4Cr13游标卡尺的热处理工艺

4Cr13游标卡尺的热处理工艺

摘要：在当今社会对机械加工精度的日益苛刻的前提下，简要分析讨论制造游标卡尺的材料选择，热处理工艺加工。本文就是针对通过4Cr3不锈钢游标卡尺的热处理工艺，了解4Cr13不锈钢的在正火、淬火、回火的组织特性，选择合理的量具制造工艺要求。

关键词：游标卡尺 4Cr13不锈钢热处理

一、游标卡尺的结构

随着现代社会科技发展要求，对于加工工件精度要求越来越严格，所以近些年来，市场上对游标卡尺的精度、材料、处理工艺等条件要求也越来越高。所以本次论文主要是通过对含碳量较高的4Cr13型不锈钢的游标卡尺，对其进行热处理工艺试验，如图1所示游标卡尺示意图。

图1 所示游标卡尺示意图

游标卡尺主要是由主尺和附在主尺上能够自由滑动的游标这两部分组成。在游标卡尺的游标和主尺上还有两副活动量爪，分别是内测量爪和外测量爪，通常是用来测量内径和外径，同时在游标卡尺的尾部还有伸出的深度尺，主要用来测量深度要求。于是根据游标卡尺在使用性能和制造工艺要求下，选择合理的热处理工艺是本次论文的重点要求。

二、游标卡尺的选材要求及选材

游标卡尺的要求较高，但其在使用的过程中也会因为各种原因出现磨损、尺身与尺框之间产生间隙、尺身厚度不均匀和主尺弯曲等失效现象。因此，为了防止失效的出现，我们要对游标卡尺的零件进行合理选材与热处理工艺的优化，最大限度的减少由于游标卡尺的失效而引起的测量误差。

1.选材要求

（1）零件在使用中应该具有的力学性能，这是选择游标卡尺材料的必要条件，也是零件乃至机器完成其功能的基本保证。那么对于游标卡尺的使用性能主要是由力学性能和物理性能表征。

（2）材料要具有制成制品之后，能够在较长时间内完成预定的工作同时不会被破坏。

（3）材料能够适应各种加工工艺，同时获得所要求的使用性能或形状。

（4）材料选择是不一定是最贵的，但是一定是要最适合用来加工该零件的，并且要使总成本降到最低或市场效益最大。

(5) 材料的选择要适合该种工具的工作环境要求。

2.选材

于是，通过查询资料我们知道常用的几种用于制造游标卡尺的钢材料，主要是碳素工具钢、不锈铬钢、合金工具钢等钢材料。

（1）碳素工具钢

制造游标卡尺通常选T8A、T9或T10A钢，因为这些钢不仅退火硬度低而且价格很便宜，同时加工性能较好。碳素工具钢也会随着碳含量升高，其耐磨性也会提高。同时随着含碳量的升高，淬火后也更加容易得到马氏体。综合以上，对于碳素工具钢可以选用T10A钢可以作为游标卡尺的主尺、游标、量爪等零件的制造材料。

（2）不锈钢。

如果选用不锈钢作为制造游标卡尺的材料，通常可以选择2Cr13、3Cr13和4Cr13及8Cr16钢。但是4Cr13钢比同样条件下，其他的几种不锈钢得到的马氏体具有更好的抗锈蚀性、耐磨性，通过金相显微镜观察发现其碳化物分布更均匀。于是同样可以选用4Cr13钢作为游标卡尺的主尺和游标的制造材料。

（3）合金工具钢

利用合金工具钢制造游标卡尺通常可以从GCr15、9CrWMn和CrWMn钢中选择，这些材料都具有较好的淬透性、耐磨性和尺寸稳定性，并且也都符合制造游标卡尺的硬指标要求。但是合金工具钢的硬度较高，韧性不足，而且在价格上也要高于其他两种型号的钢材。

所以在合金工具钢中，GCr15钢是本组型号钢的较好选择。

（4）小结

游标卡尺在制造工艺和使用性能上有一定的要求:

○1要具有较宽的高硬度淬火加热区间，保证工件具有较高的使用寿命。

○2热处理变形小,尽量减少由于热处理造成的变形。

○3加工后组织性能稳定，以保证游标卡尺在使用过程中的稳定性要求。

○4切削加工性能较好，易于达到尺寸配合精度。综合游标卡尺的性能要求以及各种型号钢材的评比结果要求，4Cr13钢和GCr15钢是较好的选择，但是从价格及加工成本上来讲，4Cr13钢是更好的选择。所以最终选定4Cr13钢作为游标卡尺的主尺和游标、量爪及框架的制造材料。

三、热处理工艺选择

1.预备热处理的选择

对于4Cr13钢制的游标卡尺的尺身而言，预备热处理可采用退火、正火、等温球化退火、高温回火等热处理工艺。然而，如果采用等温球化退火工艺作为游标卡尺的尺身预备热处理工艺，可得到球化体组织，能够得到钢的最佳塑性和最低硬度，能够很大程度上改善切削加工性能，同时为最终热处理做最好的组织准备；如果原毛坯中有网状碳化物，还要先进行正火以消除网状碳化物，然后再进行球化退火。所以通过采用等温球化退火工艺作为游标卡尺的主尺预备热处理工艺较为合适。

2.最终热处理的确定

最终热处理可以采用淬火+低温回火。淬火可以提高工件的硬度和耐磨性，然而，淬火完成之后还必须要有回火与之配合。那么低温回火时，马氏体发生分解，从而析出碳化物而变成为回火马氏体，消除了部分的淬火应力；还能够愈合在淬火时产生的微裂纹；也可以在较小程度下降低加工件的硬度，明显地提高钢的韧性。这就满足了游标卡尺对高硬度、高耐磨性以及适当的韧性的要求。

3.研究意义

游标卡尺在生产和科研中发挥着重要作用，有一定的市场需求。为了满足现代社会发展的需要，我们要选择合理的制造材料，同时也要选择最合适的热处理工艺，最大限度的提高游标卡尺的使用性能。故此，研究和优化游标卡尺的选材与热处理工艺的意义，就是能够大幅降低生产成本获得更好的使用性能，为加工生产提供最可靠的保障。

四、热处理工艺制定

1.4Cr13钢的成分和性能

在设计工艺前，有必要先对4Cr13钢的成分和性能进行讨论，然后再根据其成分和性能设计工艺。高碳铬工具钢4Cr13是世界上生产量最主要的工具钢，占世界工具钢生产总量的65%以上。4Cr13钢是一种合金含量较少，具有良好性能，应用最广泛的高碳铬工具钢。以至于现在我们所用的车刀、铣刀、铰刀等很多刀具，量具都使用4Cr13钢。4Cr13钢经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。

（1）4Cr13的化学成分及其特点

碳C ：0.36～0.45

铬Cr：12.00～14.00

硅Si：≤0.60

锰Mn：≤0.80

镍Ni：允许含有≤0.60

从4Cr13不锈钢的化学成分中我们不难看出以下特点：

○14Cr13钢含碳量很高，属于过共析钢。大量的碳将会有一部分存在于马氏体基体中，以强化马氏体；另一部分碳形成足够数量的碳化物以获得较高的耐磨性和硬度；但是碳含量过高也会增加碳化物分布的不均匀性，容易生成网状碳化物而降低该钢的性能。

○2Cr元素的含量较高，其作用主要是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。钢中部分铬形成的合金渗碳体在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经过热处理后可以细化晶粒；使碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。