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機(jī)械刀片的熱處理

機(jī)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(qiáng)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(jī)械刀片生產(chǎn)流程
目前機(jī)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(chēng)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(chēng)釬接，是采用熔點(diǎn)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(mǎn)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(jī)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(wú)氧化熱軋鑲接、無(wú)氧化加焊藥熱軋接三種。兩種成形工藝各有特點(diǎn)，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(kāi)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(cè)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(jī)械加工工序；
(14) 根據(jù)客戶(hù)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(guó)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(guó)外刀片材料不再保密，國(guó)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(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)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(kāi)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(lái)，刃鋼材料個(gè)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(diǎn)，自行設(shè)計(jì)鋼的成分，與鋼廠(chǎng)簽訂供需協(xié)議，其中Cr8 系列最有競(jìng)爭(zhēng)力，已產(chǎn)生較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，是值得關(guān)注和推廣的刀片新材料。

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

3.1、退火
鋼廠(chǎng)供給工具廠(chǎng)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(chǎng)后要經(jīng)過(guò)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(kāi)保溫箱蓋空冷。

退火加熱爐為專(zhuān)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(shí)際上很多廠(chǎng)不作此項(xiàng)檢查，出了質(zhì)量問(wèn)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(yàn)豐富的檢驗(yàn)人員可根據(jù)所測(cè)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(shí)，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(guò)高，不但會(huì)增大工件的氧化脫碳傾向，而且還會(huì)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(shí)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(shí)還會(huì)使碳化物穩(wěn)定化，使鋼的紅硬性下降。退火保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)，不能隨意延長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的保溫會(huì)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(huì)釀成大禍。

3.2、淬火

機(jī)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(chǎng)根據(jù)實(shí)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(shí)間根據(jù)鋼種和工件尺寸確定。預(yù)熱對(duì)減少畸變、縮短高溫加熱時(shí)間有益。

(2) 加熱溫度根據(jù)實(shí)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(zhǎng)1 倍加熱時(shí)間有效，其優(yōu)點(diǎn)：一可以獲得高硬度和高強(qiáng)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?yàn)榈度幸蟾哂捕雀邚?qiáng)度，應(yīng)在用足韌性的前提下盡量提高硬度。最終通過(guò)提高回火溫度來(lái)達(dá)到硬度要求，而不是通過(guò)有意識(shí)地降低加熱溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3) 加熱時(shí)間高速鋼及高合金鋼工具的淬火加熱時(shí)間以工件的有效厚度乘以加熱系數(shù)來(lái)計(jì)算，也有根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的(不可取) 。用不同爐子加熱時(shí)，加熱時(shí)間的計(jì)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(lèi)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(shí)間。

高速鋼淬火加熱時(shí)，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(shí)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(lái)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(shí)間，s。

從該公式可以看出，提高加熱溫度比延長(zhǎng)加熱時(shí)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(shí)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(shí)性和實(shí)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(huì)開(kāi)裂，但要掌握好水冷時(shí)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(jí)鹽浴，但鹽浴溫度不是我國(guó)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(jī)械刀片多采用高壓氣淬，很少油冷?？v觀(guān)機(jī)械刀片的熱處理質(zhì)量，淬火出的問(wèn)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(shí)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(guó)圓刀片等溫淬火適時(shí)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(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題，不少企業(yè)都做過(guò)試驗(yàn)，覺(jué)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(huì)增加，反而有損韌性，浪費(fèi)能源，增加刀片制造成本。對(duì)用戶(hù)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(shí)機(jī)及工藝參數(shù)。

4、熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)
質(zhì)量檢驗(yàn)是機(jī)械刀片生產(chǎn)制造過(guò)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(chǎng)檢驗(yàn)原材料進(jìn)廠(chǎng)必須檢驗(yàn)合格方可入庫(kù)。檢驗(yàn)項(xiàng)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(guān)日本刀片生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)爐前不檢查此項(xiàng)目，歐美一些國(guó)家也不檢驗(yàn)。但在我國(guó)就行不通，如果哪家工具廠(chǎng)不進(jìn)行爐前金相檢驗(yàn)，肯定要出質(zhì)量問(wèn)題。因?yàn)槲覀兊墓芾砣狈茖W(xué)性，沒(méi)有分爐號(hào)淬火，更談不上按刀片使用狀況與鋼廠(chǎng)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(duì)于刀具行業(yè)來(lái)說(shuō)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(wú)非是使碳化物轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)換。高速鋼爐前淬火檢驗(yàn)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(cè)硬度。高速鋼刀片淬火后硬度必須在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，硬度高說(shuō)明淬火溫度低，硬度低說(shuō)明淬火溫度高。筆者在多篇論文中反復(fù)強(qiáng)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(guó)與國(guó)外刀片的差距不是硬度而在于顯微組織。

機(jī)械刀片硬度檢測(cè)，我國(guó)用洛氏硬度，日本用肖氏硬度，歐美各國(guó)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(duì)刀片的使用性能會(huì)提出更高的要求?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展永無(wú)止境，機(jī)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(guó)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(kāi)發(fā)中。什么是核心競(jìng)爭(zhēng)力? 熱處理技術(shù)就是機(jī)械產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。搞好熱處理，就能一頂幾。