高速钢车刀材料的选择及工艺设计课程设计.docx

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高速钢车刀材料的选择及工艺设计课程设计

专业课程设计任务书

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设计题目：

高速钢车刀材料的选择及工艺设计

设计内容：

1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。

2、选材，并分析选材依据。

3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。

4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。

5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。

6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。

前言...............................................4

1高速钢车刀的工作条件及性能、技术要求..........5

1.1高速钢车刀的工作条件.....................5

1.2高速钢车刀的机械性能要求及技术要求......5

1.2.1高速钢车刀的机械性能要求.............5

1.2.2高速钢车刀的技术要求................5

2高速钢车刀材料的选择及分析................5

2.1选材及选材依据..........................5

2.1.1普通高速钢............................6

2.1.2高性能高速钢.........................6

2.2W18Cr4V钢的分析........................7

3W18Cr4V钢车刀的加工工艺路线.........................8

3.1整体加工工艺路线的制定...........................8

3.2柄部加工工艺路线..........................9

3.3刃部加工工艺路线.........................9

4W18Cr4V车刀热处理工艺的制定与分析...................9

4.1焊接后的去应力退火........................9

4.2W18Cr4V车刀刃部的球化退火...............10

4.3W18Cr4V车刀刃部的最终热处理：

淬火+回火......11

4.3.1淬火.........................................11

4.3.2回火..................................12

5W18Cr4V车刀热处理缺陷及措施.......................13

6W18Cr4V车刀的失效方式............................15

7心得体会.....................................16

参考文献...........................................18

前言

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。

车刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前刀面、主后刀面和副后刀面，刀尖角组成。

车刀的切削部分和柄部（即装夹部分）的结合方式主要有整体式、焊接式、机械夹固式和焊接-机械夹固式。

机械夹固式车刀可以避免硬质合金刀片在高温焊接时产生应力和裂纹，并且刀柄可多次使用。

机械夹固式车刀一般是用螺钉和压板将刀片夹紧，装可转位刀片的机械夹固式车刀。

刀刃用钝后可以转位继续使用，而且停车换刀时间短，因此取得了迅速发展。

车刀按用途可分为外圆、台肩、端面、切槽、切断、螺纹和成形车刀等。

还有专供自动线和数字控制机床用的车刀。

刀具材质的改良和发展是今日金属加工发展的重要课题之一，因为良好的刀具材料能有效、迅速的完成切削工作，并保持良好的刀具寿命。

所以，对于车刀以及刀具还有很长一段路要走，而本次设计的是普通成型车刀。

1高速钢车刀的工作条件及性能、技术要求

1.1高速钢车刀的工作条件

车刀作为一种切削工具，在车削致密金属的过程中会承受弯曲、剪切、冲击、扭转、振动、摩擦等力的作用，有可能使刀刃温度升高到600℃以甚至更高的温度，同时刃部也发生磨损，很容易造成车刀的严重损坏，总之，车刀工作条件很恶劣。

1.2高速钢车刀的机械性能要求及技术要求

1.2.1高速钢车刀的机械性能要求

车刀柄部应具有良好的综合机械性能，在使用过程中能有够足够承载各种应力的能力。

刃部作为金属的切削工具，刃部首先应具备高的硬度和耐磨性。

在一定条件下，工具的硬度越高，其耐磨性也越高，所以要求刃部要具有高的硬度。

另外由于刃部在工作过程中会受到各种应力的作用，所以要求刃部还要具备足够的韧性，否则可能因为脆性过大，在应力作用下会产生折断，扭断等失效现象。

刃部的工作温度高，要求刃部具有高的红硬性，保证其在较高温度下仍具有较高的硬度及耐磨性。

1.2.2高速钢车刀的技术要求

由于车刀柄部仅需满足承载车刀上下部分带来的应力故硬度在30～45HRC之间即可。

车刀刃部是切削工作部分硬度要在在63～66HRC之间，回火充分，表面无腐蚀和麻点以确保拥有足够的切削能力。

2高速钢车刀材料的选择及分析

2.1选材及选材依据

车刀的柄部是车刀非工作部分，采用45#钢制造即可，45#钢是典型的调质钢，经调质或正火处理后，具有良好的综合机械性能，能满足使用要求。

车刀的刃部采用高速钢材料制造，因为普通的工具材料难以满足其高红硬性的使用要求。

而高速钢的种类非常多，按其性能用途不同可分为普通高速钢和高性能高速钢两种。

2.1.1普通高速钢

普通高速钢常用的有钨系高速钢和钨钼系高速钢两种。

钨系高速钢如：

W18Cr4V为钨系高速钢，具有高的硬度、红硬性及高温硬度。

其热处理范围较宽淬火不易过热，热处理过程不易氧化脱碳，磨削加工性能较好。

该钢在500℃及600℃时硬度分别保持在HRC57～58及HRC52～53，对于大量的、一般的被加工材料具有良好的切削性能。

钨钼系高速钢常用的是W6Mo5Cr4V2，它具有良好的机械性能，抗弯强度比W18Cr4V钢高10%～30%，韧性高50%～70%，可做尺寸较小，承受冲击力较大的刀具，另外，其热塑性特别好，特别适用于制造冲击力较大的刀具和热轧刀具。

它的硬度、耐磨性、红硬性等性能均能满足普通高速钢车刀的使用要求。

2.1.2高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢的基础上加入C、V、Co、Al等合金元素，使其耐磨性和耐热性进一步提高的新型高速钢。

它具有良好的切削性能，耐用度较普通高速钢高1.3～3倍，同时能适用于加工不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。

按钢中合金元素的不同高性能高速钢有高碳高速钢、高钒高速钢、钴高速钢、铝高速钢四种。

高碳高速钢常用牌号是9W18Cr4V，它含碳量较高，使其中的碳化物含量较W18Cr4V高，硬度、耐磨性较普通高速钢高，但其碳化物含量高且分布不均匀，所以它的韧性差，不适于制造高速钢车刀；高钒高速钢常用牌号是W6Mo5Cr4V3，钴高速钢常用牌号有W6Mo5Cr4V2Co8、W18Cr4VCo5、W18Cr4V2Co8等。

这两类钢的各种性能都较普通高速钢W6Mo5Cr4V2要好，但是由于W6Mo5Cr4V3钢中钒含量较W6Mo5Cr4V2高，所以它的价格要比W6Mo5Cr4V2钢高，在制造普通高速钢钻头时不考虑使用这类钢；

铝高速钢常用牌号为W6Mo5Cr4V2Al，这类钢价格也不是很高，各种性能也都能满足普通高速钢车刀的要求，但是这类钢在热处理时极易氧化脱碳，淬火温度范围窄，若果淬火时温度稍微控制不好就有可能出现氧化脱碳现象。

综上所述，兼考虑材料的性能、服役条件、价格等因素，对于W18Cr4V高速钢其红硬性在切削温度540℃时，硬度可保持HRC66，切削温度600℃时，硬度可保持HRC63，通用性强，工艺成熟等优点，本次设计采用W18Cr4V做车刀材料。

2.2W18Cr4V钢的分析

W18Cr4V的化学成分见表1

表1W18Cr4V钢的化学成分（wt%）

元素

C

Si

Mn

Cr

Mo

W

V

含量

0.70～0.90

0.20～0.45

0.10～0.40

3.80～4.40

≤0.3

17.50～19.50

1.00～1.40

W18Cr4V钢中各合金元素作用如下：

C：

碳含量高，淬火加热时可溶于奥氏体中，淬火后可得到高碳马氏体，从而提高钢的硬度，另外在高速钢中可与其他合金元素形成各种各样的碳化物，提高钢的红硬性等性能，一起实现其它合金元素的作用。

W：

钨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化钨，能提高钢的强度和红硬性。

此外还有：

钨能提高钢的Ac1与Ac3温度；细化晶粒；提高回火稳定性；碳化物可以在晶界起钉扎作用，防止晶粒粗大。

Mo：

钼可增加钢的强度及硬度，在钢中作用与W相似。

主要作用有：

能改善钢在高温下抗拉强度及蠕变强度；提高红硬性；细化晶粒；高速钢中含钼，可以提高切削加工性能；合金钢中加入钼可消除一定程度的回火脆性。

含Mo高速钢的脱碳倾向大，过热敏感性较大。

Cr：

铬在钢中主要存在于M6C中，也有一部分形成M23C6，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；铬的添加使钢具有一定的耐蚀性。

V：

钒在高速钢中能显著提高钢的红硬性，提高硬度和耐磨性，同时还能有效的细化晶粒，降低钢的过热敏感性，另外提高钢的回火稳定性。

Mn：

锰在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；稍稍改善钢的低温韧性。

Si：

硅强化铁素体，提高钢的强度和硬度；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性。

3W18Cr4V钢车刀的加工工艺路线

3.1整体加工工艺路线的制定

W18Cr4V钢车刀的整体加工工艺路线如下：

下料→锻造→焊接→去应力退火→柄部正火→刃部球化退火→切削加工→刃部淬火→清洗→检测硬度及脱碳情况→校直→刃部回火→硬度及金相检验→喷丸→防锈→精磨→成品

锻造后柄部45#钢和刃部W18Cr4V钢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，以消除接口处内部的热应力，防止材料变形和开裂。

3.2柄部加工工艺路线

柄部制造使用的材料为45#钢，其工艺路线及其中的热加工工序作用如下：

下料→锻造→正火→切削加工→精磨

锻造作用：

粉碎较大共晶组织颗粒，改善和均匀组织。

正火作用：

消除锻造后的残余内应力，防止变形和开裂，改善组织，降低硬度以利于切削加工，得到的索氏体为材料使用状态下的组织。

3.3刃部加工工艺路线

刃部制造使用的材料为W18Cr4V高速钢，其工艺路线及其中的热加工工序作用如下：

下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火→回火→精磨

锻造作用：

破碎共晶碳化物和二次碳化物，使组织均匀。

球化退火作用：

消除锻造后的残余内应力，防止变形和开裂；降低硬度，便于切削加工，改善组织，为淬火做组织准备。

淬火作用：

加热使合金元素融入奥氏体中，获得高合金的奥氏体，淬火后得到高合金度的马氏体，具有高的抗回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。

回火作用：

消除残余内应力，防止变形和开裂，减少残余奥氏体的含量，把残余奥氏体的含量控制在一定范围内，产生二次硬化现象，获得高硬度及红硬性的组织。

4W18Cr4V钢车刀热处理工艺的制定与分析

4.1焊接后的去应力退火

去应力退火主要是为了消除焊接时产生的内应力，去应力退火加热温度小于Ac1，碳钢和低合金钢的去应力退火温度为550～650℃，高合金钢和高速钢的去应力退火温度为600～750℃，焊接后整体同时同温去应力退火，这里去应力退火温度选择45#钢上限温度650℃。

保温时间：

2h，冷却方式：

炉冷至300℃后空冷。

去应力退火工艺曲线如图1

图1去应力退火工艺曲线

4.2W18Cr4V钢车刀刃部球化退火

W18Cr4V钢的球化退火加热温度应在其Ac1温度至Acm温度之间，取870℃。

退火方式有两种：

普通退火工艺和等温退火工艺。

普通退火工艺先在870℃温度保温4h，然后以大约20℃/h的冷却速度冷却到500℃，最后出炉空冷，此种退火工艺因为冷却速度慢，需要很长的时间，效率不高。

W18Cr4V钢普通退火工艺曲线见图2

图2W18Cr4V钢普通退火工艺曲线

等温退火工艺是先在870℃温度保温2～4h，之后炉冷至温度740～750℃，在此温度保温约6h，之后再炉冷至500～600℃，最后出炉空冷，退火后的组织为球状珠光体。

此种退火工艺较普通退火工艺大大缩短了退火时间，提高了效率，所以对于W18Cr4V钢球化退火采取此种等温退火比较合适，W18Cr4V钢等温退火工艺曲线见图3

图3W18Cr4V钢等温退火工艺曲线

4.3W18Cr4V钢车刀刃部的最终热处理：

淬火+回火。

4.3.1淬火

高速钢中含有大量合金碳化物，这些碳化物只有加热至较高的温度才能相续溶解，其中M23C6型合金碳化物的溶解温度为1000℃左右；M6C型合金碳化物在1200℃时部分溶解；MC型合金碳化物比较稳定，在1200℃时才开始少量溶解。

所以高速钢的淬火加热温度较高，并且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，但钢的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，晶粒粗大、钢的强度、韧性变坏。

所以高速钢的淬火温度在Ac1+400℃左右，本次W18Cr4V钢淬火取温度1270℃。

由于高速钢的导热率低，淬火加热温度又很高，所以都要进行预热。

预热可减少工件在淬火加热过程中的变形和开裂倾向，缩短高温保温时间，减少氧化脱碳，还可以精确地控制炉温稳定性。

预热可根据情况采用一次预热和二次预热，由于W18Cr4V导热性差，本次设计采用两次预热，第一次预热温度650℃，时间1h，第二次预热温度860℃，时间20min。

预热后车刀加热到淬火温度1270℃，保温时间设定为160s。

高速钢工具最常用的的冷却方式是分级淬火。

车刀冷却时采取一次分级淬火冷却方式，即车刀预冷至860℃再油冷至200℃之后及时回火。

淬火后的组织为：

马氏体+碳化物+残余奥氏体。

淬火清洗后要取样采用洛氏硬度机进行硬度检测，并且用肉眼观察其脱碳情况。

4.4.2回火

淬火后的残余奥氏体合金度高，稳定性大，在回火加热过程中不分解。

在500℃～600℃间保温时也仅从中析出合金碳化物，使残余奥氏体合金度有所下降，因而奥氏体的Ms点升高，在冷却到室温时，部分残余奥氏体发生马氏体转变，残余奥氏体量由20%～25%减少到约10%左右。

但还需进一步降低，并且消除新产生马氏体引起的内应力，所以高速钢一般需要在560℃左右回火三次，经过三次回火后产生二次硬化，提高硬度及红硬性。

高速钢车刀回火参数为560℃保温1h空冷。

回火后的组织为：

回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。

回火后取样用洛氏硬度机检测其硬度，侵蚀抛光后在金相显微镜下观察其显微组织。

车刀淬火、回火工艺曲线见下图4

图4车刀淬火、回火工艺曲线

5高速钢车刀热处理缺陷及措施

（1）氧化脱碳 

零件加热时,若不进行表面防护,将发生氧化脱碳等缺陷,其后果是表面淬硬性降低,达不到技术要求,或在零件表面形成网状裂纹,并严重降低零件外观质量,加大零件粗糙度,甚至超差,所以精加工零件淬火加热需要在保护气氛下或盐浴炉内进行,小批量可采用防氧化表面涂层加以防护。

（2）过热

过热导致淬火后形成粗大的马氏体组织将导致淬火裂纹形成或严重降低淬火件的冲击韧度,极易发生沿晶短裂,应当正确选择淬火加热温度,适当缩短保温时间,并严格控制炉温加以防止,出现的过热组织如有足够的加工余地余量可以重新退火,细化晶粒再次淬火返修。

（3）过烧

过烧常发生在淬火高速钢中,其特点是产生了鱼骨状共晶莱氏体,过烧后使淬火钢严重脆性形成废品。

热处理过程中严格执行热处理工艺要求，加强对原材料的质量检验过，过烧的全部报废。

（4）硬度不足  

淬火回火后硬度不足一般是由于淬火加热不足,表面脱碳,在高碳合金钢中淬火残余奥氏体过多,或回火不足造成的,在含CR轴承钢油淬时还经常发现表面淬火后硬度低于内层现象,这是逆淬现象,主要由于零件在淬火冷却时如果淬入了蒸汽膜期较长,特征温度低的油中,由于表面受蒸气膜的保护,孕化期比中心长,从而比心部更容易出现逆淬现象。

正确选择加热温度和保温时间预热充分。

热处理过程中加强对原材料的质量检测，采用分级淬火或等温淬火工艺以避免此类缺陷产生。

（5）软点 

淬火零件出现的硬度不均匀叫软点,与硬度不足的主要区别是在零件表面上硬度有明显的忽高忽低现象,这种缺陷是由于原始组织过于粗大不均匀,（如有严重的组织偏析,存在大块状碳化物或大块自由铁素体）淬火介质被污染,零件表面有氧化皮或零件在淬火液中未能适当的运动,致使局部地区形成蒸气膜阻碍了冷却等因素,通过晶相分析并研解工艺执行情况,可以进一步判明究竟是什么原因造成废品。

（6）变形和开裂

由于加热速度快温度不均匀、加热温度高或保温时间长、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、淬火后未及时回火或回火不充分、淬火后清洗过早、表面脱碳或磨削加工过程中冷却不当等因素造成。

采取的措施有正确选择加热温度和保温时间预热充分、加强对原材料的质量检测、采用分级淬火或等温淬火工艺等。

6高速钢车刀的失效方式

车刀正常磨损主要是由以下几种原因造成的：

（1）磨料磨损是切屑或工件表面存在硬质点（如碳化物颗粒以及积屑瘤碎片等）在车刀表面（前刀面和后刀面）上划出沟纹而造成的磨损。

低速切削时，其它原因产生的磨损不明显，因此对低速切削的车刀而言，磨料磨损是车刀磨损的主要原因。

（2）黏结磨损是切削时切屑和工件材料沿车刀前、后刀面移动，破坏了车刀表面的氧化层和其它吸附膜，特别是刚从工件材料内部切削出的新鲜表面间形成强烈黏结造成的磨损。

切削速度与黏结磨损之间存在着非常复杂的关系，一般黏结磨损主要发生在中等切削速度范围内，车刀材料与工件材料之间的亲和力、车刀材料和工件材料之间的硬度比以及车刀材料组分、晶粒粗细、车刀表面状态和切削液类型等都影响车刀黏结磨损速度。

（3）扩散磨损是由于切屑、工件与车刀前、后刀面在高温、高压下接触且有较大的化学活性，接触面上的化学元素互相扩散到对方去，改变了两者的化学成分和材料结构而形成的磨损。

扩散磨损一般与黏结磨损同时发生。

由于每种元素的扩散速度是不同的，因此扩散磨损的程度与车刀材料的组分有很大关系，另外扩散的速度与温度也有很大关系，温度越高，则扩散越快，因此扩散磨损主要发生在高速切削速度范围内。

（4）其它磨损如溶解磨损、氧化磨损等。

可见车刀磨损产生的原因非常复杂，牵涉到机械、热、化学、物理等各种因素，在不同的工件材料、车刀材料和切削条件下，磨损的原因和磨损程度是不同的，对于一定的工件材料与车刀材料组合，切削温度对车刀磨损具有决定性的影响。

车刀发生非正常磨损的原因也很多，主要有：

（1）车刀材料的韧性或硬度太低

（2）车刀的结构或几何角度不合理，使得切削刃过于脆弱或切削力过大

（3）切削用量选择不合理，使切削力太大或切削温度太高

（4）车刀由于骤热骤冷（如断续切削、冷却液等）产生太大的热应力以致出现裂纹

（5）操作不当等使切削刃受到突然机械或热冲击，以致崩刃、热裂等

7心得体会

通过这一次课程设计，使我对热处理这门课有了更深的认识，让我明白热处理是一门很灵活的技术，不同的温度，不同的介质，还有材料中某一部分成分的不同都会影响着最终制作的零件的性能，也同时让我知道自己所了解和掌握的知识是多么的少，在课程设计的资料收集过程中，我拓展了知识面，获得了不少额外的收获通过本次课程设计的实践，让我对所学专业的专业知识有了更深一步的认识，为以后的进一步学习打下了比较坚实的基础，也为以后的工作做了一个比较坚实的准备。

同时发现自己在很多发面存在不足，对自己所学专业的知识了解很少，对专业前景及专业的研究方向的了解更是少之又少，决心以后努力学好各门课程。

更让我明白做任何事情都需要耐心和细心的，要严格按照步骤一步一步来才能有效率的完成整个热处理工艺的设计，而我设计的以W18Cr4V钢为材料制作车刀的热处理工艺主要工艺是利用淬火和三次回火使之达到所需的性能要求，合金钢热处理是一种比较复杂的材料，我的设计中也许会有一些不够周全的地方，望老师予以指导和建议。

最后感谢老师和同学在此次课程设计中对我的支持和帮助，才能使我顺利完成这次课程设计！

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