T10钢车刀热处理工艺.doc

摘 要

T10钢车刀是用于车削加工的、具有一个切削部分的刀具。 车刀是切削加工中应用最广的刀具之一。车刀的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。在切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度。因此，刀具材料必须具备高硬度、高耐磨性、足够的强度，韧性和抗氧化性，还需具有高的耐热性（红硬性），即在高温下仍能保持足够硬度的性能。

[关键词] 切削 耐磨 高硬度 红硬性

技术要求
高硬度，高耐磨性是刀具最重要的使用性能之一，若没有足够的高的硬度是不能进行切削加工的。否则，在应力作用下，工具的形状和尺寸都要发生变化而失效。高耐磨性则是保证和提高工具寿命的必要性，除了以上要求红硬性及一定的强度和韧性。
在化学成分上，为了使工具钢尤其是刃具钢具有较高的硬度，通常都使其含有较高的的碳（W（C）=0.65%~1.55%），以保证淬火后获得高碳马氏体，从而得到高的硬度和切断抗力，这对减少防止工具损坏是有利的。大量的含碳质量分数又可提高耐磨性，碳素工具钢的理想淬火组织应该是细小的高碳马氏体和均匀细小的碳化物，工具钢在热处理前都应进行球化退火，以使碳化物呈细小的颗粒状且分布均匀。
工作条件及性能要求
刃具在切削过程中，刀刃与工件表面金属相互作用，使切削产生变形与断裂，并从工件整体剥离下来。故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动等负载荷作用。由于切削层金属的变形及刃具与工件、切削的摩擦产生大量的摩擦热，均使刃具温度升高。切屑速度越快，则刃具的温度越高，有时刀刃温度可达600℃左右。
失效形式及使用性能
刀刃是的失效形式有很多种，磨损是刀具失效的主要原因之一，如崩刃，折断和断裂等等。
（1）为了保证刃具的使用寿命，应要求有足够的耐磨性。高的耐磨性不仅决定于高硬度，同时也取决于钢的组织。在马氏体基体上分布着弥散的碳化物，尤其是各种合金碳化物能有效地提高刃具钢的耐磨能力。
（2）为了保证刀刃能进入工件并防止卷刀，必须使刃具具有高于被切削材料的硬度（一般应在60HRC以上，加工软材料时可取45~55HRC），故工具钢应是以高碳马氏体为基体组织。
（3）由于在各种形式的切削过程中，工具承受冲击，振动等作用，应当要求刀
具有足够的塑性和韧性，以防使用中崩刀或折断。
（4）为了使刀具能承受切削热的作用，防止在使用过程中因温度升高而导致硬度下降，应要求刃具具有高的红硬性。钢的红硬性是指钢在受热条件下，仍能保持足够的硬度和切削能力，这种性能成为钢的红硬性。红硬性可以用高温回火后在室温条件下测得的硬度直来表示。所以红硬性是钢抵抗多次高温回火软化的能力，实质上这是一个回火抗力的问题。
用T10钢制造形状简单的车刀，基本工艺路线为：矿石→铸态组织→锻造→热处理1→机加工→（品质）热处理2（淬火+回火+表面热处理）→磨加工（磨削）。
T10碳素刃具钢
含碳量：W（C）=1%左右
工作温度：低于200℃
性能：高硬度，成本低。
缺点：淬透性低，红硬性差，耐磨性不足。
热处理工艺：球化退火+淬火（水油双淬火）+低温回火（150℃~250℃）
过共析钢：不完全淬火+低温回火 组织：隐晶马氏体+未溶碳化物
锻造
锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。锻造按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。
热锻压是在金属再结晶温度以上进行的锻压。提高温度能改善金属的塑性，有利于提高工件的内在质量，使之不易开裂。高温度还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位。但热锻压工序多，工件精度差，表面不光洁，锻件容易产生氧化、脱碳和烧损。冷锻压是在低于金属再结晶温度下进行的锻压，通常所说的冷锻压多专指在常温下的锻压，而将在高于常温、但又不超过再结晶温度下的锻压称为温锻压。温锻压的精度较高，表面较光洁而变形抗力不大。 锻压可以改变金属组织，提高金属性能。铸锭经过热锻压后，原来的铸态疏松、孔隙、微裂等被压实或焊合；原来的枝状结晶被打碎，使晶粒变细；同时改变原来的碳化物偏析和不均匀分布，使组织均匀，从而获得内部致密、均匀、细微、综合性能好、使用可靠的锻件。
热处理1
球化退火
对于含碳量大于0.6%的各种工具钢，磨具钢，轴承钢，共析、过共析钢的锻轧件等，为了改善其各类性能或提高最终热处理组织和性能，常常采用退火或球化退火工艺。球化退火是高碳钢预先热处理工艺，退火一般为炉内缓冷，为其淬火工艺中均匀奥氏体化提供组织准备。
球化退火方法分为四类：
1将钢加热到接近临界温度A1长时间保温。
2将钢加热到略高于临界温度A1并经短时间保温形成不均匀奥氏体及部分未溶碳化物，然后通过缓慢冷却或低于临界点等温分解，或在A1点上下循环加热冷却数次以使碳化物球化。
3高温固溶后淬火和高温回火。
4形变球化退火。
T10属于碳素工具钢，含碳量为1%左右。球化退火的作用是消除钢中网状碳化物，改善金相组织，（因为锻造后晶粒粗大，硬度较高。）提高塑性，韧性，降低钢的硬度，以利于切削加工，减少最终热处理时的变形开裂趋势，而且也为淬火做好组织上的准备。退火温度为Ac1~Acm 之间 ,必须严格控制退火加热温度。退火后的组织为体基体上分布着均匀的、细小的碳化物颗粒。硬度应达到41HRC左右。
T10钢球化退火后的组织：

机加工
机加工又叫机械加工，基本上有我们和熟悉的车，铣，刨，磨，钻，镗，线切割等等。机械加工主要有手动加工和数控加工两大类。手动加工是指通过机械工人手工操作铣床、车床、钻床和锯床等机械设备来实现对各种材料进行加工的方法。手动加工适合进行小批量、简单的零件生产。 数控加工（CNC）是指机械工人运用数控设备来进行加工，这些数控设备包括加工中心、车嫌工中心、电火花线切割设备、螺纹切削机等。目前，绝大多数的机加 工车间都采用数控加工技术。通过编程，把工件在笛卡尔坐标系中的位置坐标（X，Y，Z）转换成程序语言，数控机床的CNC控制器通过识别和解释程序语言来 控制数控机床的轴，自动按要求去除材料，从而得到精加工工件。数控加工以连续的方式来加工工件，适合于大批量、形状复杂的零件。
机加工过程中可以进行正火或退火处理，一般是按照图纸要求加工成我们需要的工件，这是粗加工的工艺过程，为后面的热处理和精加工做准备。
热处理2
淬火：指将钢件加热到 Ac3 或 Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬 火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等，淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，
淬火加热温度的选择：通常亚共析钢淬火加热温度为Ac3＋30～50℃ ，共析钢及过共析钢为Ac1＋30～50℃，对于T10钢（过共析钢），Ac1为730℃，其加热温度为Ac1＋30～50℃，即770℃,780℃,790℃。另外，选择淬火加热温度还要考虑工件的尺寸大小和形状，加热设备，合金成分等。
保温时间的确定：加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算。
温时间的经验公式为：t=αKD(分钟)，其中：D是工件有效厚度, 单位为mm; K是加热系数，一般K=1.0~1.5分钟/mm
热处理2是淬火+低温回火，淬火获得碳化物+马氏体，获得刀具应该的高硬度和高的硬度，淬火后的硬度大约为63HRC左右，可以进行几次的回火，使性能更稳定，回火为了获得回火马氏体，回火作用是使T10钢有一定的硬度，从而提高车刀的加工性能，低温回火使孪晶马氏体中过饱和碳原子沉淀析出碳化物弥散分布在马氏体相中，提高马氏体稳定性，同时使淬火微裂纹焊和，即提高钢的韧性，又保持较高的硬度，强度和耐磨性，减轻零件开裂可能性，缓解淬火造成的严重内应力状态回火后的硬度一般为58-64HRC，回火后硬度并没有降低。
回火的目的：1 消除淬火过程中产生的热应力和组织应力的残余应力；2 是淬火马氏体时效析出碳化物，获得回火马氏体，回火屈氏体或回火索氏体组织在不降低强度和硬度情况下提高材料的塑性和韧性，获得优良的机械性能；3 使淬火过程中不稳定的马氏体和残余奥氏体转变成温度的组织，稳定零件尺寸。
淬火+低温回火后的T10钢：

回火温度与硬度的关系：

磨加工
磨加工也称为磨削加工。磨削就是用砂轮、油石和磨料（氧化铝、碳化硅等微粒）磨削是用磨具以较高的线速度对工件表面进行切削加工的方法，使材料可以获得较高的精度和表面粗糙度，它是工件精加工的常用方法之一。。通常把使用砂轮进行加工的机床称为磨床。
磨加工砂轮是有许多细小且极硬的磨料微粒，用结合剂粘结的一种切削工具。从它的切削作用来看，砂轮表面上的每一颗微细磨粒，其作用相当于一把细微刀刃，磨加工如同无数细微刀刃同时切削。磨削过程中，磨粒的棱角磨钝后，因切削力的作用，往往自行破碎或脱落而露出新的锋利的磨砺，这种现象称为砂轮的自锐性。 磨料磨削过程中产生大量热量，因此需要用大量流动的冷却水降温。磨削加工的范围很广，几乎各种表面都可以用磨削进行加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、各种平面以及螺纹、齿轮、花键、成型面等。此外，磨削可加工淬火钢、硬质合金等一般刀具难以加工的较硬材料。由于砂轮的多刃性、自锐性等特点，而且磨削是切削速度很高，以及磨床本身精度较高等原因，工件磨削后的精度和表面光洁度都很高，一般磨削精度达1-2级，朝精磨削时精度可达1级以上，目前，磨加工一般都作为零件表面的精加工工序，但也可以用于毛坯的预加工和清理等粗加工工作。
磨削加工具有以下特点：
1加工精度高、表面粗糙度小。由于磨粒的刃口半径小，能切下一层极薄的材料，又由于砂轮表面上的磨粒多，磨削速度高，30-35m/s，同时参加切削的磨粒很多，在工件表面上形成细小而致密的网络磨痕，再加上磨床本身的精度高、液压传动平稳和微量进给机构。因此，磨削的加工精度高，表面粗糙度小。2径向分力大。磨削加工时，由于磨削深度和磨粒的切削厚度都较小，但因为砂轮与工件的接触宽度大，磨粒的切削能力较差，3磨削温度高。由于具有较大负前角的磨粒在高压和高速下对工件表面进行切削、划沟和滑擦作用，砂轮表面与工件表面之间的摩擦非常严重，消耗功率大，产生的切削热多。又由于砂轮本身的导热性差。因此，大量的磨削热在很短的时间内不易传出，使磨削区的温度很高，有时高达800-100度。4砂轮有自锐性。砂轮有自锐性可使砂轮进行连续加工。这是其它刀具没有的特性。5应用范围广，一般的工件表面都可采用磨削加工。6可加工高硬度材料　磨削不仅能加工如铸铁、碳钢、合金钢及部分有色金属等一般的金属材料，而且可加工一般刀具难以加工的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷、玻璃及高硬度的复合材料等。磨削通常不宜加工塑性较高的材料（砂轮会被金属碎屑堵塞，使磨削无法进行，而且易划伤已加工表面），如较软的铜、铝等有色金属。
组织分析图
球状P→粒状P→碳化物+马氏体→回火马氏体
钢的表面热处理
通过对零件表面加热和冷却来改变零件表面性能的热处理方法称为表面热处理。常有感应加热、火焰加热、电接触加热、盐浴加热、激光加热和电子束加热等表面热处理方法，通过表面热处理，可获得满足设计要求深度的表面硬化层，而零件芯部仍保持原来的显微组织和性能不变，从而达到提高表面疲劳强度和耐磨性能。
热处理后主要缺陷：
（1）存在大量残余奥氏体，碳化物几乎看不见。表面氧化皮严重，含碳量低，硬度低。
（2）热处理后容易造成组织晶粒粗大
（3）回火时间或温度控制不好，容易得到屈氏体或贝氏体
参考文献
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