量具的热处理.docx

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量具的热处理

量具的热处理

1量具用钢

1.1量具用钢的要求

   选择量具用钢主要考虑耐磨性、尺寸稳定性、可加工性和抗蚀性。

1.1.1耐磨性 

   量具的工作面必须有高度的耐磨性才能在长期使用中保持精度。

为此，淬火硬度高、耐磨性好的的过共析钢常在入选之列。

1.1.2尺寸稳定性

   量具在使用和存放过程中应该能够保持最小的尺寸变化。

因此，量具基体中应尽量减少残留奥氏体量和残留应力值。

一般认为含Cr、W、Mn等合金元素的钢对减小时效变形有良好作用。

1.1.3可加工性

   良好的可加工性可保证批量生产中热处理的高生产率；减少热处理后磨削加工时受损伤的可能性。

为此，应选用可加工性好、材质均匀、组织良好及退火硬度适当的钢材。

1.1.4抗蚀性

   为提高量具对大气、手汗等抗蚀能力，许多量具采用镀铬等表面处理方法或采用马氏体不锈钢。

例如千分尺的某些零件用无光泽镀铬；千分表量杆则因表面处理不能保证齿条精度而选用不锈钢9Cr18；卡尺零件则采用3Cr13、或4Cr13不锈钢板冲裁制成。

在量具生产中，为保证抗蚀性已越来越多地采用可淬硬的不锈钢。

   以上各项要求应根据各种量具的不同特点、精度等级、制造方法和单件或批量生产等因素综合考虑，其他如淬透性、强度、热胀系数等。

根据产品性能要求加以考虑。

1.2量具常用钢种及质量要求

   表1列出了量具常用钢种及其特点，可供参考。

▼表1量具常用钢种及其特点

   量具工作面要求高度光洁，如对钢中非金属夹杂物和碳化物液析不加控制，可能可能会在量块等极小粗糙度的表面上产生细小的点状缺陷；夹杂物还可能引起区域性的残留应力分布，导致力学性能的各向异性助长的不均匀变形；较严重的碳化物偏析则可能造成残留奥氏体的不均匀分布，影响尺寸稳定性。

因此，量具用钢对于钢材的原始组织往往有一定要求。

详见表2。

▼对量具用钢的原材料显微组织的级别要求

2量具热处理工艺

   量具工作时受力小，工作环境一般都较好。

量规和量具的热处理，原则上与一般工具钢和结构钢的热处理相似，只是根据要求的不同需要更多地考虑尺寸的稳定性、工作面的耐磨性及抗蚀能力。

2.1量具制造工艺路线

   锻造→退火→正火或调质→切削加工→淬火→热校直→冷水冲洗→冷处理→回火→人工时效→清洗→发黑处理（或喷砂）→磨削加工→人工时效→精磨（或精研）。

   根据不同产品的要求选用以上全部或部分工序，或者另外安排工艺路线。

2.2预备热处理

2.2.1退火

   量具退火工艺规范举例见表3。

▼表3量具钢退火工艺规范  

2.2.2正火

   为改善一些中碳钢量具零件的原始组织，减小机械加工表面粗糙度和提高强度，可用正火作为预备热处理或最终热处理。

例如用45钢制造的千分尺的微分筒体，为减小拉削内孔的粗糙度和提高强度，采用正火做最终热处理。

详见表11。

2.2.3消除网状碳化物

   如果过共析钢中网状碳化物较严重且组织粗大，淬火时易产生裂纹，磨削时也容易产生裂纹。

淬火前这类金相组织上的缺陷可用用预备热处理来减轻或消除。

方法是将钢加热到稍高于或接近于Acm温度，保持一定时间，使碳化物全部或大部分溶入奥氏体中，并适当均匀化，然后快冷，使碳化物不致沿晶界析出，再在Ac1以下合适的温度回火或正常退火。

以调整到所需的硬度和组织。

详见表4。

▼表4常用量具钢消除碳化物网及调质处理规范

   消除碳化物网的处理只是一种补救措施，关键仍在于正确掌握钢的停锻温度和冷却速度，使退火后不存在网状碳化物。

2.2.4调质

   为改善机械加工表面粗糙度，细化淬火前的组织，消除加工应力，减小热处理变形并得到到均匀而稍高的硬度，可用调质作为预备热处理。

方法是，加热到稍高于正常淬火温度使碳化物较充分的溶解于奥氏体中，然后淬冷，再加热到Ac1以下适当温度保持一段时间后慢冷，以调整到适宜加工的组织和硬度。

例如，用GCr15钢制造的螺纹环规，热处理后内孔只能用铸铁棒蘸金刚砂研光，因此淬火前必需先得到尽可能小的内螺纹铰孔表面粗糙度并且还应尽量减少淬火后内孔的畸变，为此可采用调质处理作为预备热处理（见表12）。

对于粗粒或大小不均的球状珠光体，在低速切削时（如铰孔或拉削），表面加工粗糙度特别粗，这种组织不易改善，只能用调质处理进行一些调整。

   在批量生产和最终热处理后不便于用磨床加工的量规和量具零件，淬火前的表面加工粗糙度往往是生产过程中的关键问题之一，必须予以重视。

淬火前的加工表面粗糙度按加工方法不同（精车、铰孔、拉削等）与显微组织有直接关系，因此常需要选用适当的预备热处理工艺来调整显微组织。

2.3最终热处理（或第二次热处理）

2.3.1淬火

   根据产品技术要求或加工制作的需要，量规和量具零件可以选用盐浴炉、真空炉、可控气氛炉、流态化炉或感应加热设备进行加热。

百分表量杆（表9），两头端部有螺纹不通孔，杆身有垂直于中心线的横孔，如采用盐浴炉加热，熔盐渗入小孔，淬火后极不易洗净，造成日后内孔生锈，因此以选用箱式电阻炉、可控气氛炉等设备为宜。

卡尺尺框只需在测量面局部淬火，因此常采用感应加热，也可用激光淬火。

针形塞规直径小可在专用夹具上直接通电加热自冷淬火。

   淬火夹具的设计应不用或少用量具工作面作为与夹具接触的支承面；夹具及装载的工件应不致影响熔盐、气体或冷却介质的畅通流动；长形工件应沿轴线方向直立装载；装载的工件尽量不相互接触；工件在夹具上装卸方便又不易滑落；夹具本身有足够的强度并便于修理。

单件或少量生产时工件用铁丝绑扎，铁丝横竖相交处要打结，否则加热后铁丝伸长，工件易脱落。

    量具、量规淬火加热温度参考表5。

▼表5常用量具钢的淬火及回火温度

   原始组织为极细的片状或点状珠光体的零件和返修品取下限或较低的淬火温度，反之则取表中上限或较高的淬火温度。

加热时间根据炉型、装炉量、工件尺寸及形状等因素来确定。

在盐浴炉中一般为0.4-0.8min/mm；辐射电阻炉选用1-2min/mm；流态化炉可在0.5~1min/mm范围中选用。

淬火冷却介质可选用淬火油、低温硝盐、PAG淬火介质或食盐水，根据不同产品及钢的牌号选择。

对于量规，为减少尺寸不稳定因素，一般不选用分级或等温淬火，如用油淬火，油温也以保持在室温为宜。

使用水溶性PAG淬火介质，淬火槽中需安装搅拌装置。

用其他淬火介质，淬火槽中也应有搅拌装置，但对于廉价化合物淬火介质要特别强调这一点。

介质温度不超过30℃为好，介质浓度则根据钢种及工件尺寸而定。

   一些零件尺寸稳定性并无严格要求，为减少淬火变形可以采用低温硝盐分级淬火或等温淬火。

2.3.2回火

   以在热浴（硝盐或热油）中回火为宜。

辐射加热炉低温时加热效率很低，如用于回火，炉内需有风扇强制对流传热，而且回火保温时间至少应比热浴回火长1-2倍或更多，并宜适当提高回火温度。

一般只要回火温度选择适当，回火时间稍长并无不利之处，而回火保温时间不足则对量具可能产生不良影响。

   量规的回火温度可参考表5。

一些结构钢制的量具零件可根据钢的牌号及产品硬度要求按一般结构钢工件选择回火温度。

   回火时间根据设备装炉方式和装炉量以及工件大小来确定。

热浴回火保温时间应不少于1h，截面尺寸在50mm以上者需2-4h。

有时将回火与稳定化处理合并进行则需更长时间。

   不进行冷处理的量具淬火后应立即进行回火，以免发生裂纹。

批量生产时，特别是对正弦规工作台之类的方形或矩形的实心工件，装炉时应避免密实地重叠堆放，以防止加热时不易透烧而造成回火不足。

在低温硝盐中回火时装量不宜太多或过密，否则入炉时工件会使硝盐槽中的温度下降过多，凝固在工件上的硝盐较长时间才能完全熔化，不但降低了生产效率，还可能导致回火不足。

2.3.3冷处理

   对尺寸稳定性要求高的工件，淬火冷至室温后应立即（最好在半小时以内）进行冷处理，将工件冷至-70~-80℃或-196℃，使残留奥氏体尽可能多地转变为马氏体，工件硬度会相应地有所提高。

随后进行的回火（或人工时效处理）则促使合金元素从新分配，降低应力，使组织结构趋于稳定。

-70~-80℃的冷处理可在专用冷冻机或在加有干冰的酒精（或丙酮）中进行，酒精置于绝热的容器中，如一次装入量稍多可用金属管插入容器底部，缓缓吹入空气翻腾，能使温度均匀。

-196℃的深冷处理在液氮中进行。

冷处理过程中冷至规定温度后应保持0.5-1h，以保证工件都达到此温度。

工件淬冷后应冷至室温再进行冷处理，以防止急冷产生裂纹。

形状复杂或厚薄悬殊的工件，冷处理前宜将细薄部分用石棉包扎，冷处理完毕后待工件温度升至室温立即进行回火或人工时效。

操作时应带手套等防护用品以防止冻伤。

冷处理前应擦干工件上的水分及杂物。

2.3.4时效处理

   人工时效宜在热浴中进行。

一般量规（硬度62HRC者）可在淬火后以140℃~

160℃进行8~10h人工时效（与回火合并进行）。

要求硬度≥63HRC的量块等产品则在回火后再进行120℃×48h的人工时效处理；或冷处理与时效处理反复数次的冷热循环处理。

   工件在精磨后宜在120℃时效10h，以消除磨削应力。

工件精磨后留出少量研磨余量，然后在室温存放半年或一年（时间越长越好）进行自然时效，最后再研磨成成品，这是保持尺寸稳定性的最佳方案。

2.3.5矫直

   矫直有两种方法：

   1）热矫直，也就是在工件未冷透时趁热矫直，工件夹紧后进回火炉，待工件及夹具加热后取出再次夹紧，然后缓慢冷却。

详见表10。

   2）冷矫直，工件淬火回火后冷压或冷敲矫直。

冷矫直后的工件需要进行去应力回火，回火温度不应超过原来的回火温度。

这种措施不能保证消除全部矫直应力，因此对容易发生扭曲的量具零件应尽量设法减小淬火时的变形，已发生表安兴的零件最好采用热校直。

   量具在装配过程中不允许再进行敲打，否则经过一段时间可能使量具使用不灵活，甚至卡住。

2.4量具的热处理技术要求

2.4.1硬度

   在国家有关标准中对各种量具的硬度都有明确的规定。

详见表6。

为提高耐磨性生产厂家可以在保证出厂稳定的前提下适当提高硬度要求。

▼表6量具热处理硬度要求举例

2.4.2显微组织

   量具热处理后的显微组织至少应达到我国专业标准ZBJ36003《工具热处理金相检验标准》表7中规定的级别。

▼表7量具热处理的金相组织要求

为提高产品质量，可以制定高于ZBJ36003规定的企业标准。

2.5量块及高尺寸稳定性量规的热处理特点

   量块是长度计量的基准，技术要求也高。

按照GB/T6093-2001《量块》的规定，量块测量面的硬度不应低于800HV（约63HRC）；尺寸稳定性要求见表8。

▼表8量块尺寸稳定性技术标准

   00级、0级和K级量块根据用户的特殊订货要求应能够供给量块中心长度的实测值，亦即表明每块量块精确的实际尺寸，因此因时效而发生尺寸变化是不允许的。

   量块在10℃~30℃范围内的热胀系数应为11.5±1.0μm/（m·℃）。

此数值为一般钢的热胀系数，这样便不会因与被测件热胀系数系数的不同而造成测量误差。

   为保证量块之间的研合性，00级、0级和K级量块面的粗糙度Ra值应不大于0.01μm；1、2、（3）级不允许大于0.016μm。

   从上述技术标准可以看出，量块质量的关键在于在保证硬度和量面粗糙度（量面粗糙度由硬度和研磨质量而定）要求的基础上保证尺寸的时效稳定性。

   用硬质合金制成的量块硬度可达70HRC，耐磨性高而研磨表面粗糙度低，尺寸稳定性好，但材料和加工成本高，而且热胀系数只有6.5μm/（m·℃），与GB/T6093-2001的要求相差甚多。

最近出现的陶瓷量块，尺寸稳定性、研磨粗糙度和耐磨性更佳，但也有和硬质合金制造量块所遇到的类似问题。

因此，用于制造量块的材料仍以过共析钢为主。

   钢中含有Cr、Mo、W、Co等合金元素对马氏体分解转变的第2阶段（或称“均匀分解”阶段，即马氏体中碳的扩散达到可以觉查的程度）有扼制作用，使钢保持过饱和固溶体加弥散碳化物的状态到较高的回火温度尚不改变（可保持高硬度）。

Si、Mn、Cr等合金元素则明地提高了残留奥氏体转变的温度，使其在较低温度下的转变缓慢下来。

这两种作用可阻碍回火马氏体和残留奥氏体的分解，对量块的尺寸稳定性有良好的作用，因此选用含有这些合金元素的过共析钢是合理的。

   对材料质量方面的要求比一般量具严格（参见表2的注1和注2），以保证加热时固溶均匀，不易过热，研磨后量面粗糙度低。

   现行的含铬轴承钢标准（YBT9-1986）对材质要求高，适宜制造量块。

   用3C1r3或4Cr13不锈钢渗氮制成的量块可达到950-1000HV的硬度，研磨后的量面粗糙度和色泽皆优于火钢，而且防蚀能力强。

这种量块的心部是经过调质处理的索氏体组织，因此尺寸极稳定。

缺点是材料和制造成本高于淬火钢。

此外热胀系数大约为9.98-11μm/（m·℃），比GB/T603-2001的规定稍低，但差别不大，是可供考虑的量块制造的方案之一。

   众所周知，淬火、冷处理和回火后量块中马氏体的分解将导致体积（尺寸）缩小，线留类氏体向马氏体转变会使体积（尺寸）增大，面残留应力（第一类和第2类应力）的松他成重新分布根据不同条件可能使尺寸推大或者缩小从热力学观点看，二者都使系统的自由能降低，因此是长时间放置中的自发过程，其结果是导致量规的尺寸变化（尽管只是以μm/m计的微小变化）。

   上述三个进程互有影响，例如因两种介稳定相（马氏体和残留奥氏体）的转变面导致的微塑性变形会加速相变过程和应力的松弛，同时内应力又对相的转变起激活作用，使其达到较平衡的状态，而三种因素复杂的相互作用对尺寸变化的影响是难以预测的根据一般的经验，整体热处理的量块成品在置放过程中的前8、9个月尺寸变化较大，以后逐渐减小。

尺寸变化的过程有的是先缩后涨，也有的是先涨后缩，这可能是工艺条件或工艺方法，甚至是实际操作上的差别而造成的组织和应力的差异所产生的后果。

总之，量块热处理工艺的要点在于，尽量减少残留奥氏体量；增加马氏体的正方性以及减小残留应力。

   对GCr15钢量决可选用（850±5）℃在油中淬火至室温，及时进行-78℃冷处理以减少残留奥氏体量，然后进行回火以增加马氏体的正方性和减小残留应力。

1985年以前，国内量块标准要求硬度≥64HRC，在批量生产中为保证高硬度常在冷处理后选择120℃保温48h回火并时效的工艺。

   GB6093-85将硬度标准定为≥800HV（63HRC），这就为提高回火温度以提高尺寸稳定性创造了条件。

推荐采用以下工艺：

   （850±5）℃加热→常温油冷→-78℃冷处理→140-150℃回火三次，每次保温1h（分三次回火有利于保持高硬度）→120℃人工时效48h→精磨→120℃保温10h（消除应力回火）→研磨。

   国外有冷处理和回火多次交替的工艺以求得到最佳的尺寸稳定性。

淬火后残留奥氏体处于多向压缩应力下阻止了马氏体转变，由于奥氏体与马氏体线胀系数不同，这种对奥氏体的压应力随温度降至零度以下而减小，从而促进了马氏体转变。

加热回火时因在低温形成的马氏体晶体周围的奥氏体结构的破坏，使转变容易进行而发生附加的马氏体转变。

另外，加热时的回复过程使显微组织中位错聚积密度减少，过应力减小以及位错和点缺陷重新分布提高了残留奥氏体和马氏体的稳定性。

尽管多次交替反复冷处理和回火的循环的热理效应递减，但总的效果却提高了，其工艺如下：

   （850±5）℃加热→常温油冷→-78℃冷处理→150℃回火两次，每次1h→-78℃冷处理150℃回火1h→-78℃冷处理→120℃人工时效48h→精磨→120℃保温10h→研磨。

   用3Cr13成4Cr13钢经调质或高温软化（参见表3）得到240HBW左右的索氏体组织，再经气体渗氮而制成的量块，硬度>900HV，研磨精度高，尺寸稳定性极佳。

推荐的渗氮工艺如下：

   表面活化处理（或采用喷细砂活化表面）,540~550℃气体渗氮（氮分解率25%:

30%），≤10mm量块渗氮24h渗层0.15-0.18mm）；20-100mm量块渗氮48h（渗层0.22-0.24mm）长度大于100mm的GCr5量块，为保证尺寸稳定可采用两端工作部分局部淬火的方法，工艺如下：

   整体淬火→280-300℃回火（≥55HRC）→量块端部约10mm浸入820-825℃盐浴中加热2~2.5min在水中淬火→用同样方法对量块另端淬火→120~130℃回火24h。

   可以先将长量块整体淬火及经280~300℃回火，然后用感应加热对两端分别淬火，最后进行120-130℃回火24h。

    ≤5mm的量块的绝对尺寸变化量很小，因此不作过多地考虑，但磨削后常因应力重新分布而发生翘曲变形，故对小规格量块应注意尽量减少淬火和磨削应力。

   如前所述，淬火钢的马氏体分解和残留奥氏体转变是自发过程，因此将热处理后的量块坯料粗加工后留出少量加工余量，在室温自然时效半年至一年后再进行最后的精磨和研磨是提高量块尺寸稳定性的最佳方案。

   上述内容也适用于其他需要尺寸稳定的精密机件的热处理。

2.6热处理后机械加工（磨削）对量具的影响

   量规和量具零件多采用过共析钢，以期淬火后得到高硬度。

热处理后高硬度的工件在磨削时常发生各种弊病，影响产品质量或造成废品。

除磨削时冷却不足或不当、砂轮选择不合适或修磨不及时，磨削规范不当以及机床振动等多种原因外，有时也和材料或热处理不合适有关，这类问题在量具生产中常有发生，造成冷、热加工之间的问题混淆不清、互相扯皮。

在此，将对这类问题的相互影响和关联进行综合分析，供读者参考。

2.6.1烧伤

   在磨削时的瞬时高温下金属表面可能产生一层极薄的氧化膜，呈现出不同的回火色，并造成一定厚度的热影响区，使表层硬度下降，通常称其为烧伤、软化或磨糊。

   烧伤变色通常不均匀，如烧伤很轻或随后的研磨使变色层被除去，常看不出烧伤的痕迹，但对表层的耐磨性会有影响，必须防止。

磨削操作不当，砂轮选择不合适或砂轮磨钝等常成为烧伤的重要因素。

一般而言，材料或热处理质量与烧伤没有太多关系。

2.6.2裂纹

   磨削规范或磨削条件不当，在被磨削的表面形成一个个较强烈的烧伤中心，造成不均匀的应力，在交替的高温与急冷下应力值渐增，直至产生裂纹。

因烧伤中心很多，相互间距小，故磨削裂纹呈细小网状，数量多而深度浅，裂纹走向垂直于砂轮前进方向，裂纹断面上一般无氧化色。

   淬火温度过高，回火不足可造成工件残留应力大，即使在合理的磨削条件下也可能产生磨削裂纹，但这种裂纹相对于纯粹的磨削裂纹来说一般较稀疏，也较宽而深。

较严重的网状碳化物和材料导热性差都能促进磨削裂纹的产生。

   钢中残留奥氏体在磨削时可能转变成淬火马氏体，较脆。

所以残留奥氏体量多的工件在磨削时容易发生磨削裂纹。

   工件硬度与磨削裂纹的形成有关，硬度小于55HRC的工件虽可能发生烧伤但产生磨削裂纹的情况极少，60HRC以上的工件，都会使磨削裂纹发生的可能性大为增加。

磨裂多在表面发生变色后才出现，烧伤前很少开裂。

2.6.3变形（翘曲）

   即使磨削状况良好，因磨削面使磨面呈现拉应力仍是不可避免的。

另外，

因为磨去了一层金属使原来处于平衡状态的应力遭受破坏，使零件处于新的不稳定的应力状态，磨后的零件会因应力的重新分布而很快发生时效变形（翘曲），较长且不厚的零件（如卡尺尺身等零件）最为严重为减少上述弊病，各道冷、热加工工序都应尽量减少引入的应力；在磨削之间插入人工时效；沿零件合适长度方向安排磨削方向。

另外应特别强调磨削过程中应经常翻面，注意使零件正反两面的磨削量基本一致使两面引入的磨削应力尽量达到平衡，这一点的非常重要的。

3 典型量具热处理

3.1百分表零件的热处理

   千分表、百分表品种很多，为适用于不同的场合，其结构和选材都不尽相同，表9进口举几例说明。

▼表9百分表零件的热处理

3.2游标卡尺零件的热处理

   游标卡尺零件在热处理过程中易产生畸变，故而需要采取有效措施来防止。

详见表10。

▼表10游标卡尺主要零件热处理举例

3.3千分尺量具的热处理

   千分尺品种规格较多，其中以中小型的千分尺使用最广，其主要零件的技术要求及热处理工艺见表11。

▼表11千分尺主要零件热处理举例

3.4螺纹环规和塞规的热处理

   环规和塞规是检测外径和孔径尺寸的量规，螺纹环规热处理后只进行余量极小的研磨加工，因此要求淬火前有较高的的尺寸精度和较低的表面粗糙度，其淬火后畸变小，脱碳极少，并有较好的研磨性能，其热处理工艺见表12。

▼表12螺纹环规和螺纹塞规热处理工艺举例

3.5卡规的热处理

   卡规是检查零件外形尺寸的板状量具，常用卡规在成批生产时，多由渗碳钢制成。

热处理工艺见表13。

▼表13卡规的热处理工艺