钳工用扁锉热处理工艺
前言
1.锉刀的制造材料锉刀用碳素工具钢T12或T13制成，经热处理后切削部分硬度达HRC62～72。是专业厂生产的一种标准工具。
2.锉刀的构造锉刀由锉身和锉柄两部分组成。 （1）锉身包括锉刀面、锉刀边、锉刀尾三部分。 ①锉刀面锉刀的上下两面是锉削的主要工作面。 锉刀面在前端做成凸弧形，上下两面都有锉齿，便于进行锉削。锉也在纵长方向做成凸弧形的作用是能够抵消锉削时由于两手上下摆动而产生的表面中凸现象，以使工件锉平。 ②锉刀边是指锉刀的两个侧面，有齿边和光边之分。齿边可用于切削，光边只起导向作用。 有的锉刀两边都没有齿，有的其中一个边有齿。没有齿的一边叫光边，其作用是在锉削内直角形的一个面时，用光边靠在已加工的面上去锉另一直角面，防止碰伤已加工表面。 ③锉刀尾（舌）是用来装锉刀柄的。锉舌是不经淬火处理的。 （2）锉柄作用是便于锉削时握持传递推力。通常是木质制成的，在安装孔的一端应有铁箍。 3.锉齿和锉纹（1）锉齿锉齿是锉刀用以切削的齿型。锉削时每个锉齿相当面于一把錾子，对金属材料进行切削。 ①锉齿的齿形有剁齿和铣齿两种。剁齿由剁锉机剁成，铣齿为铣齿法铣成。剁齿锉刀加工方便，成本低，但刀齿较钝，响应锉削阻力大，不过刀齿不易磨损，可切削较硬金属。铣齿锉刀加工较费时，成本较高，但刀齿锋利，由于刀齿易磨损，故只宜切削软金属。 ②锉齿的粗细规格是按锉刀齿纹的齿距大小来表示的。齿距大，用于粗锉刀，齿距小，用于细锉刀。其粗细等级分以下几种： ?1号锉纹用于粗锉刀，齿距为2.3～0.83毫米。?2号锉纹用于中粗锉刀，齿距为0.77～0.42毫米。?3号锉纹用于细锉刀，齿距为0.33～0.25毫米。?4号锉纹用于双细锉刀，齿距为0.25～0.20毫米。?5号锉纹用于油光锉，齿距为0.2～0.16毫米。（2）锉纹锉纹是锉齿排列的图案，有单齿纹和双齿纹两种。 ①单齿纹是指锉刀上只有一个方向的齿纹。适用于锉削软材料。 单齿纹多为铣制齿，正前角切削，齿的强度弱，全齿宽同时参加切削，锉除的切屑不易碎断，甚至与锉刀等宽，故切削阻力大，需要较大切削力，因此只适用于锉削软材料及锉削窄面工件。 ②双齿纹是指锉刀上有两个方向排列的齿纹。适用于锉硬材料。 双齿纹大多为剁齿，先剁上去的为底齿纹（齿纹浅），后剁上去的为面齿纹（齿纹深）。面齿纹和底齿纹的方向和角度不一样，这样形成的锉齿，沿锉刀中心线方向形成倾斜和有规律排列。锉削时，每个齿的锉痕交错而不重迭，锉面比较光滑。锉削时切屑是碎断的，从而减小切削阻力，使锉削省力。锉齿强度也高，因此双齿纹锉刀适于锉硬材料及锉削宽面工件。 4.锉刀的种类锉刀通常分为普通锉、特种锉和整形锉三类。 锉刀若按刀齿的加工方法可分为剁齿锉刀与铣齿锉刀两种；按锉刀齿纹的排列可分为单齿纹锉刀与双齿纹锉刀两种；按其加工对象可分为普通锉刀、特种锉刀和整形锉刀三种。 （1）普通锉主要用于一般工件的加工。按其断面形状不同，又分为平锉（板锉）、方锉、三角锉、半圆锉和圆锉五种。以适用于不同表面的加工。 普通锉刀可按照每10mm长度上齿纹的数量，分为粗齿（4～12齿）、细齿（13～24齿）、和油光齿（30～40齿）三种。（2）特种锉是用来加工零件的特殊表面的。有刀口锉、菱形锉、扁三角锉、椭圆锉、圆肚锉等。 （3）整形锉（组锉或什锦锉）主要用于细小零件、窄小表面的加工及冲模、样板的精细加工和修整工件上的细小部分。整形锉刀的长度和截面尺寸均很小，截面形状有圆形、不等边三角形、矩形、半圆形等。它因分级配备各种断面形状的小锉而得名。通常以每组5把、6把、8把、10把或12把为一套。5.锉刀的规格一般用锉刀有齿部分的长度表示。板锉常用的有100mm、150mm、200mm、250mm和300mm等多种。锉刀的尺寸规格，不同的锉刀用不同的参数表示。圆锉刀的尺寸规格以直径表示，方锉刀的规格以方形尺寸表示，其它锉刀以锉身长度表示。 6.锉刀的选择合理选用锉刀对提高锉削效率、保证锉削质量、延长锉刀使用寿命有很大影响。每种锉刀都有它一定的用途，锉削前必须认真选择合适的锉刀。如果选择不当，就不能充分发挥它的效能或过早地丧失切削能力，不能保证锉削质量。 正确地选择锉刀要根据加工对象的具体情况，从如下几方面考虑： （1）锉刀的截面形状要和工件形状相适应。
（2）粗加工选用粗锉刀，精加工选用细锉刀。粗锉刀适用于锉削加工余量大、加工精度低和表面粗糙度值大的工件；细锉刀适用于锉削加工余量小、加工精度高和表面粗糙度值小的工件；单齿纹锉刀适用于加工软材料。锉刀粗细的选择取决于工件材料的性质、加工余量大小、加工精度和表面粗糙度要求的高低、工件材料的软硬等。粗锉刀（或单齿纹锉刀）由于齿距较大，容屑空间大，不易堵塞，适用于锉削加工余量大、加工精度低和表面粗糙度数值大的工件及锉削铜、铝等软金属材料；细锉刀适用于锉削加工余量小、加工精度高和表面粗糙度数值小的工件及锉削钢、铸铁等；油光锉用于最后的精加工，修光工件表面，以提高尺寸精度，减小粗糙度。 （3）锉刀的长度一般应比锉削面长150～200mm。锉刀尺寸规格的大小取决于工件加工面尺寸的大小和加工余量的大小。加工面尺寸较大，加工余量也较大时，宜选用较长锉刀；反之，则选用较短的锉刀。锉刀的长度一般应比锉削面长150～200mm。
热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命，本毕业设计是在《材料科学基础》《热处理原理》《热处理工艺》和《金属材料学》等课程学习的基础上开设的提高学生工程设计能力。
7、普通退火规范退火温度760～770℃，保温时间2～4h，以＜30℃/h的冷速，缓慢炉冷到温度500～600℃，出炉空冷。 8等温球化退火规范 ①（760～770）℃×（2～4）h，（680～700）℃×（4～6）h，后炉冷到温度500～600℃，空冷，硬度≤207HBS。 ②（750～770）℃×（1～2）h，（680～700）℃×（2～3）h，硬度179207HBS，组织2～4级珠光体，网状碳化物≤2级。 9、调质处理规范淬火温度800～820℃，冷却介质为油，回火温度640～680℃，保温时间2～3h，球化级别3～5。硬度183～207HBS。 10、普通淬火、回火规范淬火温度760～780℃，水冷、水油双液冷却或碱浴冷却，淬火硬度≤62HRC。回火温度180℃±10℃。
热处理工艺是整个机械加工过程中的一个重要环节，他与工件设计机加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何行者加工精度，满足设计时所要求的各种性能指标，热处理工艺设计的合理与否，有着至关重要的作用。
现代工业的飞速发展对机械零部件，工模具等提出的要求越来越高。热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果超着重要作用，而且在改善或消除加工后的缺陷.提高工件的使用寿命等方面起着重要作用为获得理想的组织和性能，保证零件再生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点，要求和技术条件入手，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式，正确选择材料；在根据生产规模、现场条件、热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性方便性质量稳定性和便于管理、降低成本等因素，确定出一种最佳方案
第一章 热处理工艺设计
需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还需要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。因此对热处理件结构形状有一定的设计要求。
1.1热处理零件的选材原则
1.1.1 使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工作要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具有良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度。
1.1.2 工艺性原则
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的
加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
1.1.3 经济性原则
选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。
第二章 钳工用扁锉的热处理工艺
2.1 热处理的目的
1、深入理解金属材料与热处理专业的基本理论
2、初步学会制定零部件的热处理工艺
3、了解与本设计有关的新技术性工艺
4、设计尽量采用新技术成就，并注意和具体时间相结合，使设计具有一定的先进性和实践性
2.2 设计任务
1、编写设计说明书
2、编制工序施工卡片
3、绘制必要的工装图
4、根据所给零件，分析服役条件和可能的失效形式；
5、根据失效形式，确定零件的性能特点；
6、根据性能特点，选择材料，分析含碳量及合金元素的作用；
7、根据零件的材料，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置；
8、拟定热处理工艺规程，画出热处理工艺曲线示意图；说明各热处理工艺曲线中加热温度、保温时间、冷却介质的选择理由，分析各热处理工艺后的力学性能；
9、画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称;
10、编写热处理工艺过程中的质量检测项
第三章 扁锉的服役条件及失效形式
3.1 扁锉的服役条件
1、疲劳断裂：扁锉在载荷和摩擦力的长期作用下导致弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效。
2、表面损伤：其主要形式有点蚀和表面硬化层脱落。
3、磨损失效：表现为锉刀表面齿牙的磨损和破坏。
3.2 扁锉的性能特点
1、扁锉的工作部分硬度64~67HRC，柄部硬度≤35HRC。
2、工作部分具有较高的力学性能、耐磨性和适当的热硬性，柄部具有较高的硬度。
3、齿尖淬硬深度＞1mm。
4、金相组织：齿部无脱碳，马氏体的级别小于3级。
5、弯曲＜0.1mm/100mm。
第四章 扁锉的材料的选择
T12钢的价格较低，经常正火+常规球化退火→淬火→低温回火后具有高硬度、较高的强度、良好的耐磨性、广泛用于制造手工用工具、低速切削的机用工具和小型冷冲裁模具等。据统计，它们的失效形式主要表现为崩刃或断齿、开裂、磨损等，其中崩刃或断齿的失效形式占80%以上。引起这种现象的主要原因是T12钢在球化退火时的碳化物球化不良，存在部分粗大、尖角状碳化物，在 使用时导致应力集中。这就降低了工具、模具等的使用寿命，严重影响到T12钢的进一步使用。
T12钢典型应用举例 ①用于制造冷拔、拉伸凹模，在工作中磨损超差后，可先经高温回火，然后重新常规淬火，可自行缩孔复厚。 ②该钢在淬火后，模具型腔收缩趋势较强，可重新淬火翻修凹模。 ③该钢适合于制作小型拉拔、拉伸、挤光模具。 ④该钢经过以下热处理后，可显著地提高钢的冲击韧性，明显地提高模具的性能及使用寿命。 预先热处理：淬火温度880～890℃，回火温度350～400℃。最终热处理：淬火温度770～790℃，回火温度180℃。 ⑤尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具，如小冲头、剪落钢板的剪刀等。优点是可加工性好、价格便宜、来源容易；缺点是淬透性低、耐磨性差、淬火变形大。 ⑥适用于制造一些要求硬化层不深并保持高韧性的冷冲模等。
适用于各种中小批量生产的模具和抗冲击载荷的 模具
4.2 T12钢的化学成分及元素作用
表1 T12钢的化学成分
表2 T12的热处理临界温度
碳的作用：提高淬硬性和热硬性，随着碳含量的增加淬火回火后硬度和热硬性都增加
Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。既能阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，又提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。Cr还能防止Si的石墨化倾向。 硅: Si增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。但Si是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn等，减少钢的脱碳倾向。 锰: 提高钢的淬透性，但Mn增加钢的过热倾向。
钨:W在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性。 钒：V比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。
扁锉的加工工艺路线
5.1 加工工艺路线
1、用T12钢制造锉刀,其工艺路线如下：
下料→锻打→退火→机加工→滚齿→淬火+回火→镀鉻。
其中锻打后采用球化退火工艺，（760~770℃）X（4~5）h+（67~680℃）X（5~6）h，随炉冷却到500℃出炉空冷。滚齿用的刀具为滚刀，滚齿时应严格操作，使扁锉的坯料达到最理想化的 要求，滚齿密度均匀。
退火得到的是球化珠光体组织，硬度一般为机械加工能够加工的范围，淬火+回火，一般采用较低的温度回火，得到的是回火马氏体+碳化物，硬度较高。
球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。
普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷，和普通球化退火相比，可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
周期球化退火也叫循环球化退火，它是在Ac1点附近的温度反复进行加热和冷却，一般进行3～4个周期，使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中，碳化物得以球化。该工艺生产周期较长，操作不方便，难以控制，适用于片状珠光体比较严重的钢。
快速球化退火是根据球化退火的理论研究成果和加热过程控制技术，结合生产现场球化的测试，制定出相应的快速球化退火工艺，改善组织和机械加工性能，并缩短球化加热时间，有报道对T12钢进行快速球化退火可比传统退火工艺节省2／3的时间。快速球化退火是要根据球化要求、材质类型、设备现状制定最优化的退火方案，以达到提高工率的目的，它没有一定的工艺程式，要根据实际情况来制定。
采用等温球化退火，其加热温度属不完全退火温度，温度低于完全退火温度，高温组织为碳化物+奥氏体，碳化物可以阻止奥氏全晶粒过快长大，有细化晶粒的作用。当在Ar1线以下基本个温度等温时，钢中奥氏体组织发生共析转变生成渗碳体与铁素体，渗碳体多数是发原有的碳化物质点为基础析出的，在保温过程中析出的渗碳体，很快向原有碳化物质点聚集，这样原来的碳化物质点就变成球状颗粒，而铁素体则连成一片，形成铁素体基体，这便是粒状珠光体组织。钢中出现粒状珠光体组织，不仅为最终淬火提供了组织准备，而且粒状珠光体组织的硬度较低，有利于刀具的切削加工，降低刀具磨损，同时还使加工出来的表面粗糙度降低，便地后续加工。
2、热处理大致工艺规程：
加热→冷却→热校直→冷却到室温→清洗→回火→清洗→检查。
A、热校直可消除退火后锉坯的扭曲凹凸现象，保证了表面平直度，使后续机加工的加工的加工余量较为均匀。校直时应合理调整行程和压力。
B、常用清洗剂为碱（碳酸钠~NaCO3溶液其浓度一般为1.5~3.0%），在碱液中可适当加入添加剂，其成分为：碳酸钠1.5~3.0%亚硝酸钠0.8~1.2%,乳液13~16%，清洗温度80~90℃，清洗后回火前要烘干，以防止水分带入炉中。
5.2 热处理工艺
T12的热处理工艺如下：
1、锻造后球化退火：加热温度750~770℃，等温温度640~680℃，炉冷至500℃以下出炉空冷，退火后硬度不大于207HBS。
2、正火：加热温度850~870℃，空冷，正火后硬度269~341HBS。
3、去应力退火：加热温度650~700℃，炉冷或空冷，退火后硬度不大于207HBS。
4、淬火：具体工艺见下表。
5、回火：加热温度160~180℃，保温时间1.5~2h，回火后硬度61~62HRC。
6、调制处理：淬火加热温度800~820℃，油冷至室温；回火温度640~680℃，回火后硬度183~207HBS。
7、固体渗铬：渗剂成分（质量分数）为50%铬粉+444三氧化二铝粉+6%氯化铵。渗铬加热1050℃，保温8h，出炉空冷。后续正火加热885℃，出炉用压缩空气吹冷，渗层厚度0.02~0.03mm，硬度1225~1600HV。
8、固体渗硼加热950℃，保温4h，出炉空冷。渗层厚度0.10mm。膏剂：50%B4C+50%Na3AlF6。
T12钢的淬火工艺
注：1.表中介质的分数为质量分数。
2.方案5与6适合直径尺寸或有效厚度不大于12mm模具零件。
第六章 热加工及热处理工艺规程
6.1 热处理工艺规程曲线
2、T12钢预备热处理：
T12钢预先热处理有关曲线示于图2-24-1～图2-24-6，退火前后的相成分、硬度、显微组织示于表2-24-6，需要说明的是：
（1）退火加热后的保温时间，在全部炉料加热后为1～2h，冷却时的等温保温为1～2h；
（2）球化退火用以获得球化体组织，每阶段保温时间为0.5～1.0h；
（3）高温回火用于消除冷变形加工硬化，消除淬火前因切削加工所产生的残余应力。对热处理后硬度过低的零件，二次淬火以前，亦先经高温回火。保温时间在全部炉料加热到温后为2～3h；
（4）正火用于细化过热钢的晶粒和消除渗碳体网；（5）调质处理用于HRI83的钢材的切削表面光洁度。
第七章 热处理工艺后的金相组织分析
7.1 锻造 在对碳素工具钢进行热加工（锻、轧）时，要保证在加工以后钢中网状碳化物大部分被破碎。因此，锻、轧碳素工具钢时，需有适当的压缩比，使钢中的碳化物细化并使之分布均匀。终锻、终轧温度过高，锻后易形成碳化物网（图8-2-1为碳化物网组织），终锻温度过低，钢的塑性变坏，易生成小裂纹。热加工后应迅速冷至600～700℃，然后缓冷，以免析出粗大或网状碳化物。
图8-2-1 碳素工具钢碳化物网组织 图中白色组织是碳化物，呈网状分布，这是一种有缺陷的组织。
7.2 球化退火 为了使渗碳体呈球状并均匀分布，必须进行球化退火。球化退火的加热温度范围一般为730～800℃。加热过程中一部分渗碳体溶于奥氏体，残留的渗碳体自发地趋于球形以减小表面能。随后的缓慢冷却过程中继续析出的渗碳体也接近球状，因而获得细而均匀分布的球状珠光体。球状珠光体组织见图8-2-2。
图8-2-2碳素工具钢的球状珠光体组织 图中显示组织为：在铁素体的基体上分布着颗粒壮的碳化物是一种球状珠光体组织。
7.3淬火和回火 碳素工具钢正常淬火加热温度为Ac1+30-50℃，属于不完全淬火。碳素工具钢淬火后的机械性能与淬火温度的关系见图8-2-3所示。
图8-2-3 碳素工具钢淬火后的机械性能与淬火温度的关系 碳素工具钢有一个最佳淬火温度，超过这个淬火温度，其强度和塑性都明显下降。
在淬火温度升高时，最初，强度和塑性有些提高，但当淬火温度超过一定限度后，强度及塑性都迅速下降。淬火时过热引起晶粒长大，导致强度及塑性剧烈下降，对于工具钢，过热是非常有害的。 碳素工具钢的过冷奥氏体稳定性较差，过冷奥氏体最短孕育期只有1秒左右，所以在淬火冷却时必须保证在奥氏体不稳定区快速冷却，避免发生珠光体转变，在C曲线的鼻部以下，冷却即可稍缓慢些。淬火组织见图8-2-4
图8-2-4 碳素工具钢的淬火组织（淬火温度越高，马氏体针越粗） 图D显示的马氏体组织最粗大，其强度和塑性最低。
回火：碳素工具钢淬火后应立即回火。回火温度因工具的种类与用途而稍有差异。刃具通常采用180～210℃，螺纹工具（如板牙）采用200～250℃。 7.4、常用碳素工具钢
表8-2-1 常用碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能
第八章 热处理工艺过程中的质量检测项目
表1 扁锉的检查项目、内容和要求
表2 缺陷及其分析
钳工用扁锉热处理工艺.doc
