麻花钻的热处理工艺.docx

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麻花钻的热处理工艺

一、前言―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――2

二、零件名称――――――――――――――――――――――――――――――――――――4

三、服役条件――――――――――――――――――――――――――――――――――――4

四、失效形式――――――――――――――――――――――――――――――――――――4

五、性能要求――――――――――――――――――――――――――――――――――――6

六、材料选择――――――――――――――――――――――――――――――――――――6

七、合金元素的作用―――――――――――――――――――――――――――――――6

八、热处理工艺性能分析――――――――――――――――――――――――――――8

九、材料的组织性能与各种热处理工艺的关系――――――――――――――9

十、工艺路线――――――――――――――――――――――――――――――――――――9

十一、表面处理――――――――――――――――――――――――――――――――――17

十二、检验项目――――――――――――――――――――――――――――――――――18

十三、缺陷及其分析―――――――――――――――――――――――――――――――20

十四、绘制工装图及辅助工序―――――――――――――――――――――――――22

十五、参考资料――――――――――――――――――――――――――――――――――23

一前言

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。

　　金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

热处理工艺是整个机器零件和工具模具制造工艺的一部分。

最佳的热处理工艺方案，应该既能满足设计及使用性能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最佳的经济效果。

机械零件设计与热处理工艺的关系，表现在零件所选用材料和对热处理技术要求是否合理，以及零件结构设计是否便于热处理工艺的实现。

1、根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求

（1）根据零件服役条件合理选择材料

1对整个截面均匀承载零件，要求心部至少有50%马氏体；对重要零件要求95%以上的马氏体。

2对于某些轴类零件，承受弯曲、扭转等复合应力的作用。

一般要求自表面到3/4半径或1/2半径处淬硬就行，但要防止游离铁素体产生。

3对于尺寸较大的碳素钢低合金钢调质件，应在正确设计计算的基础上，对材料性能提出明确要求。

（2）合理确定热处理技术条件

1据零件服役条件，恰当地提出性能要求。

2热处理要求只能订在所选钢号淬透性和可硬性允许范围内。

3热处理要求应该允许有一定的热处理形变。

4经济效果，提出零件热处理要求时，必须综合考虑零件制造成本使用寿命等实际经济效果。

2、零件结构设计与热处理工艺性的关系

（1）在零件热处理加热和冷却时要便于装卡、吊挂，装卡、吊挂是否合适，不仅影响热处理变形、开裂，而且还影响热处理后的性能。

（2）有利于热处理时均匀加热和冷却。

（3）避免出现锐边尖角，应改成圆角或倒成钝角，圆角半径要大些；零件形状力求简单、对称；轴类、棒类零件的长度与直径之比不可太大；零件形状特别复杂，或者不同部位有不同性能要求时，可设计组合结构。

（4）采用封闭、对称结构。

（5）对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件，尽可能采用组合结构或镶拼结构。

二零件名称

麻花钻：

通过其相对固定轴线的旋转切削以钻削工件的圆孔的工具。

三服役条件

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500～600℃左右，容易造成钻头严重磨损。

四失效形式

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，此外还有接触疲劳、过量变形、崩刃、脆断、破碎、裂纹、卷刃等。

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（钢对钢而言，大于3～4m/s）,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550～660℃时发生相变。

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。

过量变形：

工作载荷和温度是零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的数值时，就将导致弹性变形失效。

崩刃：

刀具脆性破裂。

脆断：

断裂前没有明显塑性变形的断裂形式。

破碎：

指刀片较大块的破碎。

裂纹：

刀具受周期性冲击或热应力作用使刀齿出现裂纹而破损。

卷刃：

刃口受挤压后发生塑性变形。

五性能要求

刃部要求：

高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性、一定的韧性、良好的钻削性能，硬度≥HRC63。

柄部要求：

良好的综合机械性能，硬度HRC20～35之间。

六材料选择

柄部：

45钢刃部：

W6Mo5Cr4V2高速钢

高速工具钢是一种适于高速切削的高碳高合金工具钢。

其突出特点是具有很高的硬度、耐磨性及热硬性（也称红硬性），当刃具温度高达500～600℃摄氏度左右时，硬度仍无明显下降，能以比低合金刃具钢更高的速度进行切削，主要用于制造切削速度高、负荷重、工作温度高的各种切削刀具，W6Mo5Cr4V2钢为钨钼系通用高速钢的代表钢号。

该钢具有碳化物细小均匀、韧性高、热塑性好等优点。

七合金元素的种类及作用

元素种类及含量：

牌号：

W6Mo5Cr4V2；（化学成分%：

）

碳C：

0.80～0.90硅Si：

0.20～0.45

锰Mn：

0.15～0.40硫S：

≤0.030

磷P：

≤0.030铬Cr：

3.80～4.40

镍Ni：

允许残余含量≤0.30铜Cu：

≤0.25

钒V：

1.75～2.20钼Mo：

4.50～5.50

钨W：

5.50～6.75

1、钨W

钨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物成为碳化钨，能提高钢的强度。

此外，

a、钨能提高钢的淬火温度。

b、加强钢的断面组织细微化，抵抗挥霍软化。

c、可以降低淬火时钢的晶粒生长趋势。

d、钨钢刀具有红热硬度。

2、钼Mo

钼可增加钢的最大强度及硬度，因此，在合金钢中也很重要：

a、能改善钢在高温下抗拉及潜变强度。

b、在工作红热情况下，能使钢的硬度保持不变。

c、高速工具钢含钼，可予以较佳的机器切割性能。

d、合金钢中加入钼可去除回火脆性。

3、铬Cr

铬在钢中的角色多元且重要，它会形成稳定而硬的碳化物，而且具有抗蚀性，其主要作用有：

a、增进钢的硬化能力和渗碳作用。

b、使钢在高温时具有高强度。

c、能增加耐磨耗性。

d、增高钢的淬火温度。

e、能增进钢的抗腐蚀性。

4、钒V

钒可以无限量固溶入钢中，并能阻止奥氏体晶粒的长大，钒在钢中有脱酸除氧的能力，故含钒的钢，其断面结晶密实，此外，钒的作用还有：

a、能提高淬火温度。

b、改善硬化能力，高温淬火加热时，能阻止其晶粒生长。

c、有助于钢的结晶组织细微化。

八热处理工艺性能分析。

W6Mo5Cr4V2淬火后：

1淬透性：

淬透性随淬火温度的提高淬透性增加。

因为温度升高奥氏体晶粒尺寸增大淬透性提高。

淬硬性随淬火温度的升高而增大，但是如果温度过高奥氏体晶粒过于粗大淬火后会产生开裂或变形。

2变形倾向：

淬火后变形分两种：

翘曲变形和体积变形。

翘曲变形主要是加热时工件在炉内放置不当或淬火前后没有定型处理或冷却不均匀所造成。

另一方面淬火前后组织不一样引起体积变形。

淬火之前一般为珠光体组织，淬火后为马氏体组织。

由于两种组织的比容不同，淬火前后将引起体积变化，从而产生变形，但这种变形只按比例使工件胀缩但不改变形状。

应力也会引起形状变形。

③淬硬性：

淬硬性表示钢淬火时的硬化能力。

它主要与钢的含碳量有关，更确切的是说是它取决于淬火后马氏体中的含碳量，马氏体中的含碳量越高钢的淬硬性越高。

九钢材的组织性能（硬度、强度、耐磨性、塑韧性等）与各种热处理工艺的关系

W6Mo5Cr4V2在820～870℃预备热处理后所获得的组织主要是粒状珠光体。

铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织就是粒状珠光体，成分一定时，渗碳体颗粒越细晶界面越多，则钢的硬度和强度越高。

碳化物越接近等轴状，分布越均匀，则韧性越好，在成分相同的条件下比片状珠光体的硬度稍低，但塑性好。

在1210～1230℃淬火后，所获得的组织主要是马氏体。

碳在α－Fe中的过饱和的固溶体就是马氏体。

马氏体具有高硬度、高强度和耐磨性，但是片状马氏体韧性很差，硬而脆。

板条马氏体的韧性比片状马氏体的好得多，即在具有较高强度，硬度的同时，还具有相当高的塑性韧性。

淬火组织在540～560℃三次回火后，主要获得回火马氏体组织。

马氏体分解后形成α相和弥散的ε-碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。

与淬火马氏体相比，回火马氏体除了具有高硬度、强度和耐磨性外塑性韧性低，克服了淬火马氏体脆而硬的特点。

十工艺路线

下料→锻造→焊接→去应力退火→刃部正火→球化退火→切削加工→淬火→金相检验→清洗→喷砂→校直→回火→柄部正火→硬度及金相检验→喷砂→防锈→精磨→表面处理

（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而进行的退火。

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。

去应力退火曲线（图1）

加热温度720℃～760℃保温时间2～4h冷却方式500℃以下出炉空冷设备RX3-15-9最高工作温度950℃

退火组织：

球化珠光体，白色球状为碳化物，基体为珠光体。

（4%硝酸酒精溶液浸蚀）

（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，这样是组织硬而脆，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℃或更高的温度，保温达到完全奥氏体化后，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20～30℃，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，并为淬火作好组织准备。

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℃

柄部正火曲线（图2）

刃部：

正火+球化退火

正火加热温度为915℃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℃

刃部正火曲线（图3）

球化退火：

加热温度840～860℃保温时间3～4h以上，保温后可采用10～20℃/h的速度冷却至500℃以下出炉硬度≤225HBS获得组织为球化珠光体设备RX3-15-9最高工作温度950℃

球化退火（图4）

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950～1000℃，M6C为1215～1230℃，MC在℃。

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1215～1230℃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600～650℃保温0.8～1.0min/mm（盐浴炉）中温预热800～850℃保温0.4～1.0min/mm（盐浴炉）淬火温度1215～1230℃淬火方式分级淬火淬火冷却介质为600℃。

设备RDM-70-13最高工作温度为1300℃，盐浴介质为BaCl295%+NaCl5%,熔点为850℃，使用温度为1000～1350℃。

淬火组织:

碳化物＋马氏体＋残余奥氏体（4%硝酸酒精溶液浸蚀）

淬火后的力学性能：

韧性大大下降,在不发生过热的前提下，高速钢的淬火温度越高，其红硬性则越好。

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：

①淬火组织马氏体是碳在α－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α相和弥散的ε-碳化物组成的复相组织即回火马氏体。

②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：

将淬火后获得过饱和固溶体加热到低于相变临界点温度保温一段时间，在冷室温的方法。

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540～560℃时间1～1.5次数3回火级别1～2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ε相，温度升至400℃，ε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。

400～500℃主要生成Cr23C6，500～600℃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540～560℃。

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2～3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。

回火组织:

黑色的回火马氏体加白色的碳化物。

（4%硝酸酒精溶液浸蚀）

回火后的力学性能：

1、硬度钢的硬度随回火温度的上升而下降，碳含量高的碳钢在ε碳化物析出时略硬度有上升。

2、强度及塑性碳钢在比较低温度下回火后强度略有提高，塑性基本不变，回火温度进一步提高时强度下降而塑性上升。

淬、回火曲线（图5）

分级淬火曲线（图6）

W6Mo5Cr4V2热处理后的相组成：

淬火后：

碳化物14～16残留奥氏体20～22

回火后：

碳化物20～22残留奥氏体1（体积分数%）

十一表面处理

低压氧氮化处理：

低压氧氮化是将麻花钻置于负压的氧氮化炉中，升温到540～560℃，通入氨气，氨受热分解出氮原子，部分被麻花钻吸收或与铁及合金元素形成化合物。

在通入少量空气并进行氮原子的扩散，反复几次后通入氨气和空气的混合气体使之氧化并氮。

麻花钻低压氧氮化处理的技术要求：

经低压氧氮化处理后外观表面呈均匀美观的蓝灰色，无明显花斑及锈迹。

渗层1540um硬度9501100HV；膜层致密度：

用5%中性硫酸铜溶液滴在去油后钻头的光滑表面，15min内不显示铜色，粗糙表面及边缘棱角处5min内不显示铜色。

低压氧氮化工艺流程：

除油→漂洗→酸洗→水洗→沸水煮洗→沸腾蒸馏水→入蒸汽炉吹干→入氧氮化炉→低真空升温保温→渗氮→氧氮化。

低压氧氮化处理（图7）

十二检验项目

1、硬度采用洛氏硬度机对刃部和尾部硬度进行硬度检测。

刃部硬度≥HRC63柄部硬度HRC20～35

2、金相检测最终零件的组织、晶粒度。

高速钢球化退火组织（索氏体加碳化物）

正常淬火组织是碳化物＋马氏体＋残余奥氏体

高速钢回火组织是黑色的回火马氏体加白色的碳化物。

氧氮共渗层组织浸蚀剂：

甲醇：

盐酸：

硝酸=100：

10：

3

高速钢过烧组织的特征是出现呈鱼骨状的莱氏体。

高速钢过热组织的特征是碳化物沿晶界呈网状分布。

高速钢的萘状断口

3、外观：

不允许有裂纹、崩刃、烧伤、切削刃钝口及其他影响使用性能的缺陷。

十三缺陷及其分析

1、过热或过烧

产生原因：

1淬火加热温度过高保温时间过长温度控制不准。

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表面增碳或脱碳。

采取的措施：

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。

高速钢的过烧组织特征是出现呈鱼骨状的莱氏体。

高速钢的过热组织特征是碳化物沿晶界呈网状分布。

2、变形开裂

产生原因：

①加热速度快温度不均匀。

②加热温度高或保温时间长。

③原材料的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淬火后未及时回火或回火不充分。

⑤淬火后清洗过早。

⑥表面脱碳或磨削加工过程中冷却不当。

采取的措施：

1正确选择加热温度和保温时间预热充分。

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。

3、硬度不足

产生原因：

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进行清洗。

④氧化脱碳。

采取的措施：

①进行返修处理，退火后淬火+回火。

4、表面脱碳

产生原因：

1脱氧不良，捞杂不彻底。

②表面氧化皮带入炉中。

采取的措施：

1进行正常的盐浴脱氧，确保工件的表面清洁。

②对工件夹具进行喷砂或抛丸。

5、表面腐蚀

产生原因：

1刀具加热过程中，在空气与盐浴交接处，出现腐蚀麻点。

2盐浴中夹杂物超标。

③工件的放置不当。

采取的措施：

1淬火、回火后应及时处理表面的残渣。

2在盐浴中浸一下可保证工件表面清洁。

③盐浴按时脱氧，化验合格后才能够批量生产。

十四工装图及辅助工序

（图8）

辅助工序：

淬火会产生淬火应力，有可能使部件发生变形，所以进行校直，而清洗是为了去除部件表面的油污、氧化物等杂质，避免对后续的回火工艺产生不良影响。

刃部淬火后热水清洗槽清洗，检测硬度及脱碳情况，尾部处理后也要检测硬度，最终校直，清洗后和淬火、回火前要烘干，以防止水分带入炉中。

喷砂处理是为了提高部件的疲劳强度和使用寿命。

常用的清洗剂为碱（Na2CO3）溶液其浓度一般为1.5～3.0%。

在碱液中可适当加入添加剂，其成分为：

碱（Na2CO3）1.5～3.0%，亚硝酸钠（NaNO2）0.8～1.2%,乳液13～16%，清洗液温度80～90℃。

十五参考资料

《机械零件失效分析》刘瑞堂编哈尔滨工业大学出版社2003，9

《金属热处理工艺学》夏立芳编哈尔滨工业大学出版社2008，4

《材料科学基础教程》赵品谢辅洲编哈尔滨工业大学出版社2009，2

《热处理手册第3版第2卷典型零件热处理》中国机械工程学会热处理学会编机械工业出版社2008，1

《热处理手册第3版第4卷热处理质量控制和检验》中国机械工程学会热处理学会编机械工业出版社2008，1

《金属切削原理与刀具》刘党生主编北京理工大学出版社2009，8

《热处理车间设备》