刀具材料热处理工艺需要个性化

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刀具材料热处理工艺需要个性化
) A( h: t# Y, W6 l3 W( s0 s100年前，美国机械工程师泰勒(F.WTaylor)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(C0.75%，W18%，Cr4.0%，V1.0%)，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。
: o' w8 M$ s- Y# ]+ s/ q    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。在此，也一并将赵炳桢、吴元昌、赵步青、吴立志4位专家在河冶2006高速钢应用技术交流会上的演讲内容整理成文，以飨读者。
/ r5 O, z3 O/ w6 z2 T    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：
3 L) q  C2 q/ v! p& a    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。
' Y4 Z) P% E( W* T& D+ ^  _    直齿三面刃铣刀
) h4 {- y- v' I! J! C3 w3 m    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。
" w. v- H' [; z0 I) v( \, J    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。
% g2 i7 i0 s( [2 ]0 {    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。
( r. v6 ~7 r  W( w0 u( C- }    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。在这其中有几个关键问题不能小视：
# C% A# |+ \  N3 n4 y    1）首先是不能混料，包括混炉号、混钢号、混规格。工具厂一定要分炉号管理，如果做不到就无法搞好热处理，比如成分都合格的M2钢，若用1220℃加热淬火，便可能会出现9～12的6个晶粒号。
    2）其次是不同冶炼方法影响热处理工艺。用中频冶炼加电渣重熔的钢和电弧炉冶炼同成分的M2钢，热处理工艺应有所区别。后者的淬火温度应适当高些，同炉淬火前者易出现过热等毛病。
: s1 D0 |0 e2 n    3）第三是锻造影响热处理工艺。同一规格、同成分的M2钢制造同一规格刀具，锻与不锻，热处理工艺也不应该相同，经改锻者，淬火温度应稍低些。这些在制订热处理工艺时都要引起注意。
    4）第四，返工件淬火温度应比常规淬火低8～15℃。由于种种原因，少数返工在所难免，因而淬火前一定要搞清楚何种原因造成返工的，再则退火情况如何，这样才能对症下药。
    第五，由于M2钢淬火温度带比较宽，从1180℃到1240℃跨度达60℃，而不同的刀具要求不同的性能，所以热处理工作者一定要弄清楚刀具加工对象什么性能最重要，把个性化指标落实到热处理工艺中去，充分挖掘材料潜力。