金属热处理科技工艺优化设计探讨

（天津工业职业学院，天津 3004000）

我国经济的快速发展，也带来了我国装备制造业的迅猛发展，在这一发展过程中，有关如何合理使用工程材料使之发挥最大效益这个问题也日益引起人们的关注和重视。实践表明，要使所制得的工业产品具备最佳性能和最受消费者喜欢的形貌，就一定要选择最合适的材料来制作和生产；如果所用的生产材料不合乎规范，就将使所设计生产出来的工业制成品，无法最大限度发挥其最佳性能，而且也很有可能因此而使其使用年限大大降低下来；以下在对工具钢种类及其性能要求进行了分析的基础上，就如何做好金属热处理工艺优化设计这个课题，进行了一些分析和探讨[1]。

1 关于金属种类及其性能要求的分析

所谓合金金属，指的就是基于碳素工具钢再注入一定数量和种类的合金金属元素，用于制造出生产过程中所需的各类模具、刃具及量具等的通用金属材料[2]。相比于碳素金属，不管是耐磨性，还是其硬度，合金工具钢都要远远优得多，而且在其回火稳定性、红硬性或淬透性等方面，也要比碳素工具钢来得优。

1.1 金属的种类

在实际生产中有关金属的分类，主要有以下这两种方式：第一种方式基于其所含主要成分来进行分类的，通常可分为合金金属和碳素工具钢这两类。第二种方式基于其主要用途来进行分类的，通常可分为量具金属、模具金属及刃具金属这三类。

1.2 金属的工作条件及性能要求

（1）低合金刀刃金属。这种金属主要用于那些速度不快且使用刀具量不多的机用工具，此外，那些对刃具要求不是特别高的机用工具也可采用此种低合金刃具金属。碳素金属工具具有诸多优点，如价格不高、耐磨性良好等，而且通过一定的热处理后，可大大提高其耐磨性和硬度。

（2）高速金属。科技的快速发展，也带来了切削加工速度的大幅度提高。随着这一加工速度的日益加快，以及所加工材料强度的日益提高，在切削过程中所产生的热量也日益增多，这就使得刃具所接受的温度也在快速提高，而且刀具在切削过程中所承受的切削载荷也在不断增大，所有这些都需要刀具材料不仅要具备更高的硬度，而且还需具备更高的热硬性。实际生产中所采用的高速工具钢，其平均质量分数通常在0.8%～1.6%之间，而且具有很好的回火稳定性。因此在实际中，不仅各自切削刀具的制作多采用高速工具钢，而且某些重载冷作模具及其结构件的制作，也多选用高速金属。

（3）模具金属。通常有热作和冷作两种模具金属，冷作模具金属其耐磨性和硬度均较高，且韧性和强度也优，在淬火后就不必再予以加工。热作模具种类较多，如压铸模具和热变形模具，因而对其制作材料均提出了较高要求。热作模具金属就其强度、耐磨性或韧性，均须足够高，即应具备良好的高温力学性能。

（4）量具金属。量具金属主要用于制作诸如螺旋测微仪、卡尺等测量工具所需的材料。在使用过程中，因量具与被测零部件一直接触且需移动，故其破坏主要来自于不断的磨损规程中。因此，为有效提高测量精度，其耐磨性和硬度均需足够高，且应具备一定的抗轻微碰撞能力。

2 关于如何做好工具钢热处理工艺设计优化的探讨

（1）低合金刃金属热处理工艺的优化设计。有关球化退火，这是低合金金属工具所采用的预先热处理方式，其作用是对切削加性能及锻造组织进行有效改善；热处理最后阶段是以淬火配合低温回火这种方式为主。有关回火马氏体、碳化物以及一小部分残余奥氏体，为其组织，去耐磨性及硬度均较高。采用9SiCr钢来生产的圆板牙，这是用于对外螺纹进行切削加工的刀具，其金属中碳化物必须分布均匀，且在完成热处理后应具有较高的耐磨性和硬度，这样其齿形才不至于变形过大。

其制作工艺流程主要有以下这些：①下料，②球化退火，③机加工（包括淬火、低温回火、磨平面），④抛槽，⑤开口。9SiCr圆板牙在进行球化退火时，多运用等温处理工艺，粒状珠光体为其组织，硬度达到22HBW左右，符合切削加工的要求。在实施淬火配合低温回火这种工艺时，应使之预热于610～660摄氏度之间，这可有效减少淬火随之的淬火保温时间，最大限度避免产生氧化脱碳这种情况。在完成860～880摄氏度加热保温之后，应将之快速转移至180摄氏度左右的硝盐槽中再次实施分级淬火，减少淬火过程中产生形态变形；接着再次在200摄氏度左右的温度下完成低温回火，减少残余应力，这样可达到比较高的硬度值。

（2）高速金属热处理工艺的设计优化。此类金属为莱氏体，具有较为复杂的铸造组织。具有块大的鱼骨状的共晶碳化物，只可借助锻造才能击碎而使其分布均匀。锻造之后，高速金属还具有较大硬度，可通过球化退火方式使其硬度降低，并削弱锻造应力，以此来为淬火做好准备。1200摄氏度的高温淬火，再辅以三次560摄氏度左右的次高温回火，这是高速金属的最终热处理方式。在实施淬火之前，通常要予以预热处理，为避免变形，可以盐浴实施马氏体分级淬火。进行三次回火的主要作用是，尽可能地降低残余奥氏体的含量，并削弱马氏体转变所生成的内应力。通过三次淬火，高速钢会出现“二次硬化”，这将大大提高其硬度和耐磨性。

（3）模具金属热处理工艺的优化设计。模具金属主要用于诸如热锻压模、冷冲压模、压铸模等方面的模具，基于其不同使用条件和不同性质，主要有热作模具钢和冷作模具金属两大类。热作模具金属通常选用淬火再辅以中温回火，这可得到较为均匀的火火托氏体。某些压铸模或热挤压模等，还选用碳氮共渗、氮化等化学热处理方式，以促使其使用年限和耐磨性得到大幅度提升。

（4）量具金属热处理的优化设计。此类金属应尽可能地通过缓冷介质来予以淬火，再予以深冷处理来降低其残余奥氏体含量。为确保其具备较高的耐磨性和硬度，应通过低温回火这种方式来消除回力。在实际生产中，其生产工艺流程为：①锻造、球化退火，②机加工、淬火，③冷处理、回火，④粗磨、低温人工时效，⑤精磨，⑥低温去应力回火、研磨。通过这样一系列热处理，CrWMn钢的切削加工性就得到了极大的提高。

3 结语

总之，在进行机械制造和生产过程中，其所采用的各类工具绝大多数是对加工材料进行切削、剪切、锻造、冲裁以及挤压等途径。故在其性能方面，不管是耐磨性，还是硬度及强度和韧度，金属工具材料都要大大优于加工材料。因此，要最大限度发挥出金属材料性能，必须重点考虑好其耐磨性和韧度的合理配置，在实际生产实践中，不管是金属的热处理工艺，还是其合金化工艺，都是基于这一主题来实施优化设计的。