某公司自用M8 × 1規(guī)格絲錐（見(jiàn)圖1和圖2），原采用高速鋼W6Mo5Cr4V2（M2）鋼制造，雖然使用壽命較長(zhǎng)，但其材料昂貴，熱處理成本高，隨著高速鋼價(jià)格的快速上漲，導(dǎo)致其產(chǎn)品的加工成本增高。對(duì)此，改用價(jià)格相對(duì)便宜的合金工具鋼9SiCr鋼制造，并進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)。結(jié)果表明，9SiCr鋼通過(guò)合理的熱處理，基本可以達(dá)到絲錐的使用性能要求，并滿足自用加工要求，獲得較高的性價(jià)比。

圖1  M8 ×1規(guī)格絲錐照片

圖2  M8 × 1規(guī)格絲錐結(jié)構(gòu)示意

一、絲錐材料與性能分析

作為切削用工具鋼，應(yīng)該具備的主要性能是耐磨性、韌性、熱硬性（或高溫硬度）等。表1為切削用碳素工具鋼（如T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13）、合金工具鋼（如9SiCr、CrWMn、Cr2、9Mn2V、GCr6、Cr12MoV、Cr12Mo）與高速鋼（如W18Cr4V、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2）的相對(duì)性能指標(biāo)。

通過(guò)表1可以看出，在幾種類(lèi)型工具鋼中，碳素工具鋼（如T12）的耐磨性和熱硬性最低，淬硬深度最淺，而且淬火畸變與開(kāi)裂傾向大，但其價(jià)格低廉，故適宜制造形狀簡(jiǎn)單的工具；合金工具鋼（如9SiCr）與碳素工具鋼在性能上大體相似，只是由于含有合金元素，故淬透性好，淬火時(shí)采用油冷或熱浴冷卻，以減少淬火畸變和開(kāi)裂，同時(shí)有較高的力學(xué)性能和耐回火性，適用于制造形狀較復(fù)雜的手工工具和切削性能要求不高的切削工具；高速工具鋼（如W6Mo5Cr4V2）的耐磨性和熱硬性最好，淬硬層深度深，淬火畸變與開(kāi)裂傾向小。但其韌性低，價(jià)格昂貴，故適宜制造切削速度較高的機(jī)用切削工具。

9SiCr鋼作為典型的高碳低合金工具鋼，其淬透性、淬硬性、韌性、耐磨性及耐回火性較好，熱處理畸變小，可用于制造低速切削工具。該鋼的碳化物分布均勻，不易析出網(wǎng)狀碳化物，并易于正火消除，通過(guò)正火可以消除網(wǎng)狀及粗片狀碳化物組織。9SiCr鋼通過(guò)合理的熱處理（淬火與回火）可以滿足絲錐的使用性能要求。由于該公司自用M8× 1規(guī)格絲錐主要用于手工操作，因此最終選用9SiCr鋼制造M8 × 1規(guī)格絲錐并進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

表1  切削用碳素工具鋼、合金工具鋼與高速鋼的相對(duì)性能指標(biāo)

二、9SiCr鋼的質(zhì)量要求

9SiCr鋼的化學(xué)成分與退火組織要求如下。

（1）化學(xué)成分要求  9SiCr鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T 1299—2000規(guī)定。其化學(xué)成分要求見(jiàn)表2。

表2   9SiCr鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）   （%）

（2）退火組織要求  9SiCr鋼的退火珠光體級(jí)別和網(wǎng)狀碳化物級(jí)別分別按GB/T 1298—1986和GB/T1299—2000的第一級(jí)別圖和第二級(jí)別圖評(píng)定，珠光體≤5級(jí)，網(wǎng)狀碳化物≤3級(jí)（φ≤60mm）。

三、9SiCr鋼絲錐的技術(shù)要求

9SiCr鋼制絲錐用于加工內(nèi)螺紋，由于切削時(shí)絲錐要承受較大摩擦力和扭轉(zhuǎn)力，因此絲錐整體要求較高整體強(qiáng)度和較高的韌性，刃部要求高的硬度和耐磨性，心部要求高的韌性和強(qiáng)度，柄部要求較高的強(qiáng)度與硬度。

9SiCr鋼制M8× 1規(guī)格絲錐技術(shù)要求如下：

（1）硬度要求  絲錐刃部硬度要求60~63HRC，柄部硬度要求45~50HRC。

（2）金相組織要求  絲錐熱處理馬氏體要求≤3級(jí)。

四、9SiCr鋼絲錐的熱處理工藝試驗(yàn)

1.熱處理設(shè)備

9SiCr鋼絲錐淬火加熱采用RDM-45-8型鹽浴爐，低溫回火采用RJ2-35-6型井式回火爐。

2.熱處理工藝試驗(yàn)

（1）加工工藝流程  下料→機(jī)械加工→預(yù)熱→淬火加熱→冷卻→柄部退火→回火→清洗→表面噴砂清理→磨削加工。

（2）裝夾  采用絲錐專(zhuān)用夾具，絲錐垂直立放，每個(gè)夾具放置40個(gè)絲錐。

（3）一次預(yù)熱  為了減小絲錐彎曲畸變，對(duì)其進(jìn)行一次預(yù)熱，其加熱溫度為600~650℃，保溫時(shí)間為15min左右。

（4）淬火加熱  9SiCr鋼絲錐通常選擇淬火溫度為850~870℃，對(duì)于較小規(guī)格絲錐（如M8）可選擇下限淬火溫度840~850℃，以減小畸變。

淬火加熱保溫時(shí)間。第一次試驗(yàn)采用保溫時(shí)間3.5min，淬油，效果不理想，硬度偏低，為58~60HRC。第二次試驗(yàn)延長(zhǎng)保溫時(shí)間至7min，采用堿液淬火-油冷方式，效果理想，硬度（63~64HRC）檢驗(yàn)結(jié)果合格。

（5）淬火冷卻  第一次試驗(yàn)（淬火加熱保溫時(shí)間3.5min）采用L-AN32全損耗系統(tǒng)用油淬火，刃部硬度為58~60HRC，試驗(yàn)結(jié)果硬度偏低。第二次試驗(yàn)（淬火加熱保溫時(shí)間7min）改用w_（NaOH）=40%~50%的堿性水溶液，以提高冷卻能力，采用堿液淬火-油冷方式，試驗(yàn)結(jié)果硬度63~64HRC，硬度合格。

（6）中間檢驗(yàn)  在每夾具中抽檢6支絲錐進(jìn)行檢驗(yàn)，其淬火后硬度為63~64HRC，金相組織檢驗(yàn)為馬氏體3級(jí)（見(jiàn)圖3），合格。

圖3  9SiCr鋼絲錐淬火組織（500×）

（7）柄部退火  采用鹽浴爐進(jìn)行550~600℃快速加熱退火，加熱時(shí)只允許柄部的1/3~1/2浸入鹽浴中，加熱時(shí)間15~20s。硬度46~50HRC。

（8）回火  絲錐淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火，以免產(chǎn)生裂紋。

絲錐整體回火溫度為170~190℃，保溫時(shí)間2h，回火次數(shù)1次，空冷，硬度為62~63HRC。

五、終檢

（1）畸變與開(kāi)裂  絲錐經(jīng)噴砂處理后，外觀檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)表面裂紋出現(xiàn)；絲錐彎曲畸變可以滿足技術(shù)要求。

（2）硬度  采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度，9SiCr鋼絲錐刃部硬度為62~63HRC，柄部硬度46~50HRC，完全達(dá)到絲錐技術(shù)要求。

（3）金相組織  采用4XB型金相顯微鏡檢查金相組織，9SiCr鋼絲錐金相組織為回火馬氏體。

六、工藝分析

從工藝要求可以看出，9SiCr鋼絲錐的熱處理，不僅要滿足其技術(shù)要求，獲得較高的使用壽命，而且對(duì)彎曲畸變有一定的要求。因此，熱處理時(shí)應(yīng)注意以下一些問(wèn)題。

（1）對(duì)淬火前組織的要求。為了得到高而均勻的淬火硬度，較小的淬火畸變，以及較高的使用壽命，淬火前9SiCr鋼材應(yīng)經(jīng)過(guò)退火（正火）預(yù)備熱處理，并經(jīng)復(fù)檢合格后方可投產(chǎn)。

（2）600~650℃鹽浴爐預(yù)熱的目的主要是減小加熱應(yīng)力，對(duì)減少絲錐畸變有利。

（3）淬火加熱溫度選擇下限840~850℃，是為減小淬火畸變。

（4）淬火。為獲得較高的淬火硬度，淬火冷卻介質(zhì)由L-AN32全損耗系統(tǒng)用油改為堿性水溶液，冷卻方式采用堿液淬火-油冷。

（5）由于絲錐淬火時(shí)柄部與刃部一起硬化，淬火后必須進(jìn)行柄部鹽浴快速退火，以提高柄部的強(qiáng)度與韌性，防止使用中產(chǎn)生脆性斷裂。

（6）最終低溫回火的目的是使淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，達(dá)到規(guī)定的硬度，同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高強(qiáng)度與韌性?；鼗饻囟纫?70~190℃為宜。因?yàn)?SiCr鋼在220~280℃回火時(shí)，有回火脆性，因此不宜提高回火溫度。而回火溫度過(guò)低又容易造成回火不足。

七、生產(chǎn)應(yīng)用

1.應(yīng)用

各取10只兩種材料（W6Mo5Cr4V2、9SiCr）絲錐進(jìn)行切削試驗(yàn)，被切削材料為45鋼（正火態(tài)，硬度197~217HBW），加工深度15mm，油冷卻，表3為W6Cr5Cr4V2鋼與9SiCr鋼絲錐切削結(jié)果。

表3  W6Cr5Cr4V2鋼與9SiCr鋼絲錐切削結(jié)果

由表3可以看出兩種不同材料制成的絲錐在試驗(yàn)規(guī)范相同條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，W6Cr5Cr4V2高速鋼制成的絲錐平均切削89個(gè)孔，而9SiCr制成的絲錐平均切削68個(gè)孔，基本滿足使用性能要求，并達(dá)到性價(jià)比要求。通過(guò)綜合測(cè)算，可降低產(chǎn)品加工成本約18.2%。

2.結(jié)論

通過(guò)生產(chǎn)應(yīng)用表明，9SiCr鋼制絲錐基本滿足該公司自用需要，并降低了生產(chǎn)成本。

八、先進(jìn)的離子鍍TiN涂層技術(shù)應(yīng)用

為了進(jìn)一步提高絲錐的使用壽命，國(guó)內(nèi)外已將離子鍍TiN涂層技術(shù)應(yīng)用于絲錐表面強(qiáng)化處理。國(guó)外（如日本等）已對(duì)高速鋼絲錐進(jìn)行離子鍍TiN涂層，并取得理想的效果。由于TiN涂層具有很高的耐磨性，可使絲錐使用壽命提高幾倍，目前TiN涂層絲錐產(chǎn)品已作為高質(zhì)量商品銷(xiāo)售。

國(guó)內(nèi)對(duì)W4Mo3Cr4VSiN高速鋼絲錐進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，絲錐經(jīng)淬火 + 3次回火后，采用TJ/8K型離子鍍專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行絲錐表面的TiN涂層試驗(yàn)，經(jīng)TiN涂層處理后絲錐表面呈金黃色（見(jiàn)圖4），TiN涂層厚度約2.5μm，涂層硬度1921HV，M8機(jī)用絲錐在S4012A臺(tái)式絲錐機(jī)上加工汽車(chē)聯(lián)軸器花鍵萬(wàn)向叉，絲錐使用壽命由常規(guī)處理（淬火、回火）的621件提高到1870件，使用壽命提高2倍以上。絲錐掉齒和啃扣失效形式基本消失，基本為正常的磨損失效。

圖4  TiN涂層高速鋼絲錐示意

受到先進(jìn)的離子鍍TiN涂層技術(shù)在高速鋼絲錐上成功應(yīng)用的啟發(fā)，該公司下一步準(zhǔn)備與相關(guān)公司或高校合作，對(duì)材料價(jià)格相對(duì)便宜的9SiCr鋼絲錐，經(jīng)常規(guī)淬火、回火后，進(jìn)行TiN涂層試驗(yàn)，以進(jìn)一步提高其使用壽命。

摘自《金屬加工（熱加工）》雜志

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