人。所以我们更应以发张眼光看问题，要学会学习，学会创新，适应社会发展的要求。走出校园迈向社会，把握好今天，才能创造未来。老师的熏陶和教诲使我
43、懂得更多的处世为人的道理有了一定的创新精神和钻研精神。在完成毕业设计的这段时间里，我收获颇多！本设计为W18Cr4V钢制齿轮滚刀的热处理工艺要求说明，本文的设计概括了合金钢的一般处理工序，也使我巩固热处理的正火、退火、淬火、回火四把火的基本应用和特性。参阅大量的资料文献，同时丰富了我对热处理的知识和进一步理解。从宏观到微观材料、从材料外形到分子结构和晶格的变化所包含的奥秘。及其热处理的炉子的选用和一些注意事项，这些都使我对热处理的认识进一步加强。对于本文我主要学到很多知识，主要有以下两点：一、通过参考大量相关的资料文献，详细了解了W18Cr4V钢的基本性能，化学成分，力学性能和热处理时每个阶段
44、应该注意的事项。弹性极限、疲劳极限等的变化和缺陷组织的变化。二通过和同学的交流和辩论，更加明白本文的设计要求流程和总体规划及布局。致谢本文是在XXX老师精心指导和大力支持下完成的。陈海英老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于材料热处理方面的知识。 另外，我还要感谢同学们对我论文写作的指导，他们为我完成这篇论文提供了巨大的帮助，使我得以顺利完成论文，在此我也衷心的感谢他们。 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢在
45、论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师XXX老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，XXX老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陈海英老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审老师表示衷心地感谢。参 考 文 献1黄毅宏，模具制造工艺：机械工业出版社。2赵权、虞传宝，模具材料和热处理方法的选择：浙江科学技术出版。3 中国机械
46、工程学会热处理专业学会编，热处理手册(第3版)：机械工业出版社。4葛春霖，机械工程材料及材料成形技术实验指导书：冶金工业出版社。5沈莲，机械工程材料：机械工业出版社。6 陈瑞阳、毛智勇，机械工程检测技术（第三版）：高等教育出版社，2000年。7 丁德全，金属工艺学：北京机械工业出版社，2001年。8 夏立芳，金属热处理工艺学：哈尔滨工业大学出版社，2008。9 赵品、谢辅州、孙振国、催占全、宋润滨，材料科学基础教程（第三版）：哈尔滨工业大学出版社，2009年。10刘瑞堂，机械零件失效分析：哈尔滨工业大学出版社，2003年。11 孙茂才，金属力学性能：哈尔滨工业大学出版社，2003年。12 高朝祥，金属材料及热处理：北京化学工业出版社，2007年。13 刘力，王冰，机械制图（第二版）：高等教育出版社，2004年。 14 王强，热处理设备（第一版）：高等教育出版社， 2010年。15 丁仁亮、赵忠，金属材料及热处理（第三版）：机械工业出版社，2000年。
