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金属材料学课程设计
（常规热处理）
齿轮铣刀的热处理工艺设计
学院：
学生学号：
专业班级：
学生姓名：
指导教师姓名：
邵红红纪嘉明
2013年7月
齿轮铣刀的热处理工艺设计
指导老师姓名：
邵红红纪嘉明
1齿轮铣刀零件图
图1齿轮铣刀零件图
齿轮铣刀尺寸如表1所示。
表1齿轮铣刀的尺寸数据（单位：
mm）
品种
规格
D
d
B
齿轮铣刀
M5.5
95
32
18.4
2服役条件及提出的性能要求和技术指标
2.1服役条件
刀具在切削的主要材料是金属材料，在机床上的切削速度较大，会产生较大的切削热量，刀尖上的温度较高。
刀具在切削时，刀尖与工件之间，刀尖与切除的切削之间会产生强烈的摩擦，因此要求刀具必须有高的硬度。
一般来说，刀具的硬度越高，耐磨性也越好。
刀尖要承受挤压应力和弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此刀具必须具备较高的抗弯强度和挤压强度，还应有较高的冲击韧性。
同时伴随摩擦还会产生高温，因此刀具必须具备高温硬度和热硬性，特别是高速切削和加工难切削材料时热硬性尤为重要。
2.2性能要求
（1）高硬度和耐磨性
在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。
（2）好的耐热性
刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的性质，又称为热硬性或红硬性。
（3）高的强度和好的韧性
在切削过程中，刀具要承受很大的冲击力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。
由于铣刀会受到冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃，碎裂。
2.3技术指标
（1）硬度：
63～66HRC，600℃时≥50HRC；
（2）抗弯强度：
3.5～4.0Gpa；
（3）冲击韧性：
0.3～0.4MJm2。
3选材
3.1常用材料比较分析
通用刀具如铣刀这种较复杂的刀具其制造工艺简单，制造精度相对而言较低。
考虑到刀具成本中材料消耗费用所占比重较大，所以常用通用型高速钢制造。
可选材料有①W18Cr4V（W18）、②W9Mo3Cr4V、③W14Cr4VMnXt、④W6Mo5Cr4V2（M2）。
①W18Cr4V（W18）钢具有低的过热敏感性,可热塑变温度范围宽,抗氧化脱碳能力强,可加工性、可磨削性好;缺点为莱氏体组织粗大,碳化物分布不均匀,导热性、热塑性差,韧性低,比重大,成材率不高。
故不优先考虑用钢种制造齿轮铣刀。
②W9Mo3Cr4V钢虽然耐热性、热塑性、热处理性能均较好，但其钒的含量相比较①、③、④钢种较低。
由于钒是高速钢中提高红硬性的主要元素，是强碳化物形成元素，形成稳定的VC，回火过程中VC以细小弥散质点析出，造成二次硬化，其作用比钨强。
高速钢的含钒量增加，红硬性和耐磨性提高，高速钢的切削加工性能也会随之下降。
而②钢种含钒量较低，故不优先考虑②钢种制造齿轮铣刀。
③W14Cr4VMnXt钢与W18Cr4V钢相当，但稍微改善了热塑性。
由于钼和钨是同族元素，也是碳化物形成元素，在高速钢中的作用也相似。
高速钢中经常用钼代替钨，按质量分数计算，1%钼可代替2%的钨。
而此钢种中不含钼，使得高速钢的热塑性，红硬性不及其他型号的通用高速钢种，故不优先考虑③钢种制造齿轮铣刀。
④W6Mo5Cr4V2（M2）钢是一类新发展的通用高速钢。
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（M2）钢种中的含碳量在可选钢种材料的较高为0.80%～0.90%，保证了其他合金元素形成足够的碳化物，在不同的阶段析出或提高硬度，或提高二次硬化效果。
其含钼量也在可选钢种材料中最高为4.50%～5.50%，按质量分数计算，1%钼替2%的钨，能提高回火时马氏体分解温度，又能阻碍铁原子的扩散，提高钢的回火稳定性，使高速钢中的马氏体在加热到600~625℃还比较稳定，也使得钢种具有高的红硬性和热塑性，改善了锻造性能。
另外含钒量也在可选高速钢种中最高为1.75%～2.20%，红硬性和耐磨性提高，又在较高的含碳量情况下钒的含量也相对提高，形成了各种碳化物。
W6Mo5Cr4V2（M2）高速钢韧性、耐磨性、热塑性均优于综合性能较好的W18Cr4V（W18），而硬度、红硬性、高温硬度与W18Cr4V（W18）相当，因此W6Mo5Cr4V2（M2）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（M2）钢强度高、耐磨性好，因而又可制作高负荷下耐磨损的零件。
综上，④W6Mo5Cr4V2（M2）钢碳化物颗粒细小、分布均匀性好,钢材强度及塑、韧性明显优于其他高速钢种，尤其是红硬性。
所以，通过比较最终选材为W6Mo5Cr4V2（M2）。
3.2合金元素的作用
（1）C的作用
碳的作用有两个方面，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。
（2）W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。
主要来提高高速钢的热硬性，对增加钢的淬透性也有一定作用。
（3）Mo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。
（4）V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。
钒碳化物的硬度大大超过钨碳化物的硬度。
其颗粒细小，分布十分均匀，因此钒碳化物对改善钢的硬度，耐磨性和韧性有很大作用，特别是提高钢的耐磨性最有效。
在回火时钒以细小的碳化物弥散析出,产生二次硬化而提高热硬性。
（5）Cr的作用
Cr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，Cr几乎溶于奥氏体，主要起增加钢的淬透性作用。
（6）Si、Mn的作用
可以提高淬透性，同时在热处理时，可以减少工件的形变量，同时增加钢的回火稳定性。
3.3材料成分表及临界点
W6Mo5Cr4V2（M2）钢成分及含量如表2所示。
表2W6Mo5Cr4V2（M2）钢成分及含量（质量百分数）
牌号
W6Mo5Cr4V2（M2）
化学成分
C
W
Mo
Cr
V
Si
Mn
S
P
质量分数/%
0.80～0.90
5.50～6.75
4.50～5.50
3.80～4.40
1.75～2.20
0.20～0.45
0.15～0.40
≤0.030
≤0.030
W6Mo5Cr4V2（M2）钢的临界点如表3所示。
表3W6Mo5Cr4V2（M2）钢的临界温度
相变点
Ac1/℃
Ac3/℃
Ar1/℃
Ar3/℃
温度
835
885
770
730
4齿轮铣刀的热处理工艺设计
4.1工艺路线
下料→锻造→退火→淬火预热→淬火加热→淬火→三次回火
4.2退火处理工艺
（1）退火目的
进行等温退火工艺，目的是为了消除锻造应力，为随后的淬火、回火作好组织准备。
等温退火具有时间短、组织均匀和力学性能均匀的特点。
（2）退火参数
W18Cr4V（W18）钢的等温退火加热温度选定为920℃（通常等温退火是将钢件加热到Ac3以上30-50℃，综合考虑生产效率和技术指标，选定为920℃）；保温时间为2h（工件心部获得均匀奥氏体组织所要求的时间）。
冷却时，可采用炉冷至750℃（稍低于Ar1点的温度）停留4h，为了提高生产效率，炉冷至550℃以后出炉空冷。
炉冷速度一般为10~20℃/h，此处取15℃/h；
则等温退火各阶段的时间：
t升温=3h，t保温=2+4h，t空冷=（750-550）/15=13.8h
上下料时间：
t上下=0.5h
则，退火总时间：
t退火=3+2+4+13.3+0.5=22.8h
（3）退火设备
选用RX3-75-9型中温箱式炉，额定温度为950℃，功率为75kw,炉膛尺寸为1800×900×550（单位：
mm），最大装料量200kg。
4.3淬火处理工艺
4.3.1淬火预热
W6Mo5Cr4V2（M2）高速钢必须进行中温预热，预热温度为850℃，在盐浴中的保温时间按1-2min/mm计算。
由于齿轮铣刀M5.5尺寸较大，因此选用二次预热法预热。
齿轮铣刀采用的预热工艺参数如表4所示。
表4齿轮铣刀采用的预热工艺参数
刀具
预热方法
炉型
加热温度/℃
加热时间/（s/mm）
齿轮铣刀M5.5
二次预热法
第一次预热
盐浴炉
650
35
第二次预热
盐浴炉
850
24
（1）二次预热法第一次预热
本次预热选用RDM—75-8型埋入式中温盐浴炉，炉膛尺寸为450×350×665（单位：
mm），额定温度为850℃，功率为75kw,工作空间尺寸为350×250×405（单位:
mm）。
预热温度为650℃，加热时间是35s/mm。
计算铣刀的预热时间为：
t=644+386.4=1030.4s
使用RDM—75-8型盐浴炉，装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为8×2×4
（2）二次预热法第二次预热
本次预热再次选用RDM—75-8型埋入式中温盐浴炉，炉膛尺寸为450×350×665（单位：
mm），额定温度为850℃，功率为75kw,工作空间尺寸为350×250×405（单位:
mm）。
预热温度为850℃，加热时间是24s/mm。
该铣刀的有效厚度为26.1mm，则预热中的加热时间为：
t加热=24×18.4=441.6s
保温时间为：
τ保温=0.35×1.0×18.4=6.44min=386.4s
预热工艺总时间为：
t=t加热+τ保温=828s
炉膛尺寸为450×350×560（单位：
mm）。
同理可估出该盐浴炉工作空间尺寸大约为350×250×300（单位：
mm）。
铣刀外径为D=95mm,对应工作空间尺寸，装料方式为12×2×3
4.3.2淬火加热
（1）加热温度
选定为1230℃；
W6Mo5Cr4V2高速钢中含有大量M23C6、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1200℃。
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1230℃淬火。
（2）加热介质
氯化钡盐浴；
高速钢的淬火加热在氯化钡盐浴中进行,加热前对盐浴进行脱氧,以防工件氧化和脱碳。
（3）加热时间
高速钢加热时碳化物的溶解主要取决于加热温度，但是在一定的加热温度下，有一个最合适的加热时间，超过这个时间，不但对提高钢的硬度和热硬性不起作用，反而会使钢的晶粒长大，力学性能下降，使冲击韧度和强度都降低。
在盐浴炉中加热时，各种高速钢刀具的加热系数一般为6~15s/mm。
选取加热系数时，应考虑刀具的不同、装炉量、夹具等因素。
一般大型刀具选用小的加热系数，小型刀具选用大的加热系数；小型刀具装炉量大时，由于碳化物的溶解需要一定的时间，因此，加热时间最小不得小于45s。
该刀具有效厚度18.4mm，加热系数取10s/mm。
则计算该刀具的淬火加热时间：
t=184+187.68=371.68s
（4）加热设备
考虑到齿轮铣刀的尺寸选用RDM-100-13型埋入式高温盐浴炉,额定温度为1300℃，功率为100kw。
装料方式设计：
对应工作空间尺寸，装料方式为9×2×2
4.3.3淬火
工业生产中几乎80%的刀具都采用一次分级淬火，将淬火加热后的工件放入300℃的中性盐浴炉中，保持一段时间（相当于淬火加热时间），然后空冷至室温。
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℃，所以在中性盐浴炉中冷到300℃左，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。
故本设计中齿轮铣刀采用一次分级淬火。
4.5回火处理工艺
（1）回火温度
选定为560℃；
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560℃。
（2）回火次数
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。
（3）保温时间
每次回火保温时间为60min；
为使工件表面与心部温度一致，组织转变充分进行，淬火应力得到充分消除，该刀具有效厚度为18.4.mm,保温时间一般为30~60min，因装炉量大，应适当延长回火保温时间，以保证透热，因此选择60min。
（4）回火设备
选用RJ2-35-6型低温井式电阻炉，额定温度为650℃，功率为35kw，炉膛尺寸为500（直径）×650（高），最大一次装料量250kg。
4.6热处理工艺曲线
5热处理卡片
硬度：
63～66HRC；
抗弯强度：
3.5～4.0Gpa；
冲击韧性：
0.3～0.4MJm2。
锻造→退火→淬火预热→→淬火加热→淬火→三次回火→精加工
零件图
技术要求
备注
等温退火
二次预热法
氯化钡盐浴
三次回火
齿轮铣刀
W6Mo5Cr4V2
设备
RX3-75-9
RDM-75-8
RDM-100-13
RJ2-35-6
产品名称
材料
时间
22.8h
1h
-
1hx3
江苏大学热处理工艺卡片
工艺路线
温度
920℃
650℃
850℃
1230℃
560℃
工艺
退火
预热
淬火
回火
序号
1
2
3
4
6车间平面图
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