M35鋼齒輪刀具的熱處理工藝改進

王銘劼

（哈爾濱第一工具制造有限公司 技術(shù)中心，哈爾濱 150078）

0 引言

M35鋼是含鈷超硬高速鋼之一。它是在M2高速鋼的基礎上，加入5%左右的鈷形成的W6Mo5Cr4V2Co5鋼，即M35鋼。與M2鋼相比，M35鋼有較高的硬度、紅硬性、耐磨性及強度與韌性，可制作切削速度較高的刀具，也可制造載荷大、形狀復雜、貴重的切削刀具（如拉削刀具、齒輪刀具）。它既能提高刀具的切削性能，又能減少刀具與工件的摩擦因數(shù)，因而逐漸被廣泛應用于刀具制造行業(yè)中。但是由于我國鈷價格昂貴，所以M35鋼多數(shù)用于制造齒輪刀具等復雜刀具。針對M35鋼投產(chǎn)齒輪刀具熱處理后硬度和紅硬性情況，本文進行了試驗分析，先制定出M35鋼的最佳熱處理工藝參數(shù)，再投產(chǎn)齒輪刀具產(chǎn)品，檢驗熱處理工藝參數(shù)的可行性。

1 M 35鋼熱處理工藝參數(shù)選取依據(jù)

高速鋼刀具在熱處理時，要選擇盡可能高的淬火溫度，因為淬火加熱中碳化物的溶解情況對刀具熱處理后的性能有很大的影響。若淬火加熱溫度過低，鋼中碳化物溶解就差，奧氏體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熱硬性。高的淬火溫度下加熱，碳化物溶解良好，淬火后馬氏體中合金度高，能使刀具有高的硬度和紅硬性。但是如果淬火溫度過高，則高速鋼容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，雖然能保證產(chǎn)品的硬度和紅硬性要求，但是產(chǎn)品的脆性會增加，韌性變差，使用時會產(chǎn)生崩刃等現(xiàn)象。欲使碳化物溶解良好，而又不表現(xiàn)出過熱的現(xiàn)象，應該采用正確的加熱溫度和合理的加熱時間。

2 M 35鋼熱處理工藝試驗過程

2.1 試樣的試驗過程和結(jié)果

試驗采用試樣為來自同一爐號的M35圓棒鋼材，外徑為130mm。檢測化學成分質(zhì)量分數(shù)為：0.89%C，6.01%W，3.93%Cr，1.88%V，4.88%Mo，4.59%Co。金相組織碳化物偏析4A級、中心疏松0.5級；硬度為255HB。此試樣化學成分符合國家標準GB/T9943-2008，碳化物分布、宏觀表面、硬度均符合標準ZBJ36003-87。

試樣外形為扇形，試樣厚度為8 mm，試驗采用鹽浴加熱，共選擇 4 組淬火溫度［1］，分別為 1190 ℃、1200 ℃、1210℃、1220℃，每個溫度下均加熱4min，采用鹽浴冷卻。回火溫度為550℃，回火次數(shù)為3次，每次回火時間60min。

分別將4個淬火溫度試樣縱向面經(jīng)打磨拋光觀察淬火晶粒度，其橫向面在磨床上平磨后在硬度計上檢測淬火狀態(tài)下硬度值，然后進行回火處理，再用同樣的方法觀察回火組織和淬回火硬度，結(jié)果顯示：不同工藝的回火組織均為回火馬氏體和彌散分布細小碳化物；淬火溫度1190℃下，淬火晶粒度10.5#，淬火硬度63.8 HRC，淬回火硬度66.5 HRC；淬火溫度1200℃下，淬火晶粒度10.5#，淬火硬度64.1 HRC，淬回火硬度66.9 HRC；淬火溫度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；淬火溫度1220℃下，淬火晶粒度10#，淬火硬度63.8 HRC，淬回火硬度67.6 HRC。

隨著淬火溫度的升高，淬火晶粒度逐漸長大，淬火硬度和淬回火硬度也逐漸升高。淬回火硬度比淬火硬度高出2HRC以上，體現(xiàn)出了高速鋼二次硬化的特點。

通過此試驗，確定出在實際生產(chǎn)中M35鋼投產(chǎn)齒輪刀具的熱處理工藝：淬火溫度1200～1210℃，回火溫度550℃。在此工藝下，硬度可保證在65～67 HRC。

2.2 齒輪刀具熱處理生產(chǎn)結(jié)果

齒輪刀具批量投產(chǎn)，采用上述熱處理工藝，熱處理后的硬度范圍多數(shù)集中在66～67.5 HRC，有時可達到68 HRC。通過分析發(fā)現(xiàn)，鋼廠為了節(jié)約成本，提供的M35圓棒鋼的化學成分中的合金元素含量均為國家標準（GB/T9943-2008）的中下限，這樣平衡碳 Cp［2］則降低，碳含量不變的情況下，對應的碳飽和度A［2］升高，二次硬化的能力增強，因此產(chǎn)品存在硬度時而偏高的現(xiàn)象。通過對齒輪刀具的壽命試驗，發(fā)現(xiàn)硬度控制在65～66.5 HRC之間產(chǎn)品的可用性較好，這樣就需要增加一次回火來降低產(chǎn)品硬度。而增加一次回火有許多生產(chǎn)弊端，尤其表現(xiàn)在產(chǎn)品成本增加和生產(chǎn)周期延長。為了避免此現(xiàn)象產(chǎn)生，針對此問題我們又進行了工藝改進，采用階梯式回火方式，通過進一步試驗來解決產(chǎn)品反復加回的現(xiàn)狀。

2.3 工藝改進試驗

試驗中試樣完全模擬產(chǎn)品的淬回火過程，具體為預熱：950℃×4 min，淬火加熱時間：4 min，冷卻方式：硝鹽冷卻，580℃×2 min；回火過程均采用鹽浴回火，回火時間60 min，共設計5種回火工藝。將淬火后、淬回火后的試樣進行平磨后，檢測硬度值。

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”均為階梯式回火方式。通過對不同回火狀態(tài)下硬度變化的分析，可以看出：

1）隨著淬火溫度的升高，試樣淬回火后硬度也逐漸升高。淬火溫度每升高10℃，淬回火后硬度可升高0.3～0.6 HRC，且淬火溫度越高，淬回火后硬度增幅越大。

2）在相同的淬火溫度下，3次回火全部采用一個溫度的方式時，我們可以看出：回火溫度越低，淬回火后硬度值越高。回火溫度每降低1℃，硬度值升高0.1～0.9 HRC，且隨著回火溫度降低，硬度值提高幅度減小。

3）在相同的淬火溫度下，回火方式在540℃×2次后，再分別采用540℃×1次與560℃×1次回火，對比可知，第三次回火時，將溫度提高20℃，硬度值平均下降0.5 HRC。

4）在相同的淬火溫度下，回火方式在550℃×2次后，再分別采用550℃×1次與560℃×1次回火，對比可知，第三次回火時，將溫度提高10℃，硬度值平均下降0.5HRC。

5）在相同淬火溫度下，“回火③：560 ℃×3 次”、“回火④：540℃×2次+560℃×1次”、“回火⑤：550℃×2次+560℃×1次”對比，回火④的試片硬度值最高，回火⑤的試片硬度值次之，回火③的硬度值最低。回火④與回火③對比，平均硬度增幅為0.3 HRC；回火⑤與回火③對比，平均硬度增幅為0.1 HRC。

6）隨著淬火溫度的升高，回火③、⑤、④三種狀態(tài)的回火硬度值的升高幅度越來越小，從1190℃時的0.4 HRC，至1220℃時趨于一致，為0 HRC。

7）從硬度值表可見，淬回火后二次硬化作用顯著，硬度平均提高3 HRC，且隨著淬火溫度的提高，二次硬化效果更加明顯，通過不同回火方式硬度可增高范圍越來越窄，從1 HRC降至0.4 HRC。

改進后的M35鋼齒輪刀具的熱處理工藝為：淬火溫度1200～1210℃，回火采用540℃×2次+560℃×1次。

3 M 35鋼熱處理工藝改進可行性驗證

投產(chǎn)齒輪刀具若干件，熱處理工藝采用1200～1210℃淬火，回火用540℃×2次+560℃×1次后檢測硬度值，再將隨爐每件產(chǎn)品的隨爐試樣（淬回火態(tài)）在空氣爐中加熱至600℃，保溫4 h后空冷，然后進行硬度測定，取3點的平均值為紅硬性的讀數(shù)。具體見表1。

表1 投產(chǎn)M 35鋼齒輪刀具化學成分、淬回火硬度、紅硬性硬度

表1中，9個批次不同齒輪刀具產(chǎn)品化學成分均符合國家標準，其中碳的質(zhì)量分數(shù)在中上限范圍，合金元素的質(zhì)量分數(shù)在中下限范圍，碳飽和度A值在國家標準中限（約0.79）以上。采用此熱處理工藝，可保證齒輪刀具產(chǎn)品硬度在65～66.5 HRC，紅硬性保證在63 HRC以上，能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪刀具產(chǎn)品在高速切削狀態(tài)下的紅硬性，提高產(chǎn)品的使用壽命。

4 結(jié)語

通過對M35鋼熱處理工藝細化試驗，制定出齒輪刀具熱處理工藝參數(shù)為：淬火溫度1200～1210℃，回火540℃×2次+560℃×1次，硬度可保證在65～66.5 HRC。采用階梯式回火工藝，在保證產(chǎn)品熱處理質(zhì)量的同時，縮短了產(chǎn)品熱處理生產(chǎn)周期和成本，提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 王金雙.M35高速鋼熱處理工藝研究［J］.金華職業(yè)技術(shù)學院學報，2004（3）：18.

［2］ 鄧玉昆，陳景榕，王世章.高速工具鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.