苏ICP备112451047180号-6
插齿刀的材料选择及热处理工艺设计
摘要：插齿刀在齿轮加工领域占有很重要的位置，各种齿轮的加工与制作，都离不开插齿刀，所以插齿刀在齿轮加工行业具有广泛的应用，加工的齿轮材料不同，制作插齿刀的材料也要相应随之变化，如何在众多的材料中，分析选择出合适的材料制成插齿刀，就是我们这次要研究的问题，本文根据插齿刀的工作环境、插齿刀的受力分析，失效形式分析，选择合适的材料，并进行热处理工艺方案设计。
关键词：插齿刀受力分析 ；材料选择原则 ；热处理工艺方案设计
Gear shaper cutter material selection and heat treatment process
Abstract: Gear shaper cutter occupies an important position in the field of gear cutting, processing and production of all kinds of gear, cannot leave the gear shaper cutter, so the gear shaper cutter has widely applied in the gear processing industry, processing of gear material is different, make the gear shaper cutter material will change accordingly, how to in numerous material, of selecting suitable materials gear shaper cutter, is the problem we have to study this, gear shaper cutter working environment, and force analysis of gear shaper cutter, and failure form analysis, choosing the appropriate material, heat treatment process design.
Key words: The stress analysis of gear shaper cutter ；principle of material selection ；heat treatment process design
目录
摘要…………………………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………………………1
一、插齿刀工作原理………………………………………………………………………2
二、插齿刀受力分析………………………………………………………………………2
三、插齿刀失效形式………………………………………………………………………3
3.1积屑瘤………………………………………………………………………………… 3
3.2热变形………………………………………………………………………………… 4
3.3磨损…………………………………………………………………………………… 5
3.4疲劳断裂……………………………………………………………………………… 6
四、插齿刀性能要求………………………………………………………………………6
4.1高硬度高耐磨性……………………………………………………………………… 6
4.2足够的强度与韧性…………………………………………………………………… 6
4.3耐疲劳………………………………………………………………………………… 7
4.4耐高温………………………………………………………………………………… 7
4.5其他一些综合性能…………………………………………………………………… 7
五、插齿刀材料选择………………………………………………………………………6
5.1插齿刀材料选择原则………………………………………………………………… 7
5.2插齿刀材料要具备的性能…………………………………………………………… 7
5.3几种钢材的分析和对比……………………………………………………………… 8
六、热处理工艺方案设计……………………………………………………………… 14
6.1第一种热处理工艺方案………………………………………………………… 14
6.2第二种热处理工艺方案………………………………………………………… 17
6.3回火………………………………………………………………………………… 17
6.4热处理原理………………………………………………………………………… 19
6.5热处理最终选择……………………………………………………………… …… 18
6.6热处理设备选择………………………………………………………… ………… 21
七、结论………………………………………………………………………………… 23
参考文献………………………………………………………………………………… 24
附录：热处理工艺卡片
一、插齿刀工作原理
插齿刀是加工圆柱齿轮常用的刀具之一，它是插齿机上进行工作的，可以加工直齿、斜齿圆柱齿轮，人字齿轮和齿条，特别是对于内齿轮和双联齿轮的加工，最为方便。
插齿刀实际上是变位齿轮，模数和名义上的齿形角等于被加工齿轮的模数和齿形角，至于其前角和后角，是以技能形成有效的切削刃，是按展成原理加工齿轮的，直齿插齿刀加工圆柱齿轮时，刀具随主轴往复运动，同时与工件有配合的相互转动，逐渐包络出齿轮的齿形，斜齿插齿刀加工斜齿圆柱齿轮时，如同一对轴线平行的直齿圆柱齿轮啮合，人字插齿刀加工无空刀槽的人字齿轮，其加工原理和加工斜齿圆柱齿轮相同，但需要在专门的插齿机上用一对人字齿插齿刀分别加工人字齿轮的两边齿轮。
根据被加工齿轮的形势，插齿刀的结构可分为三种：盘形插齿刀，主要用于内加工，外啮合的直齿，斜齿以及人字齿轮。碗型插齿刀，主要用于加工带台肩及阶梯的内外啮合的直齿齿轮，锥柄插齿刀，主要用于加工内啮合直齿齿轮以及斜齿齿轮。
插齿刀精度等级有AA级，A级，B级三种，一般在插齿刀等级精度正常和正确使用的情况下，AA级插齿刀可加工6级精度齿轮，A级插齿刀可加工7级精度齿轮，B级插齿刀可加工8级精度齿轮。
被加工齿轮的模数范围一般为0.2-12mm，其中模数0.2-1mm为小模数断，模数1-8mm为中模数断，模数大于8mm为大模数断。
二、插齿刀受力分析
插齿刀在工作过程中往往会受到一些受力限制和约束：
（1）齿轮的根切：插齿刀的齿顶在切削加工时，会切入被切齿轮的根部渐开线齿形，所以，在我们加工时，往往被加工的齿轮齿数越少，就越方便切削加工，被切削加工齿轮齿数越少，被齿轮根切的可能性就越大。
（2）齿轮的顶切：齿轮顶切时，被切齿轮的齿顶进入插齿刀根部齿形以内，而被切去齿顶，所以，对于插齿刀的顶切，往往是插齿刀的齿数越少越好，因为插齿刀的变位系数以及齿数越小，在加工时就越容易顶切。
（3）曲轮过渡曲线干涉：插齿刀在加工插齿时，整个插齿面上不能被切出渐开线齿形，在插齿根部是过渡曲线，所以在切割工作时，插齿刀的齿数往往越少，那么齿形变位系数就会越大，过渡曲线会变长，二者成比例关系，就像是配对齿轮齿顶与过度曲线接触，就会干涉，发生切齿。
（4）径向切入的切顶：在加工内齿轮的插齿刀时，还应该预防插齿刀在径向切入时，不能发生切顶，如果刀具入口强度比较高的话，那么其耐摩擦，耐冲击性能，会很好，如果伴随负前角的绝对值减小，他的后面磨损面积变化很小，而总体却出现减小趋势，那么他的正前角会随着前角的增大，而刀具刃口逐渐锋利，但强度却会逐渐被减弱，导致后面角磨损加剧。
插齿刀的负前角在加工时，切削阻力会很大，这样一来就增大了切削震动，所以在使用正前角加工刀具时，刀具的磨损会非常严重，切削震动很大，所以往往人们粗加工的时候，会选择正前角较小的刀具，或者负前角刀具也可。
（5）插齿刀的后角：一旦后角变大，那么其整体的刃口强度会降下来，后刀面磨损面积开始增加，刀具的刃口强度逐渐降低。
插齿刀后角太大，切削震动会逐渐增加，后角越小，弹性恢复层和后刀面的摩擦接触长度会逐渐加大，这也是使切削刀具后面磨损的直接原因之一。
从这方面来说，增大后角能减小摩擦，能提高加工面表面的质量，增长或减少刀具使用的寿命。
三、插齿刀失效形式
3.1插齿刀的热变形
插齿刀在加工工件时，会产生高的热度，如果温度过高，插齿刀就会在高温下产生变形。
3.2插齿刀刀具的磨损
刀具的磨损形势可以分为两类，第一种是包括脆性的破碎，比如说崩刃、剥落、裂纹、虽短等和连续不断的逐渐磨损，第二类是塑性破碎，比如说弯曲，变形，磨损等。
刀具磨损到一定程度之后，就不能再继续做加工使用，刀具的磨损形势可以分为前刀面，后刀面，主刀刃等几种，下面我们会做分别介绍。
3.2.1后刀面磨损
加工表面和后刀面存在着很大的摩擦力，在后刀面上靠近刀刃的下方产生磨损，形成一段没有后角的磨损带，这种磨损一般发生在脆性金属材料上，较小的切削厚度，较低的速度切削塑形金属材料时
3.2.2前刀面磨损
切削塑性金属时，如果刀具的切削速度和切削厚度较大，那么前刀面的摩擦力一定会很大，温度会很高，在前刀面的主切削刃附近会产生一段凹坑槽。
在磨损的过程中，凹坑槽逐渐变深，变宽，切削刃强度逐渐减弱，然后发生崩刃。
3.2.3前后刀面一起磨损
在切削塑形金属材料时，采用中等切削进给量，中等切削速度，多以这种形式磨损。
3.3疲劳断裂
插齿刀长期进行往复工作，等周期性运动，会发生断裂，达到使用寿命。
3.4其他失效形式
除了上述之外，插齿刀的失效形式还分为失效断裂，包括塑性断裂，疲劳断裂，蠕变断裂，低应力脆断，介质加速断裂等等。
四、插齿刀性能要求
4.1高硬度高耐磨性
插齿刀由于工作时会产生磨损，所以必须具有一定的耐磨性。
插齿刀要具有有良好的耐磨性，也就是抵抗磨损的能力。在承受相当大压力和摩擦力的条件下，仍能保持其形状和尺寸不变，不影响工作。
在插齿刀工作运行时，当其承受较大的摩擦力，压力，而其形状尺寸都不会发生改变，这就是对插齿刀耐磨性能的要求。
刀具的材料硬度必须比被加工零件材料的硬度高，才能更好切削金属而自身不被磨损，这是制作插齿刀材料所必须具备的性能基本要求。
现在刀具材料硬度基本都在60HRC以上，刀具材料硬度越高，那么它的耐磨性就越好，由于切削条件比较复杂，材料的耐磨性还决定于它的金相组织和化学成分的稳定。
4.2足够强度与耐冲击性能
插齿刀的材料要具有一定抵抗冲击的性能，插齿刀必须有足够的抗冲击性能，方才能保证材料的使用性，在间断切削或冲击较大的工作条件下，其刀刃不被崩碎，一般材料的硬度越高，冲击韧性越低，也就越脆。
插齿刀的材料必须要具备一定的强度，插齿刀在工作抵抗切削力作用的同时，还不会使刀具崩刃与刀杆折断。
插齿刀要有一定的强度和韧性，使其在工作中能够承受冲击、负荷、震动以及弯曲等复杂的应力，以保证刀具的正常使用。
4.3耐疲劳性能
插齿刀要有对于反复运动，或者不断重复性力量的抵抗性，以保证插齿刀在周期性外力迅速交换的作用下不容易产生损坏、性能降低或损坏周期数。
4.4耐高温性能
插齿刀要具有一定的耐高温性能，抵抗高温性能的强弱，是判断制作插齿刀所选材料是否正确的重要指标，它综合反映了插齿刀材料在高温下保证耐磨性，硬度，抗氧化能力，抗粘结能力和抵抗扩散能力的强弱，插齿刀的耐高温性能越好，在切削过程中抗变形和耐磨损的能力就越强。
4.5 其他一些综合性能
除了上述性能之外，插齿刀还应该具有良好的机械加工性能和热压力加工性能，才能保证工具的制造和使用，还此外插齿刀还应该具有一定的热疲劳性、高温力学性能、耐磨腐蚀性、导热性能等。
五、插齿刀材料选择
5.1插齿刀材料选择原则
5.1.1选用材料必须满足工作条件要求
选用插齿刀材料时，首先要考虑所选材料本身所具有的性能必须满足其工作要求和使用性能，因为材料性能的好坏，力学性能的强弱，是决定材料制作出的插齿刀使用价值和工作寿命的主要因素。
插齿刀的工作条件通常分为受力状态、受力的大小和受力的性质，还有工作温度，环境介质，以及摩擦力等各个方面的条件，受力状态有拉，压，扭，弯，剪切等等，工作温度有低温高温之分别，环境化学介质，油类，润滑剂等等。
5.1.2选用材料必须满足插齿刀的工艺性能要求
插齿刀材料性能的好坏，决定着制作插齿刀的加工难易程度，对于生产效率和生产成本等方面都起着十分重要的作用，对与插齿刀的力学性能，通过热处理可以进行改变，通过热处理工艺，可以改变插齿刀材料的切削加工性能，可以改变插齿刀表面硬度，增加它的强度，耐磨性，韧性，等一系列性能。
热处理工艺性能，主要包括淬硬性，淬透性，淬火变形，淬火开裂，过热敏感，回火脆性，回火稳定性等。
材料工艺性能的好坏，对单位和小批件生产的产品来说，并不显得非常突出，而在批量擅长条件下，就明显的反映出他的重要性。
5.1.3所选材料要满足经济性
在满足插齿刀使用性能和质量的前提下，应注意材料的经济性。
对设计选材来说，保证经济性的前提是准确的计算结果，按插齿刀使用的受力，温度，耐腐蚀等条件来选用合适的材料，而不是单一的追求某一项指标，能用碳素钢的不用合金钢，能用低合金钢的不用高合金钢，能用普通材料就不用不锈耐热钢，这对于大批量生产来说，就显得非常重要，另外还要从材料的加工费用来考虑，尽量采用少切削或无切削的新工艺。
此外，选取材料还应该考虑国家的资源，尽量减少材料的品种，规格，这些直接影响材料的经济性。
在选用材料时，一般都会选取材料的使用条件和使用寿命，不可盲目的选用更高一级的材料或简单的以优代替劣质，以保证材料的经济性。
5.2插齿刀材料要具备的性能
5.2.1加工性
插齿刀的材料要具备良好的机械加工性和热压力加工性，才能保证插齿刀的制造和使用性能，插齿刀的加工性一般取决于钢材的组织和化学成分。
5.2.2淬火温度宽泛性
插齿刀材料的淬火温度应足够宽，以减少过热的可能性。
5.2.3淬硬性和淬透性
具有良好的淬硬性，是为了让钢在淬火后所能达到最高硬度值后，依然保存的性能，淬硬性好坏与钢的化学成分有关，特别是与碳含量有关，含碳量越高，淬硬性就越高。
淬透性就是钢在淬火后从内部到表面的硬度分布状况，淬透性的高低与钢的化学成分纯洁度、晶粒度有关。
5.2.4脱碳敏感性
插齿刀表面发生脱碳，将会让它的表面硬度降低，所以在选择材料时，必须考虑材料表面的脱碳敏感性。
5.2.5热处理变形性
插齿刀材料在热处理时，要求其尺寸和外形稳定，防止在热处理时工具变形。
5.2.6耐磨削性
对于制造插齿刀所选用材料，要求具有良好的磨削性能，钢的磨削性往往与其所具有化学成分有关，用高速钢制造切削工具，除了因为它具有高耐磨性、高硬度和足够的韧性外，还有一个最重要的因素是其具有高的红硬性。
5.2.7红硬性
插齿刀在高速切削时，刀刃在红热状态下会产生一种抵抗软化的能力，这种能力是我们所需要的，也是插齿刀材料所必备的性能。
综上所述，不论是性能，还是经济方面，高速钢均附和上述的各种条件，满足插齿刀的性能要求，所以选择高速钢作为本次插齿刀设计的材料是最好的选择。
5.3几种钢材的分析对比
5.3.1 W6Mo5Cr4V2材料的性能分析
（1）化学成分
表1为它的化学成分表。
表1：W6Mo5Cr4V2的化学成分分析表
（2）力学性能
这种钢具有较高的硬度，良好的高温硬度和热硬性，热塑性好，强度和韧性优良，缺点是钢的过热与脱碳敏感性较大。
W6Mo5Cr4V2 价格低廉而且容易加工,通过适当的热处理,淬火后表面硬度可以达到64-66HRC（见表2）。
表 2： W6Mo5Cr4V2硬度表
（3）热处理性能
它的碳化物细小，结构均由，韧性高，热塑性好，但这种刚容易脱碳氧化，所以加热时需要注意，这种钢除了用于制造一般工具外，还可以用于制造大型刀具，由于热塑性好，所以制造工具时，可以热塑形成，但这种钢淬火时，必须注意淬火温度，以满足强度和韧性的配合。
5.3.2 W2Mo9Cr4VCo8钢材的分析
（1）化学成分
化学成分分析见下表3。
表3：W2Mo9Cr4VCo8化学成分析表
（2）力学性能
W2Mo9Cr4VCo8钢材中钴的质量分数比较高，钒的质量分属很低，具有高的室温以及高温硬度，热硬性高，磨削性能良好，热硬性好，可磨性能好，刀刃锋利（见表4）。
表4：W2Mo9Cr4VCo8钢材的硬度图表
W2Mo9Cr4VCo8是高钴韧性高速钢，主要用于高韧性精密耐磨五金冷冲模，也可用于刀中冷却及切割工具及。
W2Mo9Cr4VCo8钢材硬度较高，可达70HRC，红硬性好，容易磨削加工。
制造的切削工具，可以切削铸造高温合金、铁基高温合金、钛合金和超高强度钢等，不过它的缺点是韧性比较差。
淬火时温度应选用最低温度，因为磨削加工性能好，所以可以用来制造各种结构复杂高精度刀具。
这种钢可以制成各种刀具,它不但在切削难加工材料时效果好, 而且其磨削性能也不错，可以用于各种复杂刀具的制作。不过中国钴资源比较缺乏, 含钴的高速钢价格太贵，大约是普通高速钢的5-8倍。
近年来国产含的钴高速钢在热硬性、淬回火硬度、使用性能等方面都有了一些的提高，但与国外比，还是有不少差距，只能接近或达到了进口钢材水平。
淬火、回火后硬度≥67HRC,。
（3）热处理性能
钴在热处理时，能促使淬火加热的碳化物，更多的溶解在基体内, 利用高的基体硬度提高材料耐磨性。
W2Mo9Cr4VCo8组织更加细化，冷加工与热加工性能良好，不过因为它的性能更加优异，所以价格与普通钢材相比，也比较高，适用于制造各种强力切割用耐冲击，耐磨工具，比如螺丝模，高级冲模及形状复杂的冲头，滚齿刀,刮刀, 钻头，铁刀等。
它具有高耐磨耗性、高红热硬度，较强切削能力，高冲击韧性，其晶粒细致均匀所以韧性较高，碳化物颗粒细、耐磨性好、硬度高。
等温退火:温度800-880℃，保温10-20分钟，DHR炉冷至约600℃，硬度在269HBS以上。
预热温度：730-845℃，淬火温度：1190-1210℃，回火温度：540-595℃，冷拉硬度285HBS，冷拉后退火硬度277HBS，淬火方式：油淬、空冷或盐浴淬火。
5.3.3 W18Cr4V
（1）化学成分
W18Cr4V其化学成分含量见表5。
表5：W18Cr4V化学成分表
（2）力学性能
W18Cr4V，它属于莱氏体钢，常用的钨系高速钢一种，是高速钢应用最长久的一种，具有高的红硬性，硬度、及高温硬度。和其它高速钢一样，常被称为 “锋钢”“ 白钢”、或“风钢”，这种钢具有良好的热硬性，在600℃时，仍具有较高的硬度和较好的切削性能，磨削加工性能良好，淬火热敏感性能小，比合金钢的耐热性高，但它的碳化物比较粗大，强度和韧性随着材料的尺寸增大而下降。
（3）热处理性能
其热处理范围较宽，淬火不能过热，但在热处理时不容易氧化脱碳，磨削加工性能良好。
W18Cr4V钢在500℃-600℃时硬度分别保持在63-64HRC及62-63HRC，对于普通的、大量的被加工材料具有良好的切削加工性能。
红硬性：切削温度600-540℃时，其硬度可保持63-66HRC之间。
同时这种钢的工艺比较成熟，通用性强，但热塑性比较低，碳化物偏析严重，红硬性和刀具硬度满足不了特韧材料和加工特性，而且它的合金元素含量比较多，成本太高。
特点：在钢中，碳主要与钨、铬、钼等形成碳化物，用来提高材料的耐磨性、硬度以及红硬性。
下表为W18Cr4V热处理温度表（见表6）。
表6：W18Cr4V 热处理温度表/℃
钨：主要作用是用来提高材料的红硬性，并在钢中形成碳化物。
加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含量很高的回火稳定性的马氏体组织，回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，形成二次硬化，加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用。
钒：能显著地提高高速钢的硬度，红硬性及耐磨性，钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化从而提高钢的红硬性。
铬在高速钢中主要作用是增加材料的淬透性，同时还能提高钢的抗腐蚀抗氧化脱碳能力。
钴：能很明显的提高钢的硬度和红硬性。
化学组织：W18Cr4V的组织包括屈氏体和马氏体相间排列的莱氏体，组织形状呈骨骼状的、碳化物片状，以及白色组织和黑色组织。
它的的化学成分和组织非常不均匀，就算是热处理也不能改变这种情况，解决的唯一办法就是给其增加压力加工，将其组织中粗大的共晶碳化物打碎，并使其均匀分布扩散开，方才能再用以制造各种刃具及模具。
这种钢加热时很容易发生过烧，接近极限温度范围的锻造经常出现碎裂现象，因此应严格控制它的加热温度，W18Cr4V属于高合金钢，它的锻造温度范围比较窄，升温缓慢，终锻温度范围大约在900-950℃之间，开始锻造温度为1100-1150℃。
W18Cr4V钢的导热性比较差，加热时需要进行分段加热，当其处于高温时应该快速加热，加热时间一般按0.5min/mm计算，低温时加热温度范围为800-900℃之间，加热时间一般按1min/ mm计算。
加热时，为了防止过烧和过热，要严格准确控制上限温度。并且，炉内的坯料装炉要合适，还要不断的的进行翻转，以保证它的内外温度均匀。
热处理工艺前预先处理是退火，温度为870-880℃，保温2-3小时，然后800-840℃预热，从1270-1280℃分级淬火，淬火温度为580-620℃， 560℃时在度进行三次回火，回火时需要保温1小时左右。
W18Cr4V含大量的合金元素，所以它的导热性、塑性差，往往在快速加热时他的热应力都会使之变形开裂，所以要在加热到淬火温度1270- 1280℃，在800-840℃预热，对形状复杂物件，还应在500-650℃时增加一次预热。
V、W等元素主要作用是提高铸件红硬性，要高温下才能溶解，但过高的温度又会使晶粒变得粗大，并且W等合金元素都缩小A区，使得共晶与共析温度上升，因而热处理时选择1270-1280℃，如果直接采用空冷，将会析出二次碳化物，就会使钢的红硬性降低。
淬火后的组织为马氏体十碳化物十残余奥氏体，在550-570℃回火析出W，C等元素引起二次硬化，析出碳，奥氏体溶解，降低合金元素含量，使Ms曲线上升，从而造成二次淬火，一次回火，还有15%的残余奥氏体，二次回火残余奥氏体为3%-5%，三次回火，只有1%-2%，最终得回火组织马氏体十碳化物十极少量残余奥氏体。
5.3.4 W9Mo3Cr4V
（1）化学性能
W6Mo5Cr4V化学成分分析见下表7。
表7：W9Mo3Cr4V钢材化学成分表
（2）力学性能
W9Mo3Cr4V钢是以中等含量的钨为主所炼制而成的材料，在炼制过程中，加入少量钼，并且合适的控制碳和钒的含量，可以有效的提高钢材的质量，改善钢材的性能，可以节约合金元素，这种钢符和我国资源和生产条件，是具有良好的综合性通用钢材，而且这种钢容易冶炼，具有很好的冷塑形和热塑性，成材几率高
由于这种钢材的冷塑性和热塑性都比较好，所以可以满足机械制造厂多次镦拔改锻、冷冲变形以及高频加热塑性成型工艺的要求。
这种钢热处理过热敏感性低于W6Mo5Cr4V2，切削性能比较好、可焊性和磨削性能都明显比W6Mo5Cr4V2强。
（2）热处理性能
这种材料通用性强，综合性能超过W18Cr4V，而且成本较低廉，适合大规模生产，表8为它的热处理温度表。
表 8：W9Mo3Cr4V热处理温度表/℃
淬火,820-870℃之间，预热温度1210-1230℃(盐浴炉)或1220-1240℃(箱式炉)。
加热，油冷，540～560℃回火2次，每次2h。
5.4几种材料最终对比
经过多方面考虑，几种材料做最终对比，如下表9：
表9：几种材料的最终对比
W6Mo5Cr4V2是替代W18Cr4V钢的理想牌号，其韧性，耐磨性，热塑性均比W18Cr4V好，经过对比，不管是从价值，还是使用性能，物理性能，化学能来说，选择W6Mo5Cr4V2是最好的选择，所以本次毕业设计选取材料W6Mo5Cr4V2。
六、热处理工艺方案设计
插齿刀要具有高的耐冲击性能，耐疲劳性能，高硬度，高耐磨性，高接触疲劳强度，而且经济性最合适，所以选择材料W6Mo5Cr4V2作为本次毕业设计的最终材料，并用于插齿刀设计。
在热处理之前，我们要先对材料进行锻造，高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物，极大的降低了钢的力学性能，特别是韧度，这些碳化物不能用热处理来消除，只能依靠锻造打击，将其击碎，并使其均匀分布，因此高速钢的锻造具有成形和改善碳化物两种作用，是非常重要的加工过程，因为他的导热性差，锻造后必须缓冷。
本次热处理的工艺路线为：锻造—退火—机加工—淬火后高温回火—磨加工。
结论
本文对插齿刀材料工作环境，性能，提出几种钢材，并且对这几种材料力学性能和热处理性能进行对比，最后确定选择W6Mo5Cr4V2为本次课题的材料，W6Mo5Cr4V2为高速工具钢，W6Mo5Cr4V2具有高韧性、耐磨性、热塑性均优W18Cr4V，而硬度、红硬性、高温硬度与W18Cr4V相当，因此W6Mo5Cr4V2高速钢除用于制造各种类型一般工具外，还可制作大型及热塑成型刀具。
本次课题选择的材料W6Mo5Cr4V2，首先要做的就是制作出热处理工艺路线，W6Mo5Cr4V2选定热处理工艺路线为：锻造—等温退火—机加工—淬火后高温回火—磨加工选择的热处理工艺是球化退火，将W6Mo5Cr4V2加热到850℃升温的速度要缓慢，保温时间2-4h，炉冷至740-760℃，然后在保温2-7h，然后炉冷至500-600℃，随后空冷，空冷硬度一般小于255HBS。
退火完毕之后，进行淬火工艺，第一步是淬火预热，预热温度850℃，时间24s/mm，之所以这样做，是因为到高速钢的导热性差，塑性低，而淬火的温度过高，直接放入高温炉中势必会出现大的内应力，容易引起刀具的变形和开裂，另外也会间接的延长了插齿刀在高温下停留的时间，增加了氧化和脱碳的倾向，第二步是淬火加热，选定淬火温度为1220-1240℃，介质为中性盐浴，时间为12-15s/mm，淬火介质为油，淬火加热是为了，让足够多的炭与合金元素溶于奥氏体中，晶粒度控制在其要求的范围内，防止出现过热和过烧，经过加热后的高速钢在回火后则可以获得高硬度和热硬性。
最后是冷却，画出热处理工艺图，做出热处理工艺卡片，完成本次的课程设计。
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摘要：插齿刀在齿轮加工领域占有很重要的位置，各种齿轮的加工与制作，都离不开插齿刀，所以插齿刀在齿轮加工行业具有广泛的应用，加工的齿轮材料不同，制作插齿刀的材料也要相应随之变化，如何在众多的材料中，分析选择出合适的材料制成插齿刀，就是我们这次要研究的问题，本文根据插齿刀的工作环境、插齿刀的受力分析，失效形式分析，选择合适的材料，并进行热处理工艺方案设计。
关键词：插齿刀受力分析 ；材料选择原则 ；热处理工艺方案设计
Gear shaper cutter material selection and heat treatment process
Abstract: Gear shaper cutter occupies an important position in the field of gear cutting, processing and production of all kinds of gear, cannot leave the gear shaper cutter, so the gear shaper cutter has widely applied in the gear processing industry, processing of gear material is different, make the gear shaper cutter material will change accordingly, how to in numerous material, of selecting suitable materials gear shaper cutter, is the problem we have to study this, gear shaper cutter working environment, and force analysis of gear shaper cutter, and failure form analysis, choosing the appropriate material, heat treatment process design.
Key words: The stress analysis of gear shaper cutter ；principle of material selection ；heat treatment process design
目录
摘要…………………………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………………………1
一、插齿刀工作原理………………………………………………………………………2
二、插齿刀受力分析………………………………………………………………………2
三、插齿刀失效形式………………………………………………………………………3
3.1积屑瘤………………………………………………………………………………… 3
3.2热变形………………………………………………………………………………… 4
3.3磨损…………………………………………………………………………………… 5
3.4疲劳断裂……………………………………………………………………………… 6
四、插齿刀性能要求………………………………………………………………………6
4.1高硬度高耐磨性……………………………………………………………………… 6
4.2足够的强度与韧性…………………………………………………………………… 6
4.3耐疲劳………………………………………………………………………………… 7
4.4耐高温………………………………………………………………………………… 7
4.5其他一些综合性能…………………………………………………………………… 7
五、插齿刀材料选择………………………………………………………………………6
5.1插齿刀材料选择原则………………………………………………………………… 7
5.2插齿刀材料要具备的性能…………………………………………………………… 7
5.3几种钢材的分析和对比……………………………………………………………… 8
六、热处理工艺方案设计……………………………………………………………… 14
6.1第一种热处理工艺方案………………………………………………………… 14
6.2第二种热处理工艺方案………………………………………………………… 17
6.3回火………………………………………………………………………………… 17
6.4热处理原理………………………………………………………………………… 19
6.5热处理最终选择……………………………………………………………… …… 18
6.6热处理设备选择………………………………………………………… ………… 21
七、结论………………………………………………………………………………… 23
参考文献………………………………………………………………………………… 24
附录：热处理工艺卡片
一、插齿刀工作原理
插齿刀是加工圆柱齿轮常用的刀具之一，它是插齿机上进行工作的，可以加工直齿、斜齿圆柱齿轮，人字齿轮和齿条，特别是对于内齿轮和双联齿轮的加工，最为方便。
插齿刀实际上是变位齿轮，模数和名义上的齿形角等于被加工齿轮的模数和齿形角，至于其前角和后角，是以技能形成有效的切削刃，是按展成原理加工齿轮的，直齿插齿刀加工圆柱齿轮时，刀具随主轴往复运动，同时与工件有配合的相互转动，逐渐包络出齿轮的齿形，斜齿插齿刀加工斜齿圆柱齿轮时，如同一对轴线平行的直齿圆柱齿轮啮合，人字插齿刀加工无空刀槽的人字齿轮，其加工原理和加工斜齿圆柱齿轮相同，但需要在专门的插齿机上用一对人字齿插齿刀分别加工人字齿轮的两边齿轮。
根据被加工齿轮的形势，插齿刀的结构可分为三种：盘形插齿刀，主要用于内加工，外啮合的直齿，斜齿以及人字齿轮。碗型插齿刀，主要用于加工带台肩及阶梯的内外啮合的直齿齿轮，锥柄插齿刀，主要用于加工内啮合直齿齿轮以及斜齿齿轮。
插齿刀精度等级有AA级，A级，B级三种，一般在插齿刀等级精度正常和正确使用的情况下，AA级插齿刀可加工6级精度齿轮，A级插齿刀可加工7级精度齿轮，B级插齿刀可加工8级精度齿轮。
被加工齿轮的模数范围一般为0.2-12mm，其中模数0.2-1mm为小模数断，模数1-8mm为中模数断，模数大于8mm为大模数断。
二、插齿刀受力分析
插齿刀在工作过程中往往会受到一些受力限制和约束：
（1）齿轮的根切：插齿刀的齿顶在切削加工时，会切入被切齿轮的根部渐开线齿形，所以，在我们加工时，往往被加工的齿轮齿数越少，就越方便切削加工，被切削加工齿轮齿数越少，被齿轮根切的可能性就越大。
（2）齿轮的顶切：齿轮顶切时，被切齿轮的齿顶进入插齿刀根部齿形以内，而被切去齿顶，所以，对于插齿刀的顶切，往往是插齿刀的齿数越少越好，因为插齿刀的变位系数以及齿数越小，在加工时就越容易顶切。
（3）曲轮过渡曲线干涉：插齿刀在加工插齿时，整个插齿面上不能被切出渐开线齿形，在插齿根部是过渡曲线，所以在切割工作时，插齿刀的齿数往往越少，那么齿形变位系数就会越大，过渡曲线会变长，二者成比例关系，就像是配对齿轮齿顶与过度曲线接触，就会干涉，发生切齿。
（4）径向切入的切顶：在加工内齿轮的插齿刀时，还应该预防插齿刀在径向切入时，不能发生切顶，如果刀具入口强度比较高的话，那么其耐摩擦，耐冲击性能，会很好，如果伴随负前角的绝对值减小，他的后面磨损面积变化很小，而总体却出现减小趋势，那么他的正前角会随着前角的增大，而刀具刃口逐渐锋利，但强度却会逐渐被减弱，导致后面角磨损加剧。
插齿刀的负前角在加工时，切削阻力会很大，这样一来就增大了切削震动，所以在使用正前角加工刀具时，刀具的磨损会非常严重，切削震动很大，所以往往人们粗加工的时候，会选择正前角较小的刀具，或者负前角刀具也可。
（5）插齿刀的后角：一旦后角变大，那么其整体的刃口强度会降下来，后刀面磨损面积开始增加，刀具的刃口强度逐渐降低。
插齿刀后角太大，切削震动会逐渐增加，后角越小，弹性恢复层和后刀面的摩擦接触长度会逐渐加大，这也是使切削刀具后面磨损的直接原因之一。
从这方面来说，增大后角能减小摩擦，能提高加工面表面的质量，增长或减少刀具使用的寿命。
三、插齿刀失效形式
3.1插齿刀的热变形
插齿刀在加工工件时，会产生高的热度，如果温度过高，插齿刀就会在高温下产生变形。
3.2插齿刀刀具的磨损
刀具的磨损形势可以分为两类，第一种是包括脆性的破碎，比如说崩刃、剥落、裂纹、虽短等和连续不断的逐渐磨损，第二类是塑性破碎，比如说弯曲，变形，磨损等。
刀具磨损到一定程度之后，就不能再继续做加工使用，刀具的磨损形势可以分为前刀面，后刀面，主刀刃等几种，下面我们会做分别介绍。
3.2.1后刀面磨损
加工表面和后刀面存在着很大的摩擦力，在后刀面上靠近刀刃的下方产生磨损，形成一段没有后角的磨损带，这种磨损一般发生在脆性金属材料上，较小的切削厚度，较低的速度切削塑形金属材料时
3.2.2前刀面磨损
切削塑性金属时，如果刀具的切削速度和切削厚度较大，那么前刀面的摩擦力一定会很大，温度会很高，在前刀面的主切削刃附近会产生一段凹坑槽。
在磨损的过程中，凹坑槽逐渐变深，变宽，切削刃强度逐渐减弱，然后发生崩刃。
3.2.3前后刀面一起磨损
在切削塑形金属材料时，采用中等切削进给量，中等切削速度，多以这种形式磨损。
3.3疲劳断裂
插齿刀长期进行往复工作，等周期性运动，会发生断裂，达到使用寿命。
3.4其他失效形式
除了上述之外，插齿刀的失效形式还分为失效断裂，包括塑性断裂，疲劳断裂，蠕变断裂，低应力脆断，介质加速断裂等等。
四、插齿刀性能要求
4.1高硬度高耐磨性
插齿刀由于工作时会产生磨损，所以必须具有一定的耐磨性。
插齿刀要具有有良好的耐磨性，也就是抵抗磨损的能力。在承受相当大压力和摩擦力的条件下，仍能保持其形状和尺寸不变，不影响工作。
在插齿刀工作运行时，当其承受较大的摩擦力，压力，而其形状尺寸都不会发生改变，这就是对插齿刀耐磨性能的要求。
刀具的材料硬度必须比被加工零件材料的硬度高，才能更好切削金属而自身不被磨损，这是制作插齿刀材料所必须具备的性能基本要求。
现在刀具材料硬度基本都在60HRC以上，刀具材料硬度越高，那么它的耐磨性就越好，由于切削条件比较复杂，材料的耐磨性还决定于它的金相组织和化学成分的稳定。
4.2足够强度与耐冲击性能
插齿刀的材料要具有一定抵抗冲击的性能，插齿刀必须有足够的抗冲击性能，方才能保证材料的使用性，在间断切削或冲击较大的工作条件下，其刀刃不被崩碎，一般材料的硬度越高，冲击韧性越低，也就越脆。
插齿刀的材料必须要具备一定的强度，插齿刀在工作抵抗切削力作用的同时，还不会使刀具崩刃与刀杆折断。
插齿刀要有一定的强度和韧性，使其在工作中能够承受冲击、负荷、震动以及弯曲等复杂的应力，以保证刀具的正常使用。
4.3耐疲劳性能
插齿刀要有对于反复运动，或者不断重复性力量的抵抗性，以保证插齿刀在周期性外力迅速交换的作用下不容易产生损坏、性能降低或损坏周期数。
4.4耐高温性能
插齿刀要具有一定的耐高温性能，抵抗高温性能的强弱，是判断制作插齿刀所选材料是否正确的重要指标，它综合反映了插齿刀材料在高温下保证耐磨性，硬度，抗氧化能力，抗粘结能力和抵抗扩散能力的强弱，插齿刀的耐高温性能越好，在切削过程中抗变形和耐磨损的能力就越强。
4.5 其他一些综合性能
除了上述性能之外，插齿刀还应该具有良好的机械加工性能和热压力加工性能，才能保证工具的制造和使用，还此外插齿刀还应该具有一定的热疲劳性、高温力学性能、耐磨腐蚀性、导热性能等。
五、插齿刀材料选择
5.1插齿刀材料选择原则
5.1.1选用材料必须满足工作条件要求
选用插齿刀材料时，首先要考虑所选材料本身所具有的性能必须满足其工作要求和使用性能，因为材料性能的好坏，力学性能的强弱，是决定材料制作出的插齿刀使用价值和工作寿命的主要因素。
插齿刀的工作条件通常分为受力状态、受力的大小和受力的性质，还有工作温度，环境介质，以及摩擦力等各个方面的条件，受力状态有拉，压，扭，弯，剪切等等，工作温度有低温高温之分别，环境化学介质，油类，润滑剂等等。
5.1.2选用材料必须满足插齿刀的工艺性能要求
插齿刀材料性能的好坏，决定着制作插齿刀的加工难易程度，对于生产效率和生产成本等方面都起着十分重要的作用，对与插齿刀的力学性能，通过热处理可以进行改变，通过热处理工艺，可以改变插齿刀材料的切削加工性能，可以改变插齿刀表面硬度，增加它的强度，耐磨性，韧性，等一系列性能。
热处理工艺性能，主要包括淬硬性，淬透性，淬火变形，淬火开裂，过热敏感，回火脆性，回火稳定性等。
材料工艺性能的好坏，对单位和小批件生产的产品来说，并不显得非常突出，而在批量擅长条件下，就明显的反映出他的重要性。
5.1.3所选材料要满足经济性
在满足插齿刀使用性能和质量的前提下，应注意材料的经济性。
对设计选材来说，保证经济性的前提是准确的计算结果，按插齿刀使用的受力，温度，耐腐蚀等条件来选用合适的材料，而不是单一的追求某一项指标，能用碳素钢的不用合金钢，能用低合金钢的不用高合金钢，能用普通材料就不用不锈耐热钢，这对于大批量生产来说，就显得非常重要，另外还要从材料的加工费用来考虑，尽量采用少切削或无切削的新工艺。
此外，选取材料还应该考虑国家的资源，尽量减少材料的品种，规格，这些直接影响材料的经济性。
在选用材料时，一般都会选取材料的使用条件和使用寿命，不可盲目的选用更高一级的材料或简单的以优代替劣质，以保证材料的经济性。
5.2插齿刀材料要具备的性能
5.2.1加工性
插齿刀的材料要具备良好的机械加工性和热压力加工性，才能保证插齿刀的制造和使用性能，插齿刀的加工性一般取决于钢材的组织和化学成分。
5.2.2淬火温度宽泛性
插齿刀材料的淬火温度应足够宽，以减少过热的可能性。
5.2.3淬硬性和淬透性
具有良好的淬硬性，是为了让钢在淬火后所能达到最高硬度值后，依然保存的性能，淬硬性好坏与钢的化学成分有关，特别是与碳含量有关，含碳量越高，淬硬性就越高。
淬透性就是钢在淬火后从内部到表面的硬度分布状况，淬透性的高低与钢的化学成分纯洁度、晶粒度有关。
5.2.4脱碳敏感性
插齿刀表面发生脱碳，将会让它的表面硬度降低，所以在选择材料时，必须考虑材料表面的脱碳敏感性。
5.2.5热处理变形性
插齿刀材料在热处理时，要求其尺寸和外形稳定，防止在热处理时工具变形。
5.2.6耐磨削性
对于制造插齿刀所选用材料，要求具有良好的磨削性能，钢的磨削性往往与其所具有化学成分有关，用高速钢制造切削工具，除了因为它具有高耐磨性、高硬度和足够的韧性外，还有一个最重要的因素是其具有高的红硬性。
5.2.7红硬性
插齿刀在高速切削时，刀刃在红热状态下会产生一种抵抗软化的能力，这种能力是我们所需要的，也是插齿刀材料所必备的性能。
综上所述，不论是性能，还是经济方面，高速钢均附和上述的各种条件，满足插齿刀的性能要求，所以选择高速钢作为本次插齿刀设计的材料是最好的选择。
5.3几种钢材的分析对比
5.3.1 W6Mo5Cr4V2材料的性能分析
（1）化学成分
表1为它的化学成分表。
表1：W6Mo5Cr4V2的化学成分分析表
| C | Mn | Si | Cr | Mo | V | W | P | S | Go |
| 0.80-0.90 | 0.15-0.40 | 0.20-0.45 | 3.80-4.40 | 4.50-5.50 | 1.75-2.20 | 5.50-6.75 | 0.030 | 0.030 | - |
（2）力学性能
这种钢具有较高的硬度，良好的高温硬度和热硬性，热塑性好，强度和韧性优良，缺点是钢的过热与脱碳敏感性较大。
W6Mo5Cr4V2 价格低廉而且容易加工,通过适当的热处理,淬火后表面硬度可以达到64-66HRC（见表2）。
表 2： W6Mo5Cr4V2硬度表
| 牌号 | 交货硬度HBS< | 试样热处理制度以及淬火回火温度 | |||||||
| 其他加工方法 | 退火 | 预热温度℃ | 淬火温度℃ | 淬淬火介质 | 回火温度℃ | HRC> | |||
| 盐浴炉 | 箱式炉 | ||||||||
| W6Mo5Cr4V2 | 255 | 262 | 730-840 | 1210-1230 | 1210-1230 | 油油 | 540-560 | 64（盐浴炉） | |
（3）热处理性能
它的碳化物细小，结构均由，韧性高，热塑性好，但这种刚容易脱碳氧化，所以加热时需要注意，这种钢除了用于制造一般工具外，还可以用于制造大型刀具，由于热塑性好，所以制造工具时，可以热塑形成，但这种钢淬火时，必须注意淬火温度，以满足强度和韧性的配合。
5.3.2 W2Mo9Cr4VCo8钢材的分析
（1）化学成分
化学成分分析见下表3。
表3：W2Mo9Cr4VCo8化学成分析表
| C | Si | Mn | P | S | V | Mo | Co |
| 1.05-1.15 | 0.15-0.65 | 0.15-0.60 | >0.30 | >0.030 | 0.951.35 | 9.0-10.00 | 7.75-8.75 |
W2Mo9Cr4VCo8钢材中钴的质量分数比较高，钒的质量分属很低，具有高的室温以及高温硬度，热硬性高，磨削性能良好，热硬性好，可磨性能好，刀刃锋利（见表4）。
表4：W2Mo9Cr4VCo8钢材的硬度图表
| 牌号 | 交货硬度HBS< | 试样热处理制度以及淬火回火温度 | |||||||
| 其他加工方法 | 退火 | 预热温度℃ | 淬火温度℃ | 淬火介质 | 回火温度℃ | HRC> | |||
| 盐浴炉 | 箱式炉 | ||||||||
| W2Mo9Cr4VCo8 | 285 | 269 | 730-840 | 1170-1190 | 1180-1200 | 油 | 530-550 | 66 | |
W2Mo9Cr4VCo8是高钴韧性高速钢，主要用于高韧性精密耐磨五金冷冲模，也可用于刀中冷却及切割工具及。
W2Mo9Cr4VCo8钢材硬度较高，可达70HRC，红硬性好，容易磨削加工。
制造的切削工具，可以切削铸造高温合金、铁基高温合金、钛合金和超高强度钢等，不过它的缺点是韧性比较差。
淬火时温度应选用最低温度，因为磨削加工性能好，所以可以用来制造各种结构复杂高精度刀具。
这种钢可以制成各种刀具,它不但在切削难加工材料时效果好, 而且其磨削性能也不错，可以用于各种复杂刀具的制作。不过中国钴资源比较缺乏, 含钴的高速钢价格太贵，大约是普通高速钢的5-8倍。
近年来国产含的钴高速钢在热硬性、淬回火硬度、使用性能等方面都有了一些的提高，但与国外比，还是有不少差距，只能接近或达到了进口钢材水平。
淬火、回火后硬度≥67HRC,。
（3）热处理性能
钴在热处理时，能促使淬火加热的碳化物，更多的溶解在基体内, 利用高的基体硬度提高材料耐磨性。
W2Mo9Cr4VCo8组织更加细化，冷加工与热加工性能良好，不过因为它的性能更加优异，所以价格与普通钢材相比，也比较高，适用于制造各种强力切割用耐冲击，耐磨工具，比如螺丝模，高级冲模及形状复杂的冲头，滚齿刀,刮刀, 钻头，铁刀等。
它具有高耐磨耗性、高红热硬度，较强切削能力，高冲击韧性，其晶粒细致均匀所以韧性较高，碳化物颗粒细、耐磨性好、硬度高。
等温退火:温度800-880℃，保温10-20分钟，DHR炉冷至约600℃，硬度在269HBS以上。
预热温度：730-845℃，淬火温度：1190-1210℃，回火温度：540-595℃，冷拉硬度285HBS，冷拉后退火硬度277HBS，淬火方式：油淬、空冷或盐浴淬火。
5.3.3 W18Cr4V
（1）化学成分
W18Cr4V其化学成分含量见表5。
表5：W18Cr4V化学成分表
| 含钨量 | 含碳量 | 含钒量 | 含硅量 | 含铬量 | 含锰量 | 含钼量 |
| 17.50-19.00% | 0.70-0.80% | 1.0-1.4% | 小于0.4% | 3.80-4.40% | 0.10-0.40% | 小于0.3% |
W18Cr4V，它属于莱氏体钢，常用的钨系高速钢一种，是高速钢应用最长久的一种，具有高的红硬性，硬度、及高温硬度。和其它高速钢一样，常被称为 “锋钢”“ 白钢”、或“风钢”，这种钢具有良好的热硬性，在600℃时，仍具有较高的硬度和较好的切削性能，磨削加工性能良好，淬火热敏感性能小，比合金钢的耐热性高，但它的碳化物比较粗大，强度和韧性随着材料的尺寸增大而下降。
（3）热处理性能
其热处理范围较宽，淬火不能过热，但在热处理时不容易氧化脱碳，磨削加工性能良好。
W18Cr4V钢在500℃-600℃时硬度分别保持在63-64HRC及62-63HRC，对于普通的、大量的被加工材料具有良好的切削加工性能。
红硬性：切削温度600-540℃时，其硬度可保持63-66HRC之间。
同时这种钢的工艺比较成熟，通用性强，但热塑性比较低，碳化物偏析严重，红硬性和刀具硬度满足不了特韧材料和加工特性，而且它的合金元素含量比较多，成本太高。
特点：在钢中，碳主要与钨、铬、钼等形成碳化物，用来提高材料的耐磨性、硬度以及红硬性。
下表为W18Cr4V热处理温度表（见表6）。
表6：W18Cr4V 热处理温度表/℃
| 牌号 | 交货硬度HBS< | 试样热处理制度以及淬火回火温度 | |||||||
| 其他加工方法 | 退火 | 预热温度℃ | 淬火温度℃ | 淬火介质 | 回火温度℃ | HRC> | |||
| 盐浴炉 | 箱式炉 | ||||||||
| W18Cr4V | 269 | 255 | 7820-870 | 1270-1285 | 1270-1285 | 油 | 550-570 | 63 | |
钨：主要作用是用来提高材料的红硬性，并在钢中形成碳化物。
加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含量很高的回火稳定性的马氏体组织，回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，形成二次硬化，加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用。
钒：能显著地提高高速钢的硬度，红硬性及耐磨性，钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化从而提高钢的红硬性。
铬在高速钢中主要作用是增加材料的淬透性，同时还能提高钢的抗腐蚀抗氧化脱碳能力。
钴：能很明显的提高钢的硬度和红硬性。
化学组织：W18Cr4V的组织包括屈氏体和马氏体相间排列的莱氏体，组织形状呈骨骼状的、碳化物片状，以及白色组织和黑色组织。
它的的化学成分和组织非常不均匀，就算是热处理也不能改变这种情况，解决的唯一办法就是给其增加压力加工，将其组织中粗大的共晶碳化物打碎，并使其均匀分布扩散开，方才能再用以制造各种刃具及模具。
这种钢加热时很容易发生过烧，接近极限温度范围的锻造经常出现碎裂现象，因此应严格控制它的加热温度，W18Cr4V属于高合金钢，它的锻造温度范围比较窄，升温缓慢，终锻温度范围大约在900-950℃之间，开始锻造温度为1100-1150℃。
W18Cr4V钢的导热性比较差，加热时需要进行分段加热，当其处于高温时应该快速加热，加热时间一般按0.5min/mm计算，低温时加热温度范围为800-900℃之间，加热时间一般按1min/ mm计算。
加热时，为了防止过烧和过热，要严格准确控制上限温度。并且，炉内的坯料装炉要合适，还要不断的的进行翻转，以保证它的内外温度均匀。
热处理工艺前预先处理是退火，温度为870-880℃，保温2-3小时，然后800-840℃预热，从1270-1280℃分级淬火，淬火温度为580-620℃， 560℃时在度进行三次回火，回火时需要保温1小时左右。
W18Cr4V含大量的合金元素，所以它的导热性、塑性差，往往在快速加热时他的热应力都会使之变形开裂，所以要在加热到淬火温度1270- 1280℃，在800-840℃预热，对形状复杂物件，还应在500-650℃时增加一次预热。
V、W等元素主要作用是提高铸件红硬性，要高温下才能溶解，但过高的温度又会使晶粒变得粗大，并且W等合金元素都缩小A区，使得共晶与共析温度上升，因而热处理时选择1270-1280℃，如果直接采用空冷，将会析出二次碳化物，就会使钢的红硬性降低。
淬火后的组织为马氏体十碳化物十残余奥氏体，在550-570℃回火析出W，C等元素引起二次硬化，析出碳，奥氏体溶解，降低合金元素含量，使Ms曲线上升，从而造成二次淬火，一次回火，还有15%的残余奥氏体，二次回火残余奥氏体为3%-5%，三次回火，只有1%-2%，最终得回火组织马氏体十碳化物十极少量残余奥氏体。
5.3.4 W9Mo3Cr4V
（1）化学性能
W6Mo5Cr4V化学成分分析见下表7。
表7：W9Mo3Cr4V钢材化学成分表
| C | SI | Mn | W | Mo | Cr | V | s | P |
| 0.77-0.87 | 0.20-0.40 | 0.20-0.40 | 8.50-9.50 | 2.70-3.30 | 3.80-4.20 | 1.30-1.70 | ≤0.030 | ≤0.030 |
W9Mo3Cr4V钢是以中等含量的钨为主所炼制而成的材料，在炼制过程中，加入少量钼，并且合适的控制碳和钒的含量，可以有效的提高钢材的质量，改善钢材的性能，可以节约合金元素，这种钢符和我国资源和生产条件，是具有良好的综合性通用钢材，而且这种钢容易冶炼，具有很好的冷塑形和热塑性，成材几率高
由于这种钢材的冷塑性和热塑性都比较好，所以可以满足机械制造厂多次镦拔改锻、冷冲变形以及高频加热塑性成型工艺的要求。
这种钢热处理过热敏感性低于W6Mo5Cr4V2，切削性能比较好、可焊性和磨削性能都明显比W6Mo5Cr4V2强。
（2）热处理性能
这种材料通用性强，综合性能超过W18Cr4V，而且成本较低廉，适合大规模生产，表8为它的热处理温度表。
表 8：W9Mo3Cr4V热处理温度表/℃
| 牌号 | 交货硬度HBS< | 试样热处理制度以及淬火回火温度℃ | |||||||
| 其他加工方法 | 退火 | 预热温度℃ | 淬火温度℃ | 淬火介质 | 回火温度℃ | HRC> | |||
| 盐浴炉 | 箱式炉 | ||||||||
|
W9Mo3Cr4V |
269 | 255 | 820-870 | 1210-1230 | 1220-1240 | 油 | 540-560 | 64 | |
| 63 | |||||||||
淬火,820-870℃之间，预热温度1210-1230℃(盐浴炉)或1220-1240℃(箱式炉)。
加热，油冷，540～560℃回火2次，每次2h。
5.4几种材料最终对比
经过多方面考虑，几种材料做最终对比，如下表9：
表9：几种材料的最终对比
| 材料 | 经济性 | 工艺方面 | 工作条件 | |
| W6Mo5Cr4V2 | 价格低廉 | 工艺性符合 | 符合 | |
| W2Mo9Cr4VCo8 | 略贵 |
|
符合 | |
| W18Cr4v | 价格低廉 | 符合 | ||
| W9MO3Cr4V | 价格与第一种相比，略贵 | 工艺性符合 | 符合 |
六、热处理工艺方案设计
插齿刀要具有高的耐冲击性能，耐疲劳性能，高硬度，高耐磨性，高接触疲劳强度，而且经济性最合适，所以选择材料W6Mo5Cr4V2作为本次毕业设计的最终材料，并用于插齿刀设计。
在热处理之前，我们要先对材料进行锻造，高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物，极大的降低了钢的力学性能，特别是韧度，这些碳化物不能用热处理来消除，只能依靠锻造打击，将其击碎，并使其均匀分布，因此高速钢的锻造具有成形和改善碳化物两种作用，是非常重要的加工过程，因为他的导热性差，锻造后必须缓冷。
本次热处理的工艺路线为：锻造—退火—机加工—淬火后高温回火—磨加工。
结论
本文对插齿刀材料工作环境，性能，提出几种钢材，并且对这几种材料力学性能和热处理性能进行对比，最后确定选择W6Mo5Cr4V2为本次课题的材料，W6Mo5Cr4V2为高速工具钢，W6Mo5Cr4V2具有高韧性、耐磨性、热塑性均优W18Cr4V，而硬度、红硬性、高温硬度与W18Cr4V相当，因此W6Mo5Cr4V2高速钢除用于制造各种类型一般工具外，还可制作大型及热塑成型刀具。
本次课题选择的材料W6Mo5Cr4V2，首先要做的就是制作出热处理工艺路线，W6Mo5Cr4V2选定热处理工艺路线为：锻造—等温退火—机加工—淬火后高温回火—磨加工选择的热处理工艺是球化退火，将W6Mo5Cr4V2加热到850℃升温的速度要缓慢，保温时间2-4h，炉冷至740-760℃，然后在保温2-7h，然后炉冷至500-600℃，随后空冷，空冷硬度一般小于255HBS。
退火完毕之后，进行淬火工艺，第一步是淬火预热，预热温度850℃，时间24s/mm，之所以这样做，是因为到高速钢的导热性差，塑性低，而淬火的温度过高，直接放入高温炉中势必会出现大的内应力，容易引起刀具的变形和开裂，另外也会间接的延长了插齿刀在高温下停留的时间，增加了氧化和脱碳的倾向，第二步是淬火加热，选定淬火温度为1220-1240℃，介质为中性盐浴，时间为12-15s/mm，淬火介质为油，淬火加热是为了，让足够多的炭与合金元素溶于奥氏体中，晶粒度控制在其要求的范围内，防止出现过热和过烧，经过加热后的高速钢在回火后则可以获得高硬度和热硬性。
最后是冷却，画出热处理工艺图，做出热处理工艺卡片，完成本次的课程设计。
参考文献
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