麻花钻热处理课程设计.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y金属材料综合课程设计直柄麻花钻的热处理工艺设计 学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 金属1302 学生姓名： 钱振 学号： 3130702063 指导教师姓名：邵红红，纪嘉明 2017年 1 月直柄麻花钻的热处理工艺设计指导老师姓名： 邵红红 纪嘉明1 麻花钻零件图 图1 高速钢直柄麻花钻尺寸参数直柄麻花钻的尺寸：直径D刃部l总长L10mm 87mm 133mm2 服役条件及提出的性能要求和技术指标2.1 服役条件作为机床上使用的金属切削工具，其主要工作部分是刀刃或刀尖,钻头在切削过程中，刃部与工件表面的金属相互作用，使钻头产生变形和断裂，并从工件整体上剥离下来，所以钻头本身承受弯曲、剪切应力和冲击震动负荷；在切削过程中会产生大量切削，因此钻头还受到工件和切削强烈的摩擦作用；同时伴随摩擦会产生高温。机用工具切削速度较高，会产生大量的切削热，有时会发生切削刃软化现象。切削量增大和被切削金属的硬度升高，都会使切削热大量增加，从而使刃具的温度很快升高。直柄麻花钻在钻削过程中产生的热量多，而传热、散热困难；承受挤压应力、弯曲应力、冲击应力及切削产生的高温，工作温度在500600左右，容易造成钻头严重磨损。2.2 失效形式由于工具种类的不同以及使用条件的差异，起失效形式也有所不同。切削工具失效主要由于磨损、 横刃、外缘点磨损 、崩刃 、剥落、 折断或加工的工件打不到技术要求等原因造成的（1） 磨损钻头属半封闭式切削，钻削热难以向外传散，更易形成高的切削温度。所以，引起钻头磨损主要为热磨损，对于高速钢钻头来说，主要是相变磨损。磨损的产生大都是由于工具的切削刃与被切削工件之间的摩擦所产生的。有时也可能是由于在工具表面形成积痟瘤，形成粘合磨损所造成的。机械磨损：工件材料中含有刀具材料硬度高的硬质点或粘附有积屑瘤碎片，会在刀具表面上刻划，使刀具磨损。低速切削时，机械摩擦磨损是造成刀具磨损的主要原因。热磨损：热磨损通常发生在滑动摩擦时（不论有无润滑）。当滑动速度很大时,比压也很大的时候，将产生大量摩擦热使润滑油变质，并使表面金属加热到软化温度，在接触点发生局部金属粘着，出现较大金属质点的撕裂脱离甚至融化，这种形式的磨损称为热磨损。相变磨损：刀具材料因切削材料表面的马氏体组织转化为托氏体组织，硬度下降造成磨损。高速钢刀具在550660时发生相变。（2） 接触疲劳零件接触表面在接触压应力的反复长期作用后引起的一种表面疲劳剥落损坏现象。其损坏形式是在光滑的接触表面上分布有若干深浅不同的针状或豆状凹坑，或较大面积的表层压碎，一般通称接触疲劳失效。（3）崩刃崩刃也是常见的失效形式，其中包括大的崩刃，小的崩刃，掉牙，掉齿等现象，很多的崩刃产生是由于切削时切削刃长期受循环应力所造成的一种疲劳断裂现象。（4）断裂切削工具由于受到较大的冲击力或因工具自身的脆性较大有时会产生整体断裂，破碎现象。比如钻头的扭断，折断。工具的断裂，破碎现象的产生与工具本身的韧性不够有关，但不是所有的断裂，破碎现象都是因为工具脆性较大而引起的。(4)被加工工件达不到要求在切削过程中，由于工具产生了严重的磨损或工具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时工具虽然可以继续加工，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，而使麻花钻不能使用。2.3 性能要求刃部要求：（1）良好的机械性能钻头应具有高硬度、高耐磨性；足够的强度和韧性，以承受钻削中的冲击和震动，避免崩刃和折断；高的红硬性，即要有高的耐热性，在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性；（2） 良好的工艺性，如良好的段造型，磨削加工性；（3） 好的经济性，即价格要便宜； 柄部要求： 良好的综合机械性能。2.3 技术指标刃部（1）硬度HRC63；500600时仍保持5060HRC高硬度；（2）金相组织：应能保证钻头具备高硬度、高耐磨性和高红硬性，以及一定韧性和较高的强度，钻头的刃部组织应为高碳、高合金度的回火马氏体基体，其上分布着细小、均匀、稳定的合金碳化物。（3）弯曲度：应该小于0.12mm。柄部硬度HRC2035之间3 选材3.1 常用材料比较分析现在市场上使用较多的是通用型高速钢，以钨系W18Cr4V和钨-钼系W6Mo5Cr4V2为代表。钨钢W18Cr4V有良好的综合性能，在600的高温强度为48.5HRC，优点是淬火时过热倾向小；含钒量较少，磨削加工性好；碳化物含量较高，塑性变形抗力较大。缺点是碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；强度和韧性显得不够，热塑性差，很难用作热成型方法制造的刀具。另外，高性能高速钢理论上均可用于该麻花钻，其中W6Mo5Cr4V2Al由于Al元素的添加，其韧性大大下降，用于制造麻花钻的话，其使用寿命与其他高性能高速钢相比相对较低，因此不考虑使用。W18Cr4V2Co8性能上能满足该麻花钻的要求。W18Cr4V2Co8为加钴版高性能高速钢，由于含钨量较高，价格很高因此从经济效益角度出发，不采用W18Cr4V2Co8。W6Mo5Cr4V2 钢，它属钨钼系高速钢。这类钢兼具有钨系和钼系高速钢的优点。既有较高的红硬性和耐磨性。较小的脱碳倾向与过热敏感性,。同时碳化物较细、分布较均匀。热塑性及韧性较高。由于它便于机械加工，通用性强,使用寿命高，价格便宜,因此得到了广泛的应用。W6Mo5Cr4V2高速钢韧性、耐磨性、热塑性均优W18Cr4V，而硬度、红硬性、高温硬度与W18Cr4V相当，因此W6Mo5Cr4V2高速钢除用于制造各种类型一般工具外，还可制作大型及热塑成型刀具。由于W6Mo5Cr4V2钢强度高、耐磨性好，因而又可制作高负荷下耐磨损的零件，如冷挤压模具等，但此时必须适当降低淬火温度以满足强度及韧性的要求。柄部主要承受冲击与扭矩，以及作为被夹持部位会承受夹具的挤压，但柄部所处环境并不严酷，45钢完全可以胜任，因此柄部使用45钢。因此，最终选择W6Mo5Cr4V2作为钻头的材料，柄部选择45钢。3.3 材料成分表及临界温度3.3.1 W6Mo5Cr4V2成分及含量质量分数如表1 所示表1 W6Mo5Cr4V2成分及含量质量分数元素CMnSiCrVWMoSP含量（%）0.800.900.150.400.200.453.804.401.752.205.506.754.505.500.0300.0303.3.2 合金元素的作用碳的作用：一是与V、Cr、W等元素形成足够多的碳化物，来提高硬度、耐磨性和红硬性。另一方面还需一定量的碳溶于奥氏体中。以便获得足够含量的马氏体来保证它具有高硬度、高耐磨性和良好的热硬性。碳含量过高或过低都未必好，必须和其他合金含量相匹配。若含碳量过高，则碳化物数量增加，同时碳化物的不均匀性也增加，导致钢的塑性降低，脆性增加，工艺性能变坏；若含碳量低，则无法保证足够多的合金碳化物，使高温奥氏体和马氏体中的含碳量减少，导致钢的硬度，耐磨性和热硬性变差。钨的作用：获得热硬性的主要元素，在钢中形成M6C是共晶碳化物的主要组成，它还以二次碳化物由奥氏体析出；钼的作用：Mo 和W可相互取代，故也是获得热硬性的元素，并减小碳化物的不均匀性。钒的作用：提高马氏体回火稳定性，阻碍马氏体分解同时提高高速钢的热硬性。铬的作用：铬在钢中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物，促使其溶于奥氏体，增加奥氏体合金度。淬火加热时，铬几乎溶于奥氏体，主要起增加钢的淬透性作用。3.3.3 W6Mo5Cr4V2相变临界点表2 W6Mo5Cr4V2相变临界点临界温度（）锻造温度热处理Ac1AcmAr1Ms始锻（）终锻（）退火（）淬火（）回火（）83588577022510401150900950820870122512355405804 汽车齿轮热处理工艺设计4.1 工艺路线下料锻造焊接去应力退火正火球化退火切削加工淬火回火硬度及金相检验精磨 （1）下料锻造焊接去应力退火：选择45钢和W6Mo5Cr4V2两种不同的材料焊接在一起，由于焊接所产生的热量使接口处存在热应力，故要进行一次去应力退火。去应力退火：为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力面进行的退火。目的：消除铸、锻、焊、冷冲压等工件的残余应力，同时还可以降低硬度，提高尺寸稳定性和防止工件变形开裂。图2 去应力退火曲线去应力退火：加热温度Ac1，一般钢材550650，合金工具钢650750，加热速度100150/h，保温时间35min/mm 冷却速度60100/h，300以下出炉空冷。加热温度720760保温时间24h冷却方式500以下出炉空冷。表3 RX3-15-9主要技术参数型号额定功率（KW）额定电压（V）额定温度（）相数炉膛尺寸（LWH）（mm）最大装载（kg）RX3-15-915380950365030025080退火组织：球化珠光体，白色球状碳化物，基体为珠光体。（2） 柄部热处理工艺下料锻造正火切削加工（3）刃部热处理工艺下料锻造正火球化退火切削加工淬火回火一般合金钢在锻造后空冷所得组织为片状珠光体与网状碳化物，这样的组织硬而脆，难以切削加工且在以后淬火过程中容易出现变形开裂。而球化退火可以得到粒状珠光体组织，与片状珠光体相比，不但硬度低便于切削加工，而且淬火加热时奥氏体晶粒不易长大。冷却时工件变形和开裂倾向小。可是球化退火只是加热到略高于Ac1的温度，其奥氏体化是不完全的。因此，它不可能消除网状碳化物，所以在球化退火之前进行一次正火，将其消除，这样才能保证球化退火正常进行。正火：将钢件加热到上临界点（Ac3或Acm）以上3050保温到完全奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。目的：消除晶粒粗大、带状组织、魏氏组织等热加工缺陷及过共析钢网状碳化物。球化退火：是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上2030，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物组织。目的：降低硬度，便于切削加工，并为淬火做好组织准备。柄部正火： 加热温度810 时间：工件烧透为止 冷却方式：空冷 设备：RDM-70-13最高工作温度为1300 图3 柄部正火曲线刃部：正火+球化退火正火加热温度：915 时间：工件烧透为止 冷却方式：空冷 设备：RDM-70-13表4 RDM-70-13主要技术参数型号额定功率（KW）额定电压（V）额定温度（）相数炉膛尺寸（LWH）（mm）最大装载（kg）RDM-70-1370380130031800900550900 图4 刃部正火曲线球化退火：加热温度840860 保温时间34h以上，保温后可采用1020/h的速度冷却至500以下出炉 设备：RX3-15-9最高工作温度950图5 球化退火 W6Mo5Cr4V2 高速钢中含有大量M32C6、M6C和MC型合金碳化物，这些碳化物只有加热至较高的温度才能相续溶解，其中M23C6的溶解温度为9501000，M6C为12151230。随着淬火加热温度的提高，奥氏体中碳及合金元素含量增多，钢的硬度和红硬性升高。淬火加热温度越高，钢的硬度和红硬性越高，钢的Ms点降低，淬火后残余奥氏体量增多，当残余奥氏体量增多到一定数量后，钢的淬火硬度反而下降。此外，淬火温度过高，晶粒细化、钢的强度、韧性变坏。所以W6Mo5Cr4V2选择在12151230淬火。淬火；把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并以大于临界冷却速度冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体的热处理工艺。淬火目的：提高工具钢、渗碳零件和其他高强度耐磨机器零件的硬度、强度、耐磨性。为防止工件在加热过程中因热应力而产生开裂或变形所以进行两次预热。低温预热：600650 保温0.81.0min/mm（盐浴炉）中温预热：800850 保温0.41.0min/mm（盐浴炉） 淬火温度：12151230 淬火方式：分级淬火 设备RDM-70-13最高工作温度为1300，盐浴介质为BaCl2 95%+NaCl 5%,熔点为850，使用温度为10001350。冷却介质：油冷分级淬火能有效地减小或防止工件淬火变形和开裂。因为W6Mo5Cr4V2的Ms为225，所以油冷到300左右。在300左右保温一定时间使马氏体在转变之前工件各部分温度已趋均匀，并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，这样就减小淬火热应力，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或防止淬火变形或开裂。一般钢件在淬火后都要进行回火处理，这是因为：淬火组织马氏体是碳在Fe中的过饱和的固溶体，而钢的平衡态是铁素体+渗碳体，所以马氏体要自行分解成铁素体和渗碳体，变成其他组织，他的性能将随之发生变化。为了获得满足性能要求的组织，故要进行回火处理，使马氏体分解为相和弥散的-碳化物组成的复相组织即回火马氏体。回火还可以除去残余奥氏体。柄部调质处理后得到良好的综合机械性能组织，即回火索氏体。检查硬度是确定部件是否符合性能要求。回火目的：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，以满足不同工件的要求。回火温度：540560 时间：11.5h 次数：3 设备：RDM-70-13最高工作温度为1300回火温度的选择：从室温至270首先马氏体中析出相，温度升至400，相转变为Fe3C并进行聚集，相应的淬火高速钢的硬度有所下降。回火温度超过400时开始生成特殊碳化物。400500主要生成Cr23C6，500600开始析出W2C、Mo2C、VC。由于开始析出的这些碳化物的弥散度很高，这时钢的硬度逐渐升高，650左右时硬度达到最高值，所以高速钢采用硬化效果最佳的温度540560。回火次数的选择：由于高速钢中残余奥氏体量多，经过一次回火仍有10%左右的残余奥氏体未转变，所以一般进行23回火。第一次回火只对淬火马氏体起回火作用，但冷却过程中形成的二次马氏体以及与其形成有关的内应力则尚未消除。经过二次回火，可以使二次马氏体回火以及与其形成有关的内应力消除，以及使未转变的残余奥氏体在二次回火冷却过程中继续转变为马氏体。第二次回火后又产生新的未回火马氏体和新的内应力，因此还要进行第三次回火。6min30min45min图6 淬、回火曲线5热处理卡片刃部:（1）硬度HRC63；500600时仍保持5060HRC高硬度；（2） 弯曲度：应该小于0.12mm。柄部:硬度HRC2035之间下料锻造焊接去应力退火正火球化退火切削加工淬火回火硬度及金相检验精磨零件图直径D=10mm刃部87mm 总长133mm技术要求备注冷至500以下出炉空冷空冷空冷冷至500以下出炉空冷低温预热600650；中温预热800850回火3次直柄麻花钻W6Mo5Cr4V2设备RX3-15-9RDM-70-13RDM-70-13 RX3-15-9RDM-70-13RDM-70-13产品名称材料时间24h工件烧透为止 工件烧透为止 34h12h11.5h江苏大学热处理工艺卡工艺路线温度720760810915 84086012151230540560工艺整体去应力退火柄部正火刃部正火刃部球化退火分级淬火回火序号1234566 车间平面图7 参考文献1 刘占斌，黄东.常用金属切削刀具的选用M.化学工业出版社，2010,4.2 刘玉祥，赵建宝.直柄麻花钻的热处理J.机械工人，2005年第10期.3 张林，张振刚.W4Mo3Cr4VSi高速钢直柄麻花钻的热处理J,2015年第49卷.4 戴起勋.金属材料学M.化学工业出版社,19975 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