合金工具钢典型刃具的热处理实例

1.合金工具钢圆板牙的淬火和回火

（1）所用材料和技术要求 合金工具钢圆板牙通常用9SiCr制作，其淬火、回火技术要求如下。

1）硬度为60～63HRC。

2）金相组织为回火马氏体≤3级+少量残留奥氏体+分布均匀的碳化物

3）螺孔圆度≤0.12mm，最终修整深度不得大于0.15mm。

4）表面发蓝处理。

（2）工艺分析 圆板牙属低速切削的手用刃具，要求齿部有较好的耐磨性和高硬度。同时，齿部不宜太脆，即要有较好的韧性。9SiCr钢脱碳倾向较大，特别应注意加热介质的选择。另外，该材料的耐回火性较好，在确定回火温度时，在要求同等硬度的情况下应比碳素工具钢和其他合金工具钢高些。

（3）热处理工艺9SiCr钢圆板牙淬火和回火工艺规范如表2-18所示。

表2-18 9SiCr钢圆板牙淬火和回火工艺规范

（4）操作要点

1）加热时应采取有效措施，严格防止氧化、脱碳。

2）9SiCr钢较大规格（M10～M24）手用丝锥采用较低的淬火温度和较高的分级温度，以便减小淬火热应力；较小规格的丝锥应采用上限温度和下限等温温度，以便增加组织应力。

3）淬火后应检查硬度，作为考核淬火质量和确定回火温度的依据。

4）圆板牙淬火加热和冷却应严格控制其温度和时间，并兼顾使用性能和变形量不超差。等温时间一般为30～45min，随后空冷到室温方可清洗。

5）合金工具钢圆板牙淬火变形规律，也是主要受热应力和组织应力影响，如图2-10和图2-11所示。

6）小规格（M0.25～M0.9）圆板牙淬火时，不宜直接在盐浴中加热，熔融的盐液挂在小齿间而影响冷却速度。最好在真空炉或保护气氛炉中加热，而且加热后尽量快速移入冷却介质，避免齿部温度降低而影响淬火效果。无上述条件时，可装罐密封（里面放少量沥青块在高温下气化燃烧掉罐中的氧）在盐浴炉或箱式炉中加热。加热后开盖倒入冷却介质中即可。其加热温度为860℃，等温温度为175℃。保持30min后空冷。

7）特大规格圆板牙淬火时，要求硬度为58～62HRC，内径变形不大于±0.04mm。实践证明，仅通过调整加热温度和等温度方法，满足不了变形要求。通过试验采用下面的工艺获得了很好的效果：大型圆板牙在860℃加热后，加装如图2-11所示的冷却套以减缓外围冷却速度，在165℃硝盐浴中保持60min后空冷，经200℃回火1.5h后空冷。结果硬度、金相组织和变形量均合格。

图2-11 特大型圆板牙和淬火冷却套示意图

a）淬火冷却外套 b）大型圆板牙示意图

2.合金工具钢手用铰刀的淬火和回火

（1）所用材料和技术要求 合金工具钢手用铰刀通常用9SiCr制作，其淬火回火技术要求如下。

1）刃部硬度，其直径为3～68mm者为62～64HRC；直径大于68mm者为63～65HRC。

2）柄部硬度，30～45HRC。

3）弯曲变形量，根据不同规格要求，控制为0.15～0.30mm。

4）淬火回火后发蓝处理。

（2）工艺分析 该铰刀属低速切削的手用刃具，要求齿部有极好的耐磨性和高硬度。但齿部不宜太脆，即要有一定的韧性。

9SiCr钢脱碳倾向较大，特别应注意加热介质的选择。另外，该材料的耐回火性较好，在确定回火温度时，在要求同等硬度的情况下应比碳素工具钢和其他合金工具钢高些。

（3）热处理工艺9SiCr钢手用铰刀淬火和回火工艺如表2-19所示。

表2-19 9SiCr钢手用铰刀淬火和回火工艺规范

（4）操作要点

1）加热时应采取有效措施，严格防止氧化、脱碳。

2）9SiCr钢较大规格（ϕ>13mm）手用铰刀，采用较高的淬火温度和较低的分级温度，以便增加其淬透深度。较小规格的铰刀应采用下限温度和下限等温温度，以便减小淬火变形。

3）淬火后应检查硬度，作为考核淬火质量和确定回火温度的依据。

4）铰刀淬火加热和冷却应严格控制其温度和时间，并兼顾使用性能和变形量不超差。等温时间一般为30～45min，随后空冷到室温方可清洗。

5）变形规律 合金工具钢铰刀淬火变形，也是受热应力和组织应力的影响为主，如图2-12所示。同时，变形还与冷却不均有很大关系，不均匀冷却淬火的轴类件往往会导致快冷部分最终呈凸起状态。

从图2-12中可以看出，热应力导致圆柱形刃具直径变粗，长度变短（成腰鼓型）；组织应力的影响与热应力影响恰恰相反，即成凹鼓形。冷却不均造成的变形规律是冷却快的部分，在冷却初期（未发生组织转变前）由于冷却快收缩大，则成凹陷状；组织转变后由于马氏体比体积大使其呈凸起状。两种作用的结果取决于冷却不均的程度，即不均的程度很大时，最终快冷部分呈凹陷状；冷却不均程度不大时，最终呈凸起状。

图2-12 两种应力对变形的影响规律

a）热应力作用下的变形 b）组织应力作用下的变形

无论凸起还是凹陷，最终都导致刃具弯曲变形。因此，对于细长刃具淬火而言，冷却的均匀性十分重要。在实际生产过程中，淬火弯曲变形超差的铰刀，可以采取趁热校正法或借助夹具进行校正。趁热校正适合小批量或大规格铰刀的校正。

利用夹具校正如图2-13所示。即将变形的铰刀置于夹具中，给弯曲部分加压，然后连同夹具一起浸入140～160℃硝盐浴中，保持10min后取出冷却。经检查合格后进行稳定化处理。该种方法适用于淬火校正后仍未合格的铰刀的再校正。

图2-13 铰刀校正夹具示意图

3.合金工具钢搓丝板的淬火和回火

（1）所用材料和技术要求 合金工具钢搓丝板材料多数用9SiCr钢，其淬火和回火技术要求如下。

1）硬度，齿部以下3～5mm为58～61HRC。

2）基体组织为回火马氏体≤3级。

3）变形不得超过允许范围。

4）表面发蓝处理。

（2）工艺分析 搓丝板是滚压螺纹的刃具，工作时齿部承受强烈挤压、磨损和冲击。其失效特点是齿尖磨损和齿面疲劳损坏等。因此，搓丝板要求齿部有较高的硬度和疲劳强度以及一定的韧性。9SiCr钢具有耐回火性好、脱碳敏感性强等特点。因此，加热时应采取有效措施防止氧化脱碳。在同等硬度下，其回火温度应比其他合金工具钢和碳素工具钢高。

（3）热处理工艺9SiCr钢搓丝板淬火和回火工艺如表2-20所示。

表2-20 9SiCr钢搓丝板淬火和回火工艺规范

（4）操作要点

1）加热时应采取有效措施，严格防止氧化、脱碳。

2）9SiCr钢搓丝板，因有效厚度较大，故采用较高的淬火温度和较低的分级温度，以便增加其淬透深度。较小厚度搓丝板应采用下限淬火温度和下限分级温度，以便减小淬火变形。

3）淬火后应检查硬度，作为考核淬火质量和确定回火温度的依据。

4）搓丝板淬火加热和冷却应严格控制其温度和时间，并兼顾使用性能和变形量不超差。分级时间一般以内外温度一致即可，随后空冷到室温方可清洗。

5）变形规律。合金工具钢搓丝板淬火变形，也是受热应力和组织应力的影响为主，同时与冷却不均有很大关系。如图2-12所示，因齿形冷却面积大，则冷却速度快，造成优先收缩，使齿面呈凹陷形。待发生马氏体转变膨胀时，因其他部位也已冷却下来后强度很大，难于使原有的变形得以恢复。因此，符合冷却不均对变形的影响规律。

6）变形的校正，搓丝板通常由于齿面纵向平行度超差而不合格。当无法用磨削加工修整时，必须通过热处理工序进行校正。

①齿面内凹校正。出现这种变形可用背面热点法校正，如图2-14所示。为了防止产生裂纹可在热点前对搓丝板进行预热（在180℃加热保温透烧），然后进行热点校正。其后进行180～200℃，保持1～2h的去应力回火。必须注意：热点加热不得影响齿面硬度，背面硬度不得低于55～58HRC；热点一处仍不合格，可在多处热点，甚至热点连成线或面。

图2-14 搓丝板齿面内凹热点校正示意图

1—氧-乙炔火焰 2—撮丝板 3—垫铁 4—热点位置

②齿面外凸校正。产生这种变形时，可采用一边在背面局部或整面烘烤，一边在齿面施以一定压力进行校正，如图2-15所示。为避免伤及齿面，应在施压处垫上铜板等软质材料。操作时的注意要点与齿面内凹校正法相同。

4.9SiCr钢制圆刀片冷处理急热法工艺

9SiCr钢制三种圆刀片的基本尺寸和技术要求，如表2-21所示。(www.xing528.com)

（1）工艺分析 根据表2-21所示条件，欲想达到硬度要求，又要防止淬火和磨削产生裂纹，并把变形控制在最小范围内，用常规的热处理工艺方法难以实现。采用激冷淬火+冷处理急热工艺，可获得较好的效果。

（2）热处理工艺

1）去应力退火。在450～500℃加热，保温1.5～2h。

2）淬火。在860～870℃加热，按时间系数0.5min/mm计算保温时间。淬火介质为密度为1.28～1.33g/cm³CaCl₂水溶液。淬火后在140～150℃保持1～2h回火后空冷。

3）冷处理。在-78℃保持1h后，在100℃热水中煮沸5～8min取出。

4）时效处理。在125～135℃保持24h。

（3）处理效果 按上述处理的三种刀片，硬度为65～67HRC（90.5～95HS）。无磨削裂纹，粗磨后应再度进行一次125～135℃保持24h的时效处理，以便消除磨削应力。

图2-15 搓丝板齿面外凸背面烘烤，齿面施压校正示意图

1—校直机 2—压头和垫板 3—搓丝板 4—垫块

表2-21 9SiCr钢制圆刀片尺寸和硬度

5.9SiCr钢制丝锥脱碳补救工艺

在9SiCr钢制丝锥正常热处理生产过程中，出现了成批的产品硬度<49HRC的情况。

（1）质量分析 造成丝锥淬火后硬度不足的原因有多种，如淬火温度偏低、保温时间不足、淬火加热出炉后预冷时间过长、冷却介质老化、淬火加热过程脱碳及原材料脱碳层超标等。对生产过程的操作记录、仪表精度和控制系统进行全面检查，未发现不正常现象。继而用火花鉴别其材质，确认丝锥材料为9SiCr钢。在进一步对硬度不合格丝锥进行金相检验中观察到丝锥排削槽部位无丝毫脱碳现象，但丝锥齿尖确有半脱碳现象。至此，初步判断丝锥硬度不足是原材料脱碳层超标所致。在对原材料进行检验后确认表面有0.84～0.90mm各处不均的脱碳深度。为了挽救废品，对丝锥进行了复碳处理试验。

（2）工艺分析 为了给脱碳丝锥增碳，采用渗碳是方法之一。但渗碳温度较高，容易产生较大变形和晶粒粗大以及产生网状碳化物等缺陷，为后续处理带来麻烦。因此，决定采用较低温度的碳氮共渗作为复碳工艺。试验表明，共渗后的冷却速度对丝锥的变形影响极大。例如，采用共渗后直接油冷，将有数量的95%发生变形超差；而空冷的超差率不大于4%。

（3）复碳工艺流程 共渗处理→检测→变形校直→常规淬火→检测硬度→回火，170～190℃保温1.5h→清洗→检测硬度→尾部高温回火→检测硬度→清洗防锈。

（4）复碳工艺 工艺曲线如图2-16所示，工艺参数如表2-22所示。

图2-16 碳氮共渗工艺曲线

表2-22 碳氮共渗参数

（5）处理效果

1）复碳后丝锥的硬度已全部达到≥62HRC的标准值。回火稳定性较好，在上限温度回火后，硬度仍不低于62HRC。

2）丝锥复碳处理后变形校直回弹较大，但仍可以200件/h的速度进行校直操作。

6.GCr15钢制落料刀片快速加热“薄壳”淬火

用于35钢制六方螺母毛坯下料的GCr15钢制落料刀片，原热处理工艺及其使用情况如表2-23所示。

表2-23 刀片原热处理工艺及使用情况

（1）质量分析 从表2-23中可见，尽管回火温度提高到340～360℃，仍然掉角而且已明显不耐磨。再度提高回火温度到400℃以上时，已无法满足刀具使用时的强度要求了。因此，在常规淬火条件下，通过提高回火温度的办法，以期提高韧性而大幅度提高使用寿命是无法实现的。通过试验，采用快速加热“薄壳”淬火工艺可获得较满意效果。

（2）“薄壳”淬火工艺

1）预热。分别在箱式炉中在500～550℃保温（保温时间按时间系数2min/mm计）和840～860℃保温（保温时间按时间系数7～8s/mm计）两次预热，以减小热应力和均匀相变。

2）加热。在1040℃盐浴炉中快速加热，按时间系数4～5s/mm计算停留时间，随后淬油。淬火后硬度为62～66HRC。

3）回火。在240～250℃加热，保持1.5～2h后空冷。硬度为53～59HRC。

（3）处理效果 经上述工艺处理后，刀片使用寿命比原来提高3倍以上，这是应用刀片心部硬度低，可吸收较多的冲击能量，使整体韧性提高的结果。

7.CrW5钢制铰刀的热处理

（1）工艺分析CrW5钢的淬透性不高，淬火时需要在水中冷却。但由于含碳量较高1.25%～1.50%（质量分数），所以淬火后具有较高的硬度和耐磨性。该钢的另一特点是抗回火性较差，淬火后有时要在沸水中较长时间回火。

（2）热处理工艺

1）预热。选择适当的夹具，铰刀在夹具中不得密装。在450～500℃井式炉或箱式炉中预热透烧（按加热时间的2～3倍）。

2）加热。在820～840℃盐浴炉中加热，按时间系数1.0～1.2min/mm计算保温时间。柄部1/2长度浸盐。

3）冷却。加热后立即淬入水中（水温≤40℃），冷却到120℃左右出水空冷。或淬入“两硝”水溶液中冷却（水溶液温度≤70℃）。

4）回火。在130～150℃保持2～3h后空冷。

5）校直。回火后清洗干净后，逐一检测弯曲度，超差者一般借柄校直。

（3）处理结果 按上述过程处理后铰刀的硬度≥63HRC，不直度≤0.20mm，磨削后达到设计图样要求。

8.6CrW2Si钢制冷剪刀的热处理

2000kN冷剪机用的6CrW2Si钢制剪刃，其外形尺寸为650mm×150mm×50mm。根据剪刃工作条件，刃口需要有足够高的强度和硬度，同时还需要一定的韧性和塑性，即具有良好的强韧性和耐磨性。剪刃使用过程主要失效形式为崩刃和掉块。实际情况是一个班平均要报废2～3副剪刃，导致操作者劳动强度大大增加，生产效率降低。为此，须进行热处理工艺改进。

（1）改进后的热处理工艺 加热前涂防氧化涂料，烘干后在940℃加热90min后淬油，冷却到Ms点稍许停留，使其产生少量马氏体后迅速转入260℃硝盐浴中保持45min，空冷。经260℃加热回火90min后空冷。

（2）处理效果 经上述处理后其变形量极小，直线度由原来的1～2mm降到0.2～0.3mm；硬度为52～53HRC。使用寿命提高了5～8倍，即由原来一个班使用2～3副，提高到一副剪刃可连续使用3个班。其失效形式也变为正常磨损和局部压塌。磨损后的剪刃可以刃磨后重新使用。

9.6CrW2Si钢制热剪刀的修复工艺

热剪切机工作时，上、下刀台通过相对运动，在很大的压力作用下将红热钢坯剪断。工作过程中剪刀要与1000℃左右的钢坯接触，并伴有冷却循环水冷却。因此，剪刀承受很大的压应力和高温摩擦力的作用，同时还承受一定的冲击和热疲劳作用。剪刀使用中的失效主要是刃口磨损、卷刃。此说明剪刀刃部高温强度和耐磨性较低，没能满足工作所需要的性能。

（1）剪刀应具有的性能

1）剪刀整体应有较高的淬透性，使淬火、回火后整体具有较高的强度和韧性。

2）整体具有较高的导热性和良好的抗热疲劳性。

3）剪刀刃部应具有高的热硬度、耐磨性及一定的冲击韧度等。

从上述对剪刀所需性能的分析看出，剪刀整体性能与刃口有很大不同。显然，单靠6CrW2Si钢很难满足剪刀性能的全面需要。基于上述分析，可尝试采用堆焊方法在原报废的剪刀刃口上堆焊高热硬性、高耐磨性材料，然后经过适当的热处理来获得剪刀所需的全面性能。如能成功，这不失为一个较好的途径。

（2）修复剪刀堆焊及热处理工艺

1）堆焊前的准备工作。将旧剪刀整体去油清洗，并对有缺陷的部位进行打磨。然后在刃口部位开出10mm×15mm堆焊槽。

2）堆焊操作要点。首先将剪刀和焊条在300～500℃预热2h后，在工作台上采用焊条电弧焊技术，按焊接程序在堆焊槽上焊接成一定高度（一般堆焊10层左右）的高热硬性、高耐磨性材料。随后立即放在井式炉或箱式炉中缓慢冷却到室温。

3）低温退火。在520℃加热并保温1h后缓冷。总共进行两次。随后磨削加工到尺寸。

（3）处理效果 按原工艺处理后，硬度为50～52HRC。由于热硬性差，使用过程中硬度很快降到35HRC左右，导致刃口很快磨损和卷刃。连续生产时，每把剪刀使用5天左右。而堆焊剪刀使用寿命比原来提高了1倍多。

10.65Mn钢制冷切钢管圆锯片的热处理

冶金机械用于切割钢管圆锯片的需求量剧增。目前，国产的65Mn钢制冷切钢管圆锯片热处理质量不够理想，使用寿命不高。试验证明，采用等温淬火并结合表面强化处理是提高圆锯片的有效途径。

（1）工艺分析 切割钢管的圆锯片是多刃的断续切削刀具。在切割钢管过程，其刃部的线速度很高，刃部周期性反复受力，瞬间由零到最大，承受很大载荷并产生振动。因此，要求锯片具有足够韧性。同时，在正常切削条件下，其正应力约有1500～4000MPa。如此，要求齿部具有很高的抗弯强度。

实践表明，绝大部分锯片是因磨钝而失效的。所以，在不崩刃的前提下，硬度越高则耐磨性越好，使用寿命越长。此外，由于在切割过程中锯片与管件发生强烈摩擦而产生的热量可使齿部温度达300℃以上，因此要求齿部应具有一定的热硬性。

（2）热处理工艺

1）等温淬火。在850～860℃整体加热透烧后，在300～320℃的硝盐浴进行等温淬火。获得强韧兼优的下贝氏体组织，硬度为50～55HRC。

2）表面强化。实践表明，该锯片采用低温渗硫或化学沉积Ni⁃P合金，均可得到明显提高使用寿命的效果。

①低温渗硫。在低于200℃渗硫后表面形成减摩性极好的FeS和FeS₂层，对减轻粘着磨损大有益处。

②化学沉积Ni⁃P合金。在90～95℃温度下处理后，再于300～400℃处理可使固溶态转化为非晶态。沉积的Ni⁃P合金硬度由500～600HV提高到900HV以上，同时增加了沉积层与基体的结合力。