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機械刀片的熱處理

機械刀片是切削木材、造紙、印刷、皮革、膠木板等材料的刀具，其規(guī)格品種繁多。由于切削加工的特殊性，要求刀片既要有高的硬度、強韌性、耐磨性和一定的熱硬性，又要有高的抗疲勞斷裂和抗碳化物剝落的性能，尤其是木材加工用的刨切刀和旋切刀，使用性能要求更高。
1、機械刀片生產(chǎn)流程
目前機械刀片用材有兩種：一是整體為合金鋼或高速鋼(少數(shù)為硬質(zhì)合金) ； 二是刃部為合金鋼或高速鋼，刃背(也稱刀體) 為碳鋼。后者的成形方法有釬焊和高溫壓軋鑲接兩種。釬焊也稱釬接，是采用熔點比焊件低的焊料(填充金屬) 和焊件連接處一同加熱，焊料熔化后滲入并填滿連接處間隙而達(dá)到焊接的目的。高溫壓軋鑲接是將刃鋼和碳鋼刀體加熱到高溫，用軋機將刃鋼與刀體焊接在一起，屬于一種固體焊接方法，其工藝分為熱軋焊藥鑲接、無氧化熱軋鑲接、無氧化加焊藥熱軋接三種。兩種成形工藝各有特點，但釬焊比鑲軋更為先進(jìn)。釬焊制刀的工藝流程如下：
(1) 刀體碳鋼鋼板、刀刃鋼板下料，并校平校直；
(2) 磨去鋼板表面氧化皮，刃鋼需4 面磨光；
(3) 刀全鋼板焊接部位開槽，刃鋼再次校平；
(4) 去除刀槽及刃鋼4 周的毛刺；
(5) 清洗刀槽及刃鋼表面；
(6) 在刀槽上鋪上銅片和刃鋼板條并固定；
(7) 裝爐，在保護(hù)氣氛爐中完成焊接、加熱、淬火工序；
(8) 檢查淬火組織并測硬度；
(9) 出爐后迅速磨去銅渣，趁熱校平校直；
(10) 回火；
(11) 第一次回火出爐后立即校平校直；
(12) 檢查回火后顯微組織、硬度，并作出是否繼續(xù)回火的決定；
(13) 將合格的刀片轉(zhuǎn)入機械加工工序；
(14) 根據(jù)客戶要求決定是否深冷處理；
(15) 包裝。

2、刃鋼材料
20 世紀(jì)60 年代，從國外引進(jìn)的刀片刃鋼材料主要為7CrWMoVSi 鋼和5Cr8WMo2VSi 鋼，上世紀(jì)90 年代國外刀片材料不再保密，國內(nèi)也采用上述兩種材料制刀。20 世紀(jì)末和21 世紀(jì)初，國內(nèi)外相繼開發(fā)了不少新的刀片材料，如8Cr2W2MoVSi 鋼、6Cr6W3MoV2Si 鋼、6Cr8WMo2VSi 鋼、5Cr5WMoSiV鋼、6Cr8W2Mo4V 鋼、Cr8Mo2VSi 鋼、MLS 鋼、YCK2鋼、A8B 鋼、HYC3 鋼等。新開發(fā)和正在應(yīng)用的刃鋼材料均采用含W、Mo、Cr、V 等碳化物形成元素的高碳合金工具鋼，也采用高速鋼甚至粉末高速鋼。

近年來，刃鋼材料個性化是制造業(yè)的一大進(jìn)步，有些企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品特點，自行設(shè)計鋼的成分，與鋼廠簽訂供需協(xié)議，其中Cr8 系列最有競爭力，已產(chǎn)生較大的社會和經(jīng)濟效益，是值得關(guān)注和推廣的刀片新材料。

3、機械刀片的熱處理工藝
可以毫不夸張地說，當(dāng)今熱處理新工藝在機械刀片上都得到了成功應(yīng)用，本文作簡單介紹。

3.1、退火
鋼廠供給工具廠的鋼板均以退火態(tài)供貨，以便用材單位直接下料和后續(xù)淬火處理。如鋼板進(jìn)廠后要經(jīng)過鍛軋加工，就必須進(jìn)行退火，得到理想的球化組織，以便淬火回火后獲得較佳的綜合力學(xué)性能。球化退火工藝有多種，一般采用等溫球化退火。等溫球化退火是將鋼加熱到Ac1以上40 ～60 ℃，保溫3 ～ 4 h，然后冷卻到720 ～ 740 ℃，再保溫3 ～ 4 h，爐冷至550 ～ 600 ℃，打開保溫箱蓋空冷。

退火加熱爐為專用的較大型密封箱式電阻爐，裝箱保護(hù)，保證刃鋼不脫碳或微增碳。

退火后應(yīng)檢查硬度和顯微組織，但實際上很多廠不作此項檢查，出了質(zhì)量問題才從頭找原因。刃鋼退火后的硬度應(yīng)符合工藝技術(shù)要求，以利于切削加工。經(jīng)驗豐富的檢驗人員可根據(jù)所測硬度判斷球化效果，例如HSS 鋼退火后硬度為207 ～241 HBW、CrWMn 鋼為207 ～ 227 HBW。高速鋼等高合金鋼中的原始帶狀或網(wǎng)狀組織的改善程度取于鍛軋工藝，熱處理改善的效果甚微，退火溫度較高時，稍有減輕。但退火卻能改變二次碳化物的分布狀態(tài)，中、低合金鋼中除極少量大顆粒碳化物外，均可由退火工藝掌控。退火溫度過高，不但會增大工件的氧化脫碳傾向，而且還會使奧氏體合金度增高，從而導(dǎo)致奧氏體在珠光體區(qū)域冷卻時穩(wěn)定性增大，不能充分進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，使退火后的硬度偏高，同時還會使碳化物穩(wěn)定化，使鋼的紅硬性下降。退火保溫時間應(yīng)適當(dāng)，不能隨意延長，過長的保溫會使碳化物偏聚，造成淬火回火后硬度下降，影響耐磨性。

綜上所述，退火工藝也應(yīng)該重視，忽視退火組織和工藝控制會釀成大禍。

3.2、淬火

機械刀片的淬火方法，根據(jù)加熱爐型、加熱溫度、加熱方式、加熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)及冷卻方法，可細(xì)化到幾十種。目前行業(yè)中采用的設(shè)備有密封箱式爐、真空爐、鹽浴爐、網(wǎng)帶爐等。以下按工序先后介紹。

(1) 預(yù)熱不論采用何種爐子加熱均需預(yù)熱。工具廠根據(jù)實際情況制作必備的工裝夾具，制訂預(yù)熱工藝。預(yù)熱分一段預(yù)熱、二段預(yù)熱甚至三段預(yù)熱。預(yù)熱溫度和時間根據(jù)鋼種和工件尺寸確定。預(yù)熱對減少畸變、縮短高溫加熱時間有益。

(2) 加熱溫度根據(jù)實際效果，筆者主張采用半快速加熱，即采用較高的加熱溫度，這比延長1 倍加熱時間有效，其優(yōu)點：一可以獲得高硬度和高強度；二可以減輕碳化物的不均勻度； 三是節(jié)能、提高單位生產(chǎn)率。以前，不少企業(yè)常采用較低的加熱溫度以提高刀片韌性，幾經(jīng)挫折，認(rèn)為還是采用高溫加熱有益，因為刀刃要求高硬度高強度，應(yīng)在用足韌性的前提下盡量提高硬度。最終通過提高回火溫度來達(dá)到硬度要求，而不是通過有意識地降低加熱溫度來實現(xiàn)。

(3) 加熱時間高速鋼及高合金鋼工具的淬火加熱時間以工件的有效厚度乘以加熱系數(shù)來計算，也有根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗來確定的(不可取) 。用不同爐子加熱時，加熱時間的計算方法也不同，以高速鋼鹽浴爐加熱為例，在1160 ～ 1230 ℃、1230 ～ 1285 ℃加熱的系數(shù)分別為10 ～ 12 s /mm、7 ～ 10 s /mm。加熱系數(shù)只是以單件核算，在大量裝爐的情況下，必須根據(jù)加熱爐的類型、結(jié)構(gòu)、功率、升溫速度以及工件的裝夾方式、裝爐量及預(yù)熱情況等諸因素確定最終的加熱時間。

高速鋼淬火加熱時，要使合金碳化物較充分地溶解，得到較高的奧氏體化程度，加熱的溫度和時間都很重要，兩者相比，溫度是第一位的。兩者的綜合作用習(xí)慣用淬火參量公式來表達(dá)：

P = t(37 + Iogτ)

式中：P 為淬火參量； t 為淬火加熱溫度，K； τ 為淬火加熱時間，s。

從該公式可以看出，提高加熱溫度比延長加熱時間有效，在保護(hù)氣氛密封箱式爐中加熱的高速鋼刀片，裝爐量近2 t，保溫時間不足40 min，淬火質(zhì)量一直較穩(wěn)定，足以證明上述公式的真實性和實用性。

(4) 淬火介質(zhì)淬火冷卻方式多種多樣，高速鋼刀片高頻加熱后空冷。筆者在日本看到：鑲鋼刀片都采用水冷淬火，由于低碳鋼刀體的塑性變形可以減小刃鋼馬氏體相變的應(yīng)力，水淬也不會開裂，但要掌握好水冷時間及出水溫度； 釬焊刀片在密封箱式爐中加熱多采用充液氮冷卻； 鹽浴爐加熱冷卻仍采用分級鹽浴，但鹽浴溫度不是我國的580 ～ 620 ℃，而是450 ～ 550 ℃； Cr12MoV 鋼及基體鋼制刀片淬火冷卻常用硝鹽浴，浴溫200 ℃左右； 真空淬火的機械刀片多采用高壓氣淬，很少油冷。縱觀機械刀片的熱處理質(zhì)量，淬火出的問題最多，諸如在真空爐、密封箱式爐中加熱的高速鋼刀片，如冷卻速度達(dá)不到一定值，將有碳化物析出，致使淬火后硬度低而影響耐磨性等。

(5) 校直刀片淬火發(fā)生畸變實屬難免，關(guān)鍵是如何采用行之有效的手段將之校直。嘉龍公司釬焊刀片淬火后利用相變超塑性原理校直的效果良好。歐美、日本等國圓刀片等溫淬火適時校直也收到很好的效果。

3.3、回火

按刀片刃鋼材質(zhì)施以不同的回火工藝。低、中合金鋼淬火后一般為180 ～ 220 ℃回火2 次，每次2 ～ 3 h； Cr12MoV 鋼常于220 ～ 240 ℃回火； 高速鋼和基體鋼為500 ～ 580 ℃回火3 次，每次2 ～ 3 h。

3.4、冷處理或深冷處理

在刀片制造業(yè)，刀片要不要進(jìn)行冷處理或深冷處理是個有爭議的問題，不少企業(yè)都做過試驗，覺得收效甚微，特別是回火已很充分的高速鋼刀片，經(jīng)深冷處理后硬度不會增加，反而有損韌性，浪費能源，增加刀片制造成本。對用戶有要求的基體鋼及中合金鋼刀片，可以進(jìn)行深冷處理，但要掌握好深冷處理的時機及工藝參數(shù)。

4、熱處理質(zhì)量檢驗
質(zhì)量檢驗是機械刀片生產(chǎn)制造過程中非常重要的環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格控制，認(rèn)真把關(guān)。

(1) 原材料鋼板進(jìn)廠檢驗原材料進(jìn)廠必須檢驗合格方可入庫。檢驗項目包括化學(xué)成分、脫碳層深度、碳化物均勻度、碳化物顆粒度、試淬硬度、表面質(zhì)量等。

(2) 淬火奧氏體晶粒度筆者參觀日本刀片生產(chǎn)現(xiàn)場時，發(fā)現(xiàn)爐前不檢查此項目，歐美一些國家也不檢驗。但在我國就行不通，如果哪家工具廠不進(jìn)行爐前金相檢驗，肯定要出質(zhì)量問題。因為我們的管理缺乏科學(xué)性，沒有分爐號淬火，更談不上按刀片使用狀況與鋼廠簽訂合同，所以爐前淬火很盲目。我們一定要視具體產(chǎn)品，將晶粒度控制在理想范圍內(nèi)。

(3) 碳化物碳化物對于刀具行業(yè)來說是一把雙刃箭，一方面它是高硬度高耐磨性高紅硬性的基礎(chǔ)，另一方面又易引發(fā)熱處理質(zhì)量事故。熱處理無非是使碳化物轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)換。高速鋼爐前淬火檢驗一定注重碳化物的溶解情況，晶粒度只能反映加熱溫度的高低，碳化物溶解程度才具有本質(zhì)上的意義。

(4) 硬度淬火后、回火后都要檢測硬度。高速鋼刀片淬火后硬度必須在一個合適的范圍內(nèi)，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，硬度高說明淬火溫度低，硬度低說明淬火溫度高。筆者在多篇論文中反復(fù)強調(diào)“硬度是表面現(xiàn)象，顯微組織才是本質(zhì)”的基本道理，要達(dá)到工藝要求的硬度很容易，但要達(dá)到理想的顯微組織可不是一件易事，我國與國外刀片的差距不是硬度而在于顯微組織。

機械刀片硬度檢測，我國用洛氏硬度，日本用肖氏硬度，歐美各國則普遍采用維氏硬度。隨著木材、印刷等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，對刀片的使用性能會提出更高的要求?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展永無止境，機械刀片的材料和熱處理工藝也將不斷更新?lián)Q代。目前，我國滲氮離子鍍復(fù)合涂層技術(shù)已成功應(yīng)用于65Mn 鋼切紙刀片，激光淬火、氣相沉積等熱處理新技術(shù)正在開發(fā)中。什么是核心競爭力? 熱處理技術(shù)就是機械產(chǎn)品的核心競爭力。搞好熱處理，就能一頂幾。