金属学及热处理

1、W18Gr4V圆板牙课程设计 圆板牙是一种螺纹刀具，工作部分是位于板牙内部的螺纹部分，刃口比较薄，加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥 。对圆板牙的热处理变形要求非常严格，一般选用淬火温度较低、变形较小的低合金刃具钢制造。为了提高圆板牙的综合机械性能，采用80年代末国内钢厂生产的低合金高性能高速钢新钢种一W4Mo3Cr4VSi，制成圆板牙，研究了热处理工艺对变形和性能的影响，获得了较佳的热处理工艺，为生产高速钢板牙奠定基础。目前,工具行业做板牙主要是W18Gr4V工具钢和CCr15轴承钢两种,但这种工具热处理工序很

2、关健,现大都采用盐浴炉淬火和在回火油中回火,放在网带炉上热处理的很少。板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙（见图 板牙的类型）。其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 M68毫米。当加工出的螺纹中径超出公差时 ，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用 。1、 设计任务圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑 板牙 孔，一般在螺孔的两端

3、磨有切削锥 。板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙（见图 板牙的类型）。其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 M68毫米。当加工出的螺纹中径超出公差时 ，可将板牙上的调节槽切开，以便调节螺纹的中径。板牙可装在板牙扳手中用手工加工螺纹，也可装在板牙架中在机床上使用。板牙加工出的螺纹精度较低，但由于结构简单、使用方便，在单件、小批生产和修配中板牙仍得到广泛应用 。 2012年12月2、 工件环境及服役条件分析受力状态：1 用圆片板牙加工螺纹时，呈半切削半挤压状态。板牙的内径和中径为切削部分，尤其是板牙内径要承受较大的切削力，因此必须具有一定的强度和切削能力2 尽可能减小

4、螺栓坯料的直径，即确保与螺栓大径有关的公差靠近下限，这样可把攻丝时产生的切削力降至最低。3 为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。载荷性质1 考虑到板牙切削出的螺钉与螺孔配合时应有一定的间隙，并考虑到磨损量，故设计板牙时，应使内径和中径小于螺纹内径、中径的标称尺寸2 螺纹的外径是通过切削时金属在板牙的挤压作用下塑性变形而得到。为了不使金属发生阻塞致使工件折断，板牙的外径不应参加工作，它与被切削之间要留有间隙3 先在螺栓坯料的端部加工出 45 度的倒角，以防止在板牙的导向刃上产生突然加载现象 2012年12月4 确保圆板牙或六角

5、板牙垂直地切入螺栓坯料。 5 圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。6 工具的越高，耐磨性就越好，刀尖要承受挤压应力和弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此工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度。工作场（如温度场、电磁场等）1 作为刃具，硬度要求60-63HRC，则必须具有较高的淬透性，并保证圆板牙内部刃口部位淬硬2 环境介质螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，因此材料在热处理过程中要保证变形很小；环境介质1 采用正确的冷却液，并把足量的冷却液对准切削加工区域2 由于刃口较薄且在内部，所以要求该材料组织中碳化物细小均匀，以保证在工作时刃口

6、不崩刃、耐磨性好，寿命长截面急剧变化的工件3 淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡4 工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。四、失效分析及性能要求 2012年12月 （1） 疲劳断裂的分析：疲劳断裂是机械零件在循环应力作用下，将会出现的疲劳断裂。切削工具由于承受较大的冲击力或因工具本身的脆性较大有时会产生整体断裂或破碎现象，如钻头的扭断、折断、拉刀的拉断，锯条的折断等。工具的断裂，破碎与工具本身的韧性不足有关，但这种失效不完全是由于韧性不足引起的。如拉刀的断裂就是由于强度不足或有内裂纹引起的。所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断

7、裂失效的50%90%时，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变力作用下形成微裂纹，随着循环数增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。针对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。 （2） 磨损失效的分析：磨损是在正常使用情况下，切削工具最常见的失效形式。磨损是相互接触的零件间存在滑动时，接触表面会因发生摩擦损坏而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐发生的破坏形式。主要有磨粒磨损和黏着磨损。工具在产生严重磨损时会发出尖叫声或严重震动，甚至无法切削。磨损大都是由于工具与被加工工件或切屑之间的磨粒磨损之间造成的，有时也可能是由于工件表面

8、形成切屑瘤而形成的粘合磨损所造成的。磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸出的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。常见的磨粒磨损有：与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两个接触面间的沟槽。 黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生黏着、焊合现象，分离时黏合处撕开，从而将小块料撕去，造成表面损伤。 提高耐磨性，一是要材料有高硬度，若材料中存在耐磨硬颗粒，更有利。二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力，此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度，使机械零件保持清洁等，均有利于减少摩擦磨变形

9、失效的分析 变形失效主要有弹性和塑性变形失效。 弹性变形失效是零件过量弹性变形产生的失效。主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。引起弹性变形的原因零件刚度不够，除结构因素外，还取决与材料的弹性模量，因此，要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料来制作零件。 塑性变形失效是零件因过量塑性变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。 2012年12月（3） 零件产生塑性变形，是由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。在设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度材料。 钢对形成碳化物网比较敏感，这种网的存在，就使工具刃部有剥落的危险，从而使工具的使用寿命缩短，因此，有碳化物网的钢，必须根据其严重程

10、度进行锻压和正火。这种钢用来制造在工作时切削刃口不剧烈变热的工具和淬火时要求不变形的量具和刃具，例如制作刀、长丝锥、长铰刀、专用铣刀、板牙和其他类型的专用工具，以及切削软的非金属材料的刀具。 5、 初步选材板牙是加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。板牙相当于一个具有很高硬度的螺母，螺孔周围制有几个排屑孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥 。板牙按外形和用途分为圆板牙、方板牙、六角板牙和管形板牙。其中以圆板牙应用最广，规格范围为M 0 .25 M68毫米。本课程设计主要说明圆板牙的热处理工艺。圆板牙是用来加工外螺纹的专用工具，在切削过程中其切削锥部分必须有高的硬度、耐磨性，同时有要具有良好的韧性和强度。圆

11、板牙属于薄刃工具，其韧部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均匀分布的细小合金碳化物颗粒，淬透性好，淬火应力和变形小，只有这样才能保证上述技术要求。以下是几种合金钢的性能特点：（1） T12是碳素工具钢，含1.15-1.24%C。这样的高C能保证淬火后有高的硬度和较多的碳化物，以满足耐磨性和淬硬性的要求。根据圆板牙的性能要求知，T12钢不能满足热处理变形小（由于其淬透性差，需急冷而变形大）和韧度较好的要求。因此，T12钢不符合要求。（2） W18Cr4V是高速钢。含有Cr、Si的加入，提高了淬透性；因为Cr、Si的作用，使钢种的碳化物细小均匀。使用时刃口不易崩刃; Si低温回火是组织转变非常

12、有效，所以该钢的低温回火稳定性很好，热处理变形也很小。其缺点是脱碳敏感性较大。最主要的特点是红硬性高，适用于在600工作温度下仍能保持其切削性能的高速切削场合。该钢的碳化物比较多，并且相对来说比较 2012年12月均匀性也难以达到最佳状态。对圆板牙这样薄刃的工具，刃口部位容易崩刃，并且该钢的加工工艺性比较复杂，成本高。所以选用该钢也是不合适的。根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱碳现象，（3） CrWMn ：由于Cr、W、Mn的复合加入，使其有较高的淬透性；Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到64-66HRC，因此有较高的耐磨性；W能细化碳化物

13、，改善了韧度；由于Mn的存在大为降低了MS点，该钢淬火后的残余奥氏体比较多，淬火变形也较小；但该钢的碳化物多且易形成网状，如果碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。所以，如果采取有效工艺，使碳化物细小均匀，该钢是能满足要求的。（4） 9SiCr ：Cr、Si的加入，提高了淬透性；因为Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀。使用时刃口部位不易崩刃；Si抑制低温回火时的组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时的变形也很小。其缺点是脱C敏感性比较大。根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其

14、脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。（5） GCr15 ：是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。Cr的加入增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。热处理变形比较小，尺寸很稳定。但是该钢和9SiCr 相比，回火稳定性比较差。因此，对刃口要求高且在内部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。六、材料性能对比及最佳材料确定W18Gr4V的化学成分：碳 C ：0.70.8 钨 W：17.5 19铬 Gr：3.84 4.4 钼 Mo ：0.3 2012年12月磷 P ：0.3 钒V：1.01.4 锰 Mn：0.

15、4 硅Si: 0.4 硫S:0.3 Si 、Mn 、Cr的作用是提高钢的淬透性。W18Gr4V性能特点 1钢中加入Cr.Si元素主要是为了提高钢的淬透性。Cr.Si元素溶入基体中可强化基体组织，同时改善钢的回火稳定性。 2另外cr元素溶入Fe3c中形成复合可提高其硬度，增加钢的硬度与耐磨性。 3因Cr元素的加入和低Bs点，使得贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体稳定区，形成两个C曲线，而Si元素的加入又推迟贝氏体转变，所以该钢种宜于进行分级淬火或等温淬火。 4由于Cr,Si元素的加入，引起临界点AC3升高，淬火后残余奥氏体较少。 5钢中较多Si元素存在，有利于改善碳化物的组织形态，避免刚状

16、碳化物的生成，但也加大钢的脱碳倾向，故该中钢在加热时需要注意防护。 6与CrWMn刚相比，其淬透性，淬硬性，挥霍稳定性，强度和硬度以及耐磨性不如CrWMn钢。 W18Gr4V 是常用的高速合金刃具钢，具有较高的的淬透性、淬硬性和回火稳定性。W18Gr4V球化退火温度是加热温度是790-810度，显微组织是均匀分布的珠光体和铁素体。经淬火后硬度为60-63HRC。力学性能：硬度 ：退火,241197HB,压痕直径3.94.3mm;187综上所述：选用W18Gr4V七、确定尺寸和热处理工艺800-810°C打开炉门740-750°C炉冷500°C空冷3-4h6-8h1

17、）球化退火锻造后球化退火的目的主要是降低硬度，改善切削性能，为最终热处理作组织准备。工具钢原始组织为球化珠光体经淬-回火后的力学性能和原始组织为片状珠光体相比较，在强度、硬度相同的情况下，其塑韧性都要高，且对淬火温度的敏感性也相对较小。要注意的是球化退火前的组织要求是细片状珠光体，不允许有严重的网状碳化物，否则应在球化退火前安排正火处理。球化退火组织按照国家有关标准评级，应在2-5级5范围内合格。球化退火的工艺曲线如下图所示：2）淬火工艺等温淬火可使组织应力和内应力减至最小，并大大减小工具的变形，所以对圆板牙这类变形要求较高的工件，宜采用等温淬火工艺，首先在600-650°C预热，以

18、减少高温停留的时间，从而减轻圆板牙的脱碳现象。淬火加热温度的确定，除了考虑控制未落碳化物数量外，还应考虑原材料的球化级别、加工尺寸等因素。因为尺寸加大的工件，容易产生球化不良、碳化物不均匀等问题，所以大尺寸的圆板牙宜采用较低的淬火加热温度，如：<M10的圆板牙，常采用860-870°C；>M10的圆板牙，采用850-860°C。W18Gr4V中含有Si元素故在加热过程中容易脱碳，因此必须在盐浴炉中、可控气氛炉或真空炉中进行加热，要注意盐浴炉的脱氧，也能减轻圆板牙的脱碳倾向。等温温度一般为180°C左右。等温时，部分奥氏体转变为下贝氏体，从而使钢的硬度、

19、强度和韧度得到良好的耐磨性。等温温度过高，硬度、强度会急剧下降，得不到所需的下贝氏体数量。等温温度也会影响随后空冷时形成的马氏体数量，从而对螺孔的胀缩有影响。所以控制等温温度高低可以控制圆板牙螺纹的变形量。同样等温停留时间对力学性能也有影响，适当的时间使钢具有最佳的强韧性。试验表明，超过60min，性能就大为下降。这是因为下贝氏体和残余奥氏体量太多的缘故。一般采用30-45min比较合适。如表三W18Gr4V钢的淬火温度与晶粒度的对应关系 淬火温度/°C850-860870-880890-900晶粒度(级别)875 从表中可知，加热温度越高，则奥氏体的晶粒度越粗大，力学性能变差， 2

20、012年12月因此采用850-860°C为宜。冷却方式有三种，分别为分级淬火、等温淬火和油冷。而圆板牙的螺纹中径的膨胀量同其有直接的关系，通常采用的为前两种方法，表为不同规格的板牙其淬火温度与分级温度的最佳工艺。表四：不同规格的板牙其淬火温度与分级温度的关系：规 格M1-M2.M3-M5M6-M9M10-M15M16-M24M26-M36加热温度°C860-870850-860分级温度°C160-170170-180180-190190-210 分级和等温的冷却介质的成分为50%KNO3+50%NaNO2，其熔点为137°C工作温度为160-220

21、76;C。在淬火冷却时，由于工件和工装带进大量的热量，为保持温度的稳定，必须在硝盐槽中放入冷却水套或循环水管。同时要捞渣或及时过滤，以免降低硝盐的冷却效果。等温淬火后的金相组织为：马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物。3）回火工艺回火的目的减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足不同工作的性能要求。由于Si、Cr元素的作用，提高了钢的回火稳定性，因此可在190-200°C回火。在这温度下回火，硬度下降很少，回火后硬度仍然有60-63HRC。经过回火后的金相组织为：回火马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物。大部分淬火应力已消除。淬火与回火的热处理

22、工艺曲线图如下所示: 2012年12月 时间min600-650850-87030-45s/min160-21030-45min60-90min190-200温度/图二：W18Gr4V圆板牙的淬火、回火热处理工艺曲线图八、工艺流程工艺路线：毛坯锻造球化退火机械加工淬火检查回火清洗检查发黑处理检查九、成品检验成品切削试验后要求无明显的磨损，不崩刃，切削后的螺纹中经符合规定要求，切出的螺杆的粗糙度不大于4级。 2012年12月板牙的检验项目、内容和要求检查项目检验内容及要求原材料质量用试样检查 化学成分，低倍显微组织，晶粒度，淬透性，带状组织，毛坯力学性能用试样检查 一般检查布氏硬度，要求严格按照

23、图样检查外观质量用通规检查 检查表面氧化，裂纹及碰伤表面硬度用通规检查 一般为HRC60-63表面显微组织用试样检查畸变用通规检查 按图样和工艺要求缺陷及其分析缺陷名称产生原因采取的措施过烧或过热1.淬火加热温度过高保温时过长温度控制不准。2.原材料碳化物偏析严重局部含碳量过高。3.在盐浴炉中加热时，工件靠近电极。4.淬火加热过程中产生增炭或脱碳。1.严格执行热处理工艺要求。2.加强对原材料的质量检验。3.过热零件进行返工后再重新淬火，过烧的全部报废变形开裂1.加热速度快，温度不均匀。2.加热温度高或保温时间长。3.原材料碳化物呈带状或网状造成合金元素偏析严重夹杂物超标。4.淬火后为及时进行回

24、火或回火不充分。5.淬火后清洗过早。6.表面脱碳或加工过程中冷却不当。1.正确选择加热温度和保温时间的预热充分。2.加强对原材料的质量检测。3.采用分级淬火或等温淬火工艺。硬度不足1.淬火温度低或加热时间短。2.回火加热温度高或保温时间长。3.冷却不当分级温度过高引起二次硬化物析出或冷至室温则进行清洗。4.氧化脱碳。进行返修处理，退火后淬火+回火表面脱碳1.脱氧不良，捞杂不彻底。2.表面氧化皮带入炉中。1.进行正常的盐浴脱氧，确保工件的表面整洁。2.对工件的夹具进行喷沙或喷丸表面腐蚀1.在加热过程中，在空气与盐浴接触处，出现腐蚀麻点。2.盐浴中夹杂物超标1.淬火回火后应及时处理表面的残渣。2.

25、在盐浴中侵一下可保证工件表面的整洁。1、表面金相组织检测设备：金相显微镜操作方法：（1）将光源插头接上电源变压器，然后将变压器接上户内220V电源 即可使用。照明系统在出厂前已经经过校正。每次换灯泡的时候，必须将灯座反复调校。灯泡插上灯座后，在孔径光栏上面放上滤色玻璃，然后将灯座转动及前后调节，以使光源均匀明亮地照射于滤色玻璃上，这样灯泡已调节正确，这时则将灯座的偏心环转动一个角度，以便将灯座紧固于底盘内。灯座及偏心环上有红点樗，如卸出时，只要将红点相对即可。（3）观察前原则上要装上各个物镜。在装上或除下物镜时，须把载物台升起，以免碰触透镜。如选用某种放大倍率，可参照总倍率表来选择目镜和物镜。

26、 2012年12月（4）试样放在载物台时，使被观察表面复置在载物台当中，如果是小试样，可用弹簧压片把它压紧。（5）使用低倍物镜观察调焦时，注意避免镜头与试样撞击, 可从侧面注视接物镜, 将载物台尽量下移，直至镜头几乎与试样接触(但切不可接触)，再从目镜中观察。此时应先用粗调节手轮调节至初见物像，再改用细调节手轮调节至物像十分清楚为止。切不可用力过猛，以免损坏镜头，影响物像观察。当使用高倍物镜观察，或使用油浸系物镜时，必须先注意极限标线，务必使支架上的标线保持在齿轮箱外面二标线的中间，使微动留有适当的升降余量。当转动粗动手轮时，要小心地将载物台缓缓下降，当目镜视野里刚出现了物像轮廓后，立即改用微动手轮作正确调焦至物像最清晰为止。（6）使用油浸系物镜前，将载物台升起，用一支光滑洁净小棒蘸上一滴杉木油，滴在物镜的前透镜上，这时要避免小棒碰压透镜及不宜滴上过多的油，否则会弄伤或弄脏透镜。（7）为配合各种不同数值孔径的物镜，设置了大小可调的孔径光栏和视场光栏，其目的是为了获得良好的物像和显微摄影衬度。当使用某一数值孔径