劉軍，于重霞

金屬切削加工向著高速、高效、高可靠性、專用化的方向發(fā)展，刀具用戶對(duì)刀具的硬度、耐磨性等性能要求越來(lái)越高，刀具企業(yè)加速結(jié)構(gòu)調(diào)整推動(dòng)高效刀具的發(fā)展已刻不容緩，根據(jù)加工對(duì)象和切削條件確定刀具的幾何參數(shù)和與之相適應(yīng)的冷熱加工工藝，為客戶提供個(gè)性化的高效刀具及全面的金屬切削解決方案，才能獲得穩(wěn)定可靠的市場(chǎng)。材料、熱處理和表面改性的涂層技術(shù)是影響刀具性能的主要因素。

一、加工調(diào)質(zhì)鋼和高強(qiáng)度鋼的高性能絲錐

42Cr Mo、35Cr MnSi、40CrNiMo等合金結(jié)構(gòu)鋼韌性很高，加工時(shí)難以斷屑，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具備了更高的強(qiáng)度，但仍保持較高的韌性，這對(duì)切削加工十分不利，特別是攻螺紋十分困難。用普通絲錐攻螺紋時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)絲錐斷在孔內(nèi)的情況，加工無(wú)法進(jìn)行。因此，必須生產(chǎn)出能夠提高切削效率，能與先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床、加工中心相配套的高效絲錐。在這種絲錐的生產(chǎn)中選擇好的材料和精細(xì)的熱處理工藝是非常重要的。

1.材料的選擇

高性能絲錐應(yīng)具有高的硬度和更高的耐熱性能，才能滿足高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼及高的切削速度和加工效率的要求。需選用在高溫度下（600℃左右）能保持其切削性能和耐磨性的高速工具鋼，而鈷高速工具鋼具有比普通高速工具鋼更高的硬度和熱硬性，在切削難加工材料時(shí)突顯其能。

目前常用的鈷高速工具鋼有M35和M42，從絲錐使用性能要求看需要有一定的韌性，確定使用韌性、抗彎性能相對(duì)較高的M35鈷高速工具鋼。

在鋼材的選擇上，國(guó)產(chǎn)鋼材雖然成分控制精確，控制元素也較多，但總體鋼材純凈度較差，使得淬回火脆性增大趨勢(shì)明顯，從碳化物形態(tài)看，法國(guó)ERASTEEL生產(chǎn)的EM35碳化物顆粒大小及均勻性明顯好于國(guó)產(chǎn)M35（見(jiàn)圖1）。綜合考慮各項(xiàng)決定選用法國(guó)ERASTEEL生產(chǎn)的EM35鈷高速工具鋼（化學(xué)成分見(jiàn)表1）。

2.熱處理淬回火工藝

EM35高性能絲錐熱處理技術(shù)要求為：硬度65～67HRC，淬火晶粒度10.5～11.5級(jí)，回火程度1級(jí)。

ERASTEEL推薦其絲錐用淬火溫度1180～1220℃，回火溫度550～570℃。

（1）淬火加熱溫度對(duì)組織性能的影響 用1190℃、1220℃、1230℃分別進(jìn)行了淬火工藝試驗(yàn)，淬火組織見(jiàn)圖2，結(jié)果見(jiàn)表2。

從圖2可以看出1200℃淬火晶粒較細(xì)，而且基體中有明顯的未溶碳化物，說(shuō)明淬火基體中溶入的碳及合金元素含量較低，即基體合金度較低，這不利于鋼的硬度特別是熱硬性的提高。

表1 EM35鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 國(guó)內(nèi)外高速鋼碳化物形態(tài)對(duì)比 500×

1220℃淬火晶粒為10.5級(jí)，基體中未溶碳化物較少，說(shuō)明淬火基體合金度較好，能保證硬度和熱硬性。

1230℃淬火基體合金度較好，但出現(xiàn)了較大的晶粒，這易使絲錐脆性增大，造成使用過(guò)程中崩刃、脆斷等早期失效。

（2）回火 由于高速工具鋼淬火后殘留奧氏體較多，在回火過(guò)程中會(huì)發(fā)生二次淬火，應(yīng)進(jìn)行3～4次回火才能完全消除殘留奧氏體達(dá)到充分回火。根據(jù)ERASTEEL推薦的回火溫度按560℃×1h×3次回火，組織達(dá)1級(jí)。

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析 從淬火晶粒度及表2可以看出：淬火溫度升高，晶粒長(zhǎng)大，溶入基體的碳及合金元素含量增加，基體合金度增高，有利于熱硬性的提高；溫度高過(guò)1230℃會(huì)導(dǎo)致晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，晶粒度增加到10級(jí)，強(qiáng)度下降，脆性增大；高速工具鋼淬火時(shí)，為獲得最高熱硬性的淬火溫度與獲得最高強(qiáng)度的淬火溫度并不一致，因此應(yīng)根據(jù)刀具的使用性能要求選擇盡可能高的溫度，即不出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大的最高溫度，使碳化物盡可能多地溶解，在隨后回火時(shí)，有更多的碳化物析出，從而獲得高的硬度與熱硬性，滿足高強(qiáng)度鋼的切削要求。

故確定EM35最佳淬火溫度1210～1220℃，晶粒度1 0.5～1 1級(jí)，回火工藝560℃±10℃×1h×3次，淬火、回火硬度65～67HRC。

二、加工不銹鋼、有色金屬的涂層刀具

涂層刀具常用于加工鈦合金、硅鋁合金、不銹鋼等，這類材料由于具有強(qiáng)度、剛度高，耐蝕性強(qiáng)，以及耐磨性好等優(yōu)良的物理、力學(xué)性能，在航空航天、軍工等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。然而正是由于這些性能又使它們屬于典型的難加工材料，切削過(guò)程中表現(xiàn)為切削力大、熱導(dǎo)率低、切削強(qiáng)度高，加工硬化嚴(yán)重。涂層刀具具有良好的高溫硬度、高溫抗磨損性能，盡量小的表面摩擦因數(shù)，減小加工過(guò)程中的摩擦阻力和粘連性，從而有效地提高切削速度，實(shí)現(xiàn)干式切削，減少非生產(chǎn)時(shí)間（如換刀、磨、對(duì)刀），減少返工等，提高生產(chǎn)效率。涂層工藝技術(shù)不再贅述。

表2 不同溫度淬火EM35鋼的組織與性能

圖2 不同溫度的淬火晶粒度 500×

三、M1.8-M2.5小型普通機(jī)用絲錐

小型絲錐由于直徑很小，絲錐的整體剛度、強(qiáng)度低，脆性大，攻螺紋時(shí)常出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)材料、硬度、熱處理的改進(jìn)，使小絲錐的各項(xiàng)性能得到了提升。

1.材料的選擇

國(guó)產(chǎn)通用高速工具鋼M2價(jià)格便宜，但存在著冶金質(zhì)量差、市場(chǎng)混亂等問(wèn)題，用其生產(chǎn)的小絲錐斷裂率高，甚至在斷口上可看到明顯的材質(zhì)疏松孔洞，且淬回火硬度散差大，不能適應(yīng)小絲錐苛刻的工作條件。為徹底提升產(chǎn)品質(zhì)量，選用法國(guó)ERASTEEL高性能高速工具鋼EM35，其冶金質(zhì)量、碳化物均勻性、硬度均勻性都明顯高于國(guó)產(chǎn)M2鋼（見(jiàn)圖3）。

2.硬度的確定

為降低脆性、增加韌性，適當(dāng)降低了硬度，由通常的65～67HRC降為62～64HRC，這樣既增加了韌性，又可保證其正常的切削性能和使用壽命，而且還降低了加工絲錐時(shí)的磨削難度。

3.淬回火工藝

為保證熱硬性仍用1210～1220℃的溫度真空淬火，回火時(shí)兼顧硬度指標(biāo)，將第一次回火溫度提為600℃×2h，使硬度降到62～64HRC，然后再按560℃×2h×2次回火。由于硬度公差范圍小，因此對(duì)加熱爐中溫度均勻性要求很高，淬火在真空爐進(jìn)行，回火用硝鹽回火爐。

四、結(jié)語(yǔ)

提高高速工具鋼刀具質(zhì)量是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其中熱處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)還要根據(jù)刀具用戶的不同需求積極選用新材料、新涂層、新技術(shù)、新工藝，只有重視和搞好每一個(gè)環(huán)節(jié)，才能生產(chǎn)出具有個(gè)性化的高效刀具，提升制造業(yè)服務(wù)的水平與能力（文中引用的高速工具鋼鋼號(hào)按我國(guó)鋼號(hào)為：M35—W6Mo5Cr4V2Co5，EM35—W6Mo5Cr4V2Co5，M2—W6Mo5Cr4V2）。

圖3 國(guó)產(chǎn)M2與法國(guó)EM35碳化物對(duì)比 500×

20140218