J I 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：2 服役条件及提出的性能要求和技术指标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，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，机械摩擦磨损是造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，而使麻花钻不能使用。

2.3 性能要求刃部要求：（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；500~600℃时仍保持50~60HRC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，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,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（%）0.80~0.900.15~0.400.20~0.453.80~4.401.75~2.205.50~6.754.50~5.50≤0.030≤0.0303.3.2 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。

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（℃）锻造温度热处理淬火（℃）回火（℃）Ac1 Acm Ar1 Ms 始锻（℃）终锻（℃）退火（℃）835 885 770 225 1040~1150 900~950 820~870 1225~1235 540~5804 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 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RX3-15 380 950 3 650×300×250 80 15-9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，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℃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 31800×900×550900图4 刃部正火曲线球化退火：加热温度840～860℃保温时间3～4h以上，保温后可采用10～20℃/h的速度冷却至500℃以下出炉设备：RX3-15-9最高工作温度950℃图5 球化退火W6Mo5Cr4V2 高速钢中含有大量M32C6、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℃。