1、 第 1 页 共 16 页 JI A N G S U U N I V E R S I T Y 金属材料综合 课程设计 直柄麻花钻的热处理工艺设计 学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 金属 1302 学生姓名： 钱振 学号： 3130702063 指导教师姓名： 邵红红，纪嘉明 2017 年 1 月 第 2 页 共 16 页 直柄麻花钻的热处理工艺设计 指导老师 姓名 ： 邵红红 纪嘉明 1 麻花钻零件图 图 1 高速钢直柄麻花钻尺寸参数 直柄麻花钻的尺寸： 直径 D 刃部 l 总长 L 10mm 87mm 133mm 第 3 页 共 16 页 2 服役条件及提出的性能要求和技术指标 2
2、.1 服役条件 作为机床上使用的金属切削工具，其主要工作部分是刀刃或刀尖 ,钻头在切削过程中，刃部与工件表面的金属相互作用，使钻头产生变形和断裂，并从工件整体上剥离下来，所以钻头本身承受弯曲、剪切应力和冲击震动负荷； 在切削过程中会产生大量切削，因此钻头还受到工件和切削强烈的摩擦作用； 同时伴随摩擦会产生高温。机用工具切削速度较高，会产生大量的切削热，有时会发生切削刃软化现象。切削量增大和被切削金属的硬度升高，都会使切削热大量增加，从而使刃具的温度很快升高。 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，
3、容易造成钻头严重磨损。 2.2 失效形式 由于工具种类的不同以及使用条件的差异，起失效形式也有所不同。切削工具失效主要由于磨损、 横刃、外缘点磨损 、崩刃 、剥落、 折断或加工的工件打不到技术要求等原因造成的 （ 1） 磨损 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。 磨损的产生大都是由于工具的切削刃与被切削工件之间的摩擦所产生的。有时也可能是由于在工具表面形成积痟瘤，形成粘合磨损所造成的。 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
4、摩擦磨损是造第 4 页 共 16 页 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 ,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。 （ 2） 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
5、碎，一般通称接触疲劳失效。 （ 3）崩刃 崩刃也是常见的失效形式，其中包括大的崩刃，小的崩刃，掉牙，掉齿等现象，很多的崩刃产生是由于切削时切削刃长期受循环应力所造成的一种疲劳断裂现象。 （ 4）断裂 切削工具由于受到较大的冲击力或因工具自身的脆性较大有时会产生整体断裂，破碎现象。比如钻头的扭断，折断。工具的断裂，破碎现象的产生与工具本身的韧性不够有关，但不是所有的断裂，破碎现象都是因为工具脆性较大而引起的。 (4)被加工工件达不到要求 在切削过程中，由于工具产生了严重的磨损或工具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时工具虽然可以继续加工，但由于被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度达不到技术要求，而使麻花
6、钻不能使用。 2.3 性能要求 第 5 页 共 16 页 刃部要求： （ 1）良好的机械性能 钻头应具有高硬度、高耐磨性； 足够的强度和韧性，以承受钻削中的冲击和震动，避免崩刃和折断； 高的红硬性，即要有高的耐热性，在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性； （ 2） 良好的工艺性，如良好的段造型，磨削加工性； （ 3） 好的经济性，即价格要便宜； 柄部要求： 良好的综合机械性能。 2.3 技术指标 刃部 （ 1）硬度 HRC63； 500600时仍保持 5060HRC 高硬度； （ 2）金相组织：应能保证钻头具备高硬度、高耐磨性和高红硬性，以及一定韧性和较高的强度，钻头的刃部组织应为高碳、高合金
7、度的回火马氏体基体，其上分布着细小、均匀、稳定的合金碳化 物。 （ 3）弯曲度：应该小于 0.12mm。 柄部 硬度 HRC20 35之间 3 选材 3.1 常用材料比较分析 现在市场上使用较多的是通用型高速钢，以钨系 W18Cr4V 和钨 -钼系W6Mo5Cr4V2 为代表。 钨钢 W18Cr4V 有良好的综合性能，在 600的高温强度为 48.5HRC，优点是淬火时过热倾向小；含钒量较少，磨削加工性好；碳化物含量较高，第 6 页 共 16 页 塑性变形抗力较大。缺点是碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；强度和韧性显得不够，热塑性差，很难用作热成型方法制造的刀具。 另外，高性
8、能高速钢理论上均可用于该麻花钻，其中 W6Mo5Cr4V2Al由于 Al元素的添加，其韧性大大下降，用于制造麻花钻的话，其使用寿命与其他高性能高速钢相比相对较低，因此不考虑使用。 W18Cr4V2Co8性能上能满足该麻花钻的要求。 W18Cr4V2Co8为加钴版高性能高速钢，由于含钨量较高，价格很高因此从经济效益角度出发，不采用 W18Cr4V2Co8。 W6Mo5Cr4V2 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 ,
9、因此得到了广泛的应用。 W6Mo5Cr4V2高速钢韧性、耐磨性、热塑性均优 W18Cr4V，而硬度、红硬性、高温硬度与 W18Cr4V相当，因此 W6Mo5Cr4V2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钢强度高、耐磨性好，因而又可制作高负荷下耐磨损的零件，如冷挤压模具等，但此时必须适当降低淬火温度以满足强度及韧性的要求。 柄部主要承受冲击与扭矩，以及作为被夹持部位会承受夹具的挤压，但 柄部所处环境并不严酷， 45 钢完全可以胜任，因此柄部使用 45 钢。 因此，最终选择 W6Mo5Cr4V2 作为钻头的材料，柄部选择 45 钢。 3.3 材
10、料成分表及临界温度 3.3.1 W6Mo5Cr4V2 成分及含量质量分数如表 1 所示 表 1 W6Mo5Cr4V2 成分及含量质量分数 元素 C Mn Si Cr V W Mo S P 含量（ %） 0.800.90 0.150.40 0.200.45 3.804.40 1.752.20 5.506.75 4.505.50 0.030 0.030 第 7 页 共 16 页 3.3.2 合金元素的作用 碳的作用：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。
11、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。 钨的作用：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； 钼的作用： 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。 钒的作用：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。 铬的作用：铬在钢中主要存在于 M23C6 中，也溶于 M6C 和
12、 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，铬几乎溶于奥氏体，主要起增加钢的淬透性作用。 3.3.3 W6Mo5Cr4V2 相变临界点 表 2 W6Mo5Cr4V2 相变临界点 临界温度（） 锻造温度 热处理 Ac1 Acm Ar1 Ms 始锻（） 终锻（） 退火（） 淬火（） 回火（） 835 885 770 225 10401150 900950 820870 12251235 540580 第 8 页 共 16 页 4 汽车齿轮热处理工艺设计 4.1 工艺路线 下料锻造焊接去应力退火正火球化退火切削加工淬火回火硬度及金相检验精磨 （ 1）下料锻造焊接去应力退火： 选择
13、 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面进行的退火。 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：加热温度 Ac1，一般钢材 550 650，合金工具钢 650 750，加热速度 100 150 /h，保温时间 3 5min/mm 冷却速度 60 100 /h， 300以下出炉空冷。加热温度 720 760保温时间 2 4h 冷却方式 500以下出炉空冷。 表 3
14、 RX3-15-9 主要技术参数 型号 额定功率（ KW） 额定电压（ V） 额定温度（） 相数 炉膛尺寸（ L W H）（ mm） 最大装载（ kg） 图 2 去应力退火曲线 第 9 页 共 16 页 RX3-15-9 15 380 950 3 650 300 250 80 退火组织：球化珠光体，白色球状碳化物，基体为珠光体。 （ 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，这样的 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粒状珠光体组织，
15、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 30 50保温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
16、的球状或颗粒状碳化物组织。 目的：降低硬度，便于切削加工，并为淬火做好组织准备。 柄部正火： 加热温度 810 第 10 页 共 16 页 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 图 3 柄部正火曲线 刃部：正火 +球化退火 正火加热温度： 915 时间：工件烧透为止 冷却方式：空冷 设备： RDM-70-13 表 4 RDM-70-13 主要技术参数 型号 额定功率（ KW） 额定电压（ V） 额定温度（） 相数 炉膛尺寸（ L W H）（ mm） 最大装载（ kg） RDM-70-13 70 380 1300 3 1800 900550 900
