金屬熱處理科技工藝優(yōu)化設(shè)計探討

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津 3004000）

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也帶來了我國裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，在這一發(fā)展過程中，有關(guān)如何合理使用工程材料使之發(fā)揮最大效益這個問題也日益引起人們的關(guān)注和重視。實踐表明，要使所制得的工業(yè)產(chǎn)品具備最佳性能和最受消費(fèi)者喜歡的形貌，就一定要選擇最合適的材料來制作和生產(chǎn)；如果所用的生產(chǎn)材料不合乎規(guī)范，就將使所設(shè)計生產(chǎn)出來的工業(yè)制成品，無法最大限度發(fā)揮其最佳性能，而且也很有可能因此而使其使用年限大大降低下來；以下在對工具鋼種類及其性能要求進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，就如何做好金屬熱處理工藝優(yōu)化設(shè)計這個課題，進(jìn)行了一些分析和探討[1]。

1 關(guān)于金屬種類及其性能要求的分析

所謂合金金屬，指的就是基于碳素工具鋼再注入一定數(shù)量和種類的合金金屬元素，用于制造出生產(chǎn)過程中所需的各類模具、刃具及量具等的通用金屬材料[2]。相比于碳素金屬，不管是耐磨性，還是其硬度，合金工具鋼都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)得多，而且在其回火穩(wěn)定性、紅硬性或淬透性等方面，也要比碳素工具鋼來得優(yōu)。

1.1 金屬的種類

在實際生產(chǎn)中有關(guān)金屬的分類，主要有以下這兩種方式：第一種方式基于其所含主要成分來進(jìn)行分類的，通常可分為合金金屬和碳素工具鋼這兩類。第二種方式基于其主要用途來進(jìn)行分類的，通常可分為量具金屬、模具金屬及刃具金屬這三類。

1.2 金屬的工作條件及性能要求

（1）低合金刀刃金屬。這種金屬主要用于那些速度不快且使用刀具量不多的機(jī)用工具，此外，那些對刃具要求不是特別高的機(jī)用工具也可采用此種低合金刃具金屬。碳素金屬工具具有諸多優(yōu)點，如價格不高、耐磨性良好等，而且通過一定的熱處理后，可大大提高其耐磨性和硬度。

（2）高速金屬。科技的快速發(fā)展，也帶來了切削加工速度的大幅度提高。隨著這一加工速度的日益加快，以及所加工材料強(qiáng)度的日益提高，在切削過程中所產(chǎn)生的熱量也日益增多，這就使得刃具所接受的溫度也在快速提高，而且刀具在切削過程中所承受的切削載荷也在不斷增大，所有這些都需要刀具材料不僅要具備更高的硬度，而且還需具備更高的熱硬性。實際生產(chǎn)中所采用的高速工具鋼，其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.8%～1.6%之間，而且具有很好的回火穩(wěn)定性。因此在實際中，不僅各自切削刀具的制作多采用高速工具鋼，而且某些重載冷作模具及其結(jié)構(gòu)件的制作，也多選用高速金屬。

（3）模具金屬。通常有熱作和冷作兩種模具金屬，冷作模具金屬其耐磨性和硬度均較高，且韌性和強(qiáng)度也優(yōu)，在淬火后就不必再予以加工。熱作模具種類較多，如壓鑄模具和熱變形模具，因而對其制作材料均提出了較高要求。熱作模具金屬就其強(qiáng)度、耐磨性或韌性，均須足夠高，即應(yīng)具備良好的高溫力學(xué)性能。

（4）量具金屬。量具金屬主要用于制作諸如螺旋測微儀、卡尺等測量工具所需的材料。在使用過程中，因量具與被測零部件一直接觸且需移動，故其破壞主要來自于不斷的磨損規(guī)程中。因此，為有效提高測量精度，其耐磨性和硬度均需足夠高，且應(yīng)具備一定的抗輕微碰撞能力。

2 關(guān)于如何做好工具鋼熱處理工藝設(shè)計優(yōu)化的探討

（1）低合金刃金屬熱處理工藝的優(yōu)化設(shè)計。有關(guān)球化退火，這是低合金金屬工具所采用的預(yù)先熱處理方式，其作用是對切削加性能及鍛造組織進(jìn)行有效改善；熱處理最后階段是以淬火配合低溫回火這種方式為主。有關(guān)回火馬氏體、碳化物以及一小部分殘余奧氏體，為其組織，去耐磨性及硬度均較高。采用9SiCr鋼來生產(chǎn)的圓板牙，這是用于對外螺紋進(jìn)行切削加工的刀具，其金屬中碳化物必須分布均勻，且在完成熱處理后應(yīng)具有較高的耐磨性和硬度，這樣其齒形才不至于變形過大。

其制作工藝流程主要有以下這些：①下料，②球化退火，③機(jī)加工（包括淬火、低溫回火、磨平面），④拋槽，⑤開口。9SiCr圓板牙在進(jìn)行球化退火時，多運(yùn)用等溫處理工藝，粒狀珠光體為其組織，硬度達(dá)到22HBW左右，符合切削加工的要求。在實施淬火配合低溫回火這種工藝時，應(yīng)使之預(yù)熱于610～660攝氏度之間，這可有效減少淬火隨之的淬火保溫時間，最大限度避免產(chǎn)生氧化脫碳這種情況。在完成860～880攝氏度加熱保溫之后，應(yīng)將之快速轉(zhuǎn)移至180攝氏度左右的硝鹽槽中再次實施分級淬火，減少淬火過程中產(chǎn)生形態(tài)變形；接著再次在200攝氏度左右的溫度下完成低溫回火，減少殘余應(yīng)力，這樣可達(dá)到比較高的硬度值。

（2）高速金屬熱處理工藝的設(shè)計優(yōu)化。此類金屬為萊氏體，具有較為復(fù)雜的鑄造組織。具有塊大的魚骨狀的共晶碳化物，只可借助鍛造才能擊碎而使其分布均勻。鍛造之后，高速金屬還具有較大硬度，可通過球化退火方式使其硬度降低，并削弱鍛造應(yīng)力，以此來為淬火做好準(zhǔn)備。1200攝氏度的高溫淬火，再輔以三次560攝氏度左右的次高溫回火，這是高速金屬的最終熱處理方式。在實施淬火之前，通常要予以預(yù)熱處理，為避免變形，可以鹽浴實施馬氏體分級淬火。進(jìn)行三次回火的主要作用是，盡可能地降低殘余奧氏體的含量，并削弱馬氏體轉(zhuǎn)變所生成的內(nèi)應(yīng)力。通過三次淬火，高速鋼會出現(xiàn)“二次硬化”，這將大大提高其硬度和耐磨性。

（3）模具金屬熱處理工藝的優(yōu)化設(shè)計。模具金屬主要用于諸如熱鍛壓模、冷沖壓模、壓鑄模等方面的模具，基于其不同使用條件和不同性質(zhì)，主要有熱作模具鋼和冷作模具金屬兩大類。熱作模具金屬通常選用淬火再輔以中溫回火，這可得到較為均勻的火火托氏體。某些壓鑄模或熱擠壓模等，還選用碳氮共滲、氮化等化學(xué)熱處理方式，以促使其使用年限和耐磨性得到大幅度提升。

（4）量具金屬熱處理的優(yōu)化設(shè)計。此類金屬應(yīng)盡可能地通過緩冷介質(zhì)來予以淬火，再予以深冷處理來降低其殘余奧氏體含量。為確保其具備較高的耐磨性和硬度，應(yīng)通過低溫回火這種方式來消除回力。在實際生產(chǎn)中，其生產(chǎn)工藝流程為：①鍛造、球化退火，②機(jī)加工、淬火，③冷處理、回火，④粗磨、低溫人工時效，⑤精磨，⑥低溫去應(yīng)力回火、研磨。通過這樣一系列熱處理，CrWMn鋼的切削加工性就得到了極大的提高。

3 結(jié)語

總之，在進(jìn)行機(jī)械制造和生產(chǎn)過程中，其所采用的各類工具絕大多數(shù)是對加工材料進(jìn)行切削、剪切、鍛造、沖裁以及擠壓等途徑。故在其性能方面，不管是耐磨性，還是硬度及強(qiáng)度和韌度，金屬工具材料都要大大優(yōu)于加工材料。因此，要最大限度發(fā)揮出金屬材料性能，必須重點考慮好其耐磨性和韌度的合理配置，在實際生產(chǎn)實踐中，不管是金屬的熱處理工藝，還是其合金化工藝，都是基于這一主題來實施優(yōu)化設(shè)計的。