M35钢齿轮刀具的热处理工艺改进

王铭劼

（哈尔滨第一工具制造有限公司 技术中心，哈尔滨 150078）

0 引言

M35钢是含钴超硬高速钢之一。它是在M2高速钢的基础上，加入5%左右的钴形成的W6Mo5Cr4V2Co5钢，即M35钢。与M2钢相比，M35钢有较高的硬度、红硬性、耐磨性及强度与韧性，可制作切削速度较高的刀具，也可制造载荷大、形状复杂、贵重的切削刀具（如拉削刀具、齿轮刀具）。它既能提高刀具的切削性能，又能减少刀具与工件的摩擦因数，因而逐渐被广泛应用于刀具制造行业中。但是由于我国钴价格昂贵，所以M35钢多数用于制造齿轮刀具等复杂刀具。针对M35钢投产齿轮刀具热处理后硬度和红硬性情况，本文进行了试验分析，先制定出M35钢的最佳热处理工艺参数，再投产齿轮刀具产品，检验热处理工艺参数的可行性。

1 M 35钢热处理工艺参数选取依据

高速钢刀具在热处理时，要选择尽可能高的淬火温度，因为淬火加热中碳化物的溶解情况对刀具热处理后的性能有很大的影响。若淬火加热温度过低，钢中碳化物溶解就差，奥氏体中的含碳量及合金元素含量就低，淬火后就得不到高的硬度和热硬性。高的淬火温度下加热，碳化物溶解良好，淬火后马氏体中合金度高，能使刀具有高的硬度和红硬性。但是如果淬火温度过高，则高速钢容易出现过热现象，虽然能保证产品的硬度和红硬性要求，但是产品的脆性会增加，韧性变差，使用时会产生崩刃等现象。欲使碳化物溶解良好，而又不表现出过热的现象，应该采用正确的加热温度和合理的加热时间。

2 M 35钢热处理工艺试验过程

2.1 试样的试验过程和结果

试验采用试样为来自同一炉号的M35圆棒钢材，外径为130mm。检测化学成分质量分数为：0.89%C，6.01%W，3.93%Cr，1.88%V，4.88%Mo，4.59%Co。金相组织碳化物偏析4A级、中心疏松0.5级；硬度为255HB。此试样化学成分符合国家标准GB/T9943-2008，碳化物分布、宏观表面、硬度均符合标准ZBJ36003-87。

试样外形为扇形，试样厚度为8 mm，试验采用盐浴加热，共选择 4 组淬火温度［1］，分别为 1190 ℃、1200 ℃、1210℃、1220℃，每个温度下均加热4min，采用盐浴冷却。回火温度为550℃，回火次数为3次，每次回火时间60min。

分别将4个淬火温度试样纵向面经打磨抛光观察淬火晶粒度，其横向面在磨床上平磨后在硬度计上检测淬火状态下硬度值，然后进行回火处理，再用同样的方法观察回火组织和淬回火硬度，结果显示：不同工艺的回火组织均为回火马氏体和弥散分布细小碳化物；淬火温度1190℃下，淬火晶粒度10.5#，淬火硬度63.8 HRC，淬回火硬度66.5 HRC；淬火温度1200℃下，淬火晶粒度10.5#，淬火硬度64.1 HRC，淬回火硬度66.9 HRC；淬火温度1210℃下，淬火晶粒度10.5#～10#，淬火硬度64.2 HRC，淬回火硬度67.0 HRC；淬火温度1220℃下，淬火晶粒度10#，淬火硬度63.8 HRC，淬回火硬度67.6 HRC。

随着淬火温度的升高，淬火晶粒度逐渐长大，淬火硬度和淬回火硬度也逐渐升高。淬回火硬度比淬火硬度高出2HRC以上，体现出了高速钢二次硬化的特点。

通过此试验，确定出在实际生产中M35钢投产齿轮刀具的热处理工艺：淬火温度1200～1210℃，回火温度550℃。在此工艺下，硬度可保证在65～67 HRC。

2.2 齿轮刀具热处理生产结果

齿轮刀具批量投产，采用上述热处理工艺，热处理后的硬度范围多数集中在66～67.5 HRC，有时可达到68 HRC。通过分析发现，钢厂为了节约成本，提供的M35圆棒钢的化学成分中的合金元素含量均为国家标准（GB/T9943-2008）的中下限，这样平衡碳 Cp［2］则降低，碳含量不变的情况下，对应的碳饱和度A［2］升高，二次硬化的能力增强，因此产品存在硬度时而偏高的现象。通过对齿轮刀具的寿命试验，发现硬度控制在65～66.5 HRC之间产品的可用性较好，这样就需要增加一次回火来降低产品硬度。而增加一次回火有许多生产弊端，尤其表现在产品成本增加和生产周期延长。为了避免此现象产生，针对此问题我们又进行了工艺改进，采用阶梯式回火方式，通过进一步试验来解决产品反复加回的现状。

2.3 工艺改进试验

试验中试样完全模拟产品的淬回火过程，具体为预热：950℃×4 min，淬火加热时间：4 min，冷却方式：硝盐冷却，580℃×2 min；回火过程均采用盐浴回火，回火时间60 min，共设计5种回火工艺。将淬火后、淬回火后的试样进行平磨后，检测硬度值。

1200℃淬火硬度64.1HRC，1210℃淬火硬度64.2HRC，1220℃淬火硬度63.8 HRC。

回火①：540℃×3次下，1200℃淬回火硬度67.0HRC，1210℃淬回火硬度67.3HRC，1220℃淬回火硬度67.7HRC。

回火②：550℃×3次下，1200℃淬回火硬度66.9HRC，1210℃淬回火硬度67.0HRC，1220℃淬回火硬度67.6HRC。

回火③：560℃×3次下，1200℃淬回火硬度 66.1 HRC，1210℃淬回火硬度66.4HRC，1220℃淬回火硬度67.3 HRC。

回火④：540℃×2次+560℃×1次下，1200℃淬回火硬度66.5 HRC，1210℃淬回火硬度66.8 HRC，1220℃淬回火硬度67.3 HRC。

回火⑤：550℃×2次+560℃×1次下，1200℃淬回火硬度66.2 HRC，1210℃淬回火硬度66.7 HRC，1220℃淬回火硬度67.3 HRC。

“回火④：540℃×2次+560℃×1次”和“回火⑤：550℃×2次+560℃×1次”均为阶梯式回火方式。通过对不同回火状态下硬度变化的分析，可以看出：

1）随着淬火温度的升高，试样淬回火后硬度也逐渐升高。淬火温度每升高10℃，淬回火后硬度可升高0.3～0.6 HRC，且淬火温度越高，淬回火后硬度增幅越大。

2）在相同的淬火温度下，3次回火全部采用一个温度的方式时，我们可以看出：回火温度越低，淬回火后硬度值越高。回火温度每降低1℃，硬度值升高0.1～0.9 HRC，且随着回火温度降低，硬度值提高幅度减小。

3）在相同的淬火温度下，回火方式在540℃×2次后，再分别采用540℃×1次与560℃×1次回火，对比可知，第三次回火时，将温度提高20℃，硬度值平均下降0.5 HRC。

4）在相同的淬火温度下，回火方式在550℃×2次后，再分别采用550℃×1次与560℃×1次回火，对比可知，第三次回火时，将温度提高10℃，硬度值平均下降0.5HRC。

5）在相同淬火温度下，“回火③：560 ℃×3 次”、“回火④：540℃×2次+560℃×1次”、“回火⑤：550℃×2次+560℃×1次”对比，回火④的试片硬度值最高，回火⑤的试片硬度值次之，回火③的硬度值最低。回火④与回火③对比，平均硬度增幅为0.3 HRC；回火⑤与回火③对比，平均硬度增幅为0.1 HRC。

6）随着淬火温度的升高，回火③、⑤、④三种状态的回火硬度值的升高幅度越来越小，从1190℃时的0.4 HRC，至1220℃时趋于一致，为0 HRC。

7）从硬度值表可见，淬回火后二次硬化作用显著，硬度平均提高3 HRC，且随着淬火温度的提高，二次硬化效果更加明显，通过不同回火方式硬度可增高范围越来越窄，从1 HRC降至0.4 HRC。

改进后的M35钢齿轮刀具的热处理工艺为：淬火温度1200～1210℃，回火采用540℃×2次+560℃×1次。

3 M 35钢热处理工艺改进可行性验证

投产齿轮刀具若干件，热处理工艺采用1200～1210℃淬火，回火用540℃×2次+560℃×1次后检测硬度值，再将随炉每件产品的随炉试样（淬回火态）在空气炉中加热至600℃，保温4 h后空冷，然后进行硬度测定，取3点的平均值为红硬性的读数。具体见表1。

表1 投产M 35钢齿轮刀具化学成分、淬回火硬度、红硬性硬度

表1中，9个批次不同齿轮刀具产品化学成分均符合国家标准，其中碳的质量分数在中上限范围，合金元素的质量分数在中下限范围，碳饱和度A值在国家标准中限（约0.79）以上。采用此热处理工艺，可保证齿轮刀具产品硬度在65～66.5 HRC，红硬性保证在63 HRC以上，能够实现齿轮刀具产品在高速切削状态下的红硬性，提高产品的使用寿命。

4 结语

通过对M35钢热处理工艺细化试验，制定出齿轮刀具热处理工艺参数为：淬火温度1200～1210℃，回火540℃×2次+560℃×1次，硬度可保证在65～66.5 HRC。采用阶梯式回火工艺，在保证产品热处理质量的同时，缩短了产品热处理生产周期和成本，提高了生产效率。

［1］ 王金双.M35高速钢热处理工艺研究［J］.金华职业技术学院学报，2004（3）：18.

［2］ 邓玉昆，陈景榕，王世章.高速工具钢［M］.北京：冶金工业出版社，2002.