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刀具材料热处理工艺需要个性化
来源: | 作者:hkwe33f52 | 发布时间: 2019-01-22 | 163 次浏览 | 分享到:

100年前,美国机械工程师泰勒(F. W Taylor)和冶金工程师怀特(M. White)在经过广泛而系统的切削试验之后,确立了切削用高速钢的最佳成分W18Cr4V(C 0.75%,W 18%,Cr 4.0%,V 1.0%),当时切削中碳钢速度为30m/min,比之前提高了十几倍。
这一成果带来了机械加工的划时代革命,也因此使得刀具材料在进入19世纪后呈现出异乎寻常的发展速度,创造了前所未有的辉煌。

100年来,尽管不断出现各种新的刀具材料,但高速钢依然没有被历史所淘汰,一直沿用并发展至今,甚至曾长期占据霸主地位。

今天,我们重新审视高速钢的发展,或许将为刀具材料的进一步发展带来一些有益的启发。

很多人可能对刀具热处理一般原则比较了解,但对刀具及刀具材料差异性热处理研究不深。我本人从事热处理工艺工作近40年,积累了不少成功经验和失败教训,深感识别刀具和刀具材料的差异性、进行个性化操作的重要。

下面就不同刀具的热处理进行简单介绍:

车刀条

按GB4211标准,可将车刀条分为正方形和矩形两种。车刀工作条件比较恶劣,一般不加冷却液,有干切削、重切削、断续切削、高速切削等,要求车刀应具有高的耐磨性和高的红硬性。

针对上述情况,热处理工艺为:1230~1240℃高温加热奥氏体化,金相级别可达8~9级,而后回火4次,过热3~4级(矩形车刀过热1~2级),最终组织硬度65~67HRC。实践证明,车刀过热才经久耐用,我在1988年曾对过热5级的12×12方车刀进行寿命检测,结果3条试样都达一等品标准。

滚刀

滚刀属于比较昂贵的金属切削刀具,要求具有高的红硬性、耐磨性,所以淬火温度比较高,但比车刀略低,常在1225~1230℃,580~620℃分级,组织金相级别9.5~10级。第一次回火宜用350~380℃或二次贝氏体处理,然后再进行550℃×1h的高温回火3次,过热1~2级,甚至3级,最终组织硬度可达65HRC以上。

滚刀虽然是容易处理的刀具,但对模数6以上的大滚刀,由于其硬度不高和键槽易裂的特点,必须严加防范。

直齿三面刃铣刀

通常此类产品由于其切削速度快,切刀量大,对耐磨性、韧性要求相当高,要求高硬度但又不能崩刃。

笔者就曾多次处理过这样的质量问题:用户对硬度64~65HRC的铣刀反应是不耐磨,换用硬度66HRC的铣刀后,使用寿命成倍提高。同样成分的材料,不同的热处理产品可以有如此大的差别。直齿三面刃铣刀所采用的热处理工艺是在1220~1230℃下淬火,金相级别9.5~10.5级,回火3~4次,过热1级,最终组织硬度为65~67HRC

中齿锯片铣刀

GB6120标准适用直径32~315mm,厚度为0.3~6.0mm的中齿锯片铣刀,对特别大薄的铣刀热处理工艺应该个性化,通常对中齿锯片铣刀的性能要求是韧性第一,但硬度不能太低,一般在1205~1215℃时淬火,淬火组织金相级别达10~11级,然后分级等温、热夹、回火4次,回火过程不准过热,最终组织硬度64~66.5HRC。在这类刀具热处理过程中,容易出现键槽易裂和平面度超差的问题。

大薄锯片

由于装璜及建筑行业的高速发展,市场对Φ250~500×2mm大薄锯片的需求量很大。该产品主要要求突出韧性,其次是耐磨性。相应的热处理工艺为1180~1200℃高温加热,260~280℃等温,金相级别可达11~12级,再回火4次,不准过热,硬度可达62~65HRC。成品若再经蒸汽处理或氧氮化则效果更佳。

整体直柄麻花钻

钻头是用得最多的孔加工工具,工作条件和其他刀具不同。当进行钻削时,其切削部分深深地埋入金属内,切削条件比较苛刻,要求钻头有高的硬度和韧性,两者相比,通常后者更重要些;而对于干切削,由于工件硬度高,则是要求红硬性第一。钻头一般采用的热处理工艺为:先在1210~1225℃时淬火,淬火组织金相级别可达10.5~11级,再回火3次,过热2级,可得到硬度为63~66.5HRC的回火组织。

由于加工中心和数控机床的日益增多,难加工材料与日俱增,对钻头的要求也越来越高。同样钻头,用法各异,热处理工艺就截然不同,足以说明热处理工艺个性化的重要。

拉刀

拉削加工广泛应用于汽车、航空等制造业。拉刀上排列着许多齿,由于拉削幅度很宽,齿增量逐步加大,即使在很小的进刀量情况下,其阻力也是相当大的。

正因为如此,拉削的速度一般比较慢,在拉削过程中,轴向承受很大的拉力,同时切削齿因受到工件的摩擦而产生热量,所以拉刀除具有一般刀具的高硬度特点,更重要的是要有很高的强度和韧性。拉刀常用的热处理工艺为1205~1215℃油淬,两次或三次分级冷却,趁热校直,试样淬火组织的金相级别10.5~11.5级。每次回火后必须校直,硬度可达64~66.5HRC。

目前热处理存在的主要问题是硬度偏低不耐磨,其次是折断,应该视具体类型拉刀制订相应热处理工艺。

机用丝锥

丝锥在切削过程中,主要抗力是扭力矩,轴向力在各螺纹中已互相抵消。丝锥不需要红硬性,韧性是第一指标,所以淬火温度比较低,晶粒号可控制得很细,但硬度不能低,必须符合国家标准。

现在由于采取了韧性化低温淬火新工艺,与传统工艺相比,淬火温度降低了15~20℃,彻底解决了丝锥过热、脆断等弊病,实是一举多得的好事。

我的个人体会是:硬度是表面现象,金相组织才是本质的东西;我们追求高硬度,但不惟高硬度;我们要求在金相组织理想(而非合格)的前提下,力求高硬度,达到硬度和金相的良好配合。