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同一种钢制作不同的机械刀片,热处理工艺应该个性化

机械刀片是木材、造纸、印刷、皮革、胶合板及汽车制造等行业产品加工必备的切削刀具。刀具的规格品种繁多,热处理难度较大。应用非常广泛,用量与日俱增。机械刀片薄刃细长,加工对象主要是非金属材料。由于服役的特殊性,要求刀片既要有高的硬度、强韧性、耐磨性和一定的热硬性,又要求高的抗疲劳断裂和碳化物剥落的能力,尤其是木材加工用的刨切刀和旋切刀要求更高。以下简介Cr8型钢制作刀片的热处理工艺。


1.Cr8型钢退火工艺规范


所谓Cr8型钢就是wCr= 8%的工具钢,这类型钢大多用来制造模具,但热处理得当,也是非常理想的刀具材料,尤其是在机械刀片行业,可以讲是一枝独秀。常用的Cr8型钢化学成分如表1所示。


表1  常用的Cr8型钢化学成分(质量分数)(%)



注:表中有些成分为失效刀片光谱分析实测数据。


从表1可以看出,大部分钢中含有W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素,在钢中形成M3C、M23C6、M7C3、M6C、MC五种类型的碳化物,如果W、Mo含量较高,还可能会形成WC、Mo2C碳化物。


从钢厂购来的钢板或钢带,一般以退火态交货,以便切削加工。如果钢材进厂再进行锻轧就要退火处理,得到理想的球化组织,以便淬火、回火后获得较佳的综合力学性能。球化退火工艺有多种,一般采用等温球化退火。


表1所列钢种常采用的退火工艺为:将钢加热到840~860℃,保温3~4h,炉冷至720~740℃,再保温3~4h,炉冷至550~600℃,出炉打开保温箱盖空冷至室温,校直。


退火加热炉为专用的较大型密封箱式炉,装箱保护,保护刃钢不脱碳或微增碳。


退火后应检查硬度和显微组织,但实际上很多厂不作检查,出了质量问题才从头找原因。退火后的硬度应符合工艺,大多数为207~255HBW,金相组织按同类钢材标准验收。


高合金钢中的带状组织的改善程度由锻轧工艺所决定,退火温度偏高时,带状稍有改善,但不能从根本上消除,退火工艺却能改变二次碳化物的分布状态;中低合金工具钢中除极少量大颗粒碳化物外,均可由退火工艺掌控。退火温度过高,不但增加工件氧化脱碳倾向,还会使奥氏体中合金度增高,从而导致奥氏体在珠光体区域冷却时的稳定性增大,不能充分进行珠光体转变,使退火后的硬度增高,同时还会使有些碳化物稳定化,使钢的热硬性不降。保温时间应适当,不是越长越好,过长的保温时间会使碳化物偏聚,造成淬火、回火后硬度下降,影响耐磨性。


如上所述,应当重视退火工艺,若忽视退火组织、工艺控制会给热处理带来不必要的麻烦。


2.淬火工艺


嘉龙公司生产的各种机械刀片,规格品种比较齐全,最长的4.8m。根据刀片使用的不同工况,选择不同的Cr8型材料,加热炉为自制的全密封的氮气保护辊底式炉,最高工件温度1300℃。部分机械刀片如图1所示。



(1)淬火加热温度

淬火加热温度通常会给出一个不太宽的温度区间,在给出的温度范围内能保证硬度、金相合格,但不能保证一定是优等品、高寿命。要做到后者,热处理工艺必须个性化。部分Cr8型钢淬火加热温度如表2所示。金相是热处理最核心的竞争力。我们的刀具和日本、德国、意大利等发达国家的同类刀具相比,材料不比他们差,硬度也不低,就是金相上存在微妙的差距,从而导致寿命差异较大。


一般地讲,工艺上给出的淬火温度的上限对应硬度的上限,它是确定奥氏体晶粒长大的拐点和γR量急剧增加的拐点,要充分利用;下限温度虽然保险,但绝对是下策,有经验的操作者肯定不会采用。我们都是习惯于接近上限温度淬火,其优越性有三条:①可以获得高硬度和高强度,并具备服役条件和高韧性。②改善碳化物的不均匀性,减轻带状网状程度,有利于韧性的提高。③节能增效,生产率高。


(2)保温时间

由于装炉量大,为使刀片奥氏体均匀化、内外传导均匀,一定要保温,但保温时间千万不可过长。2013年3月我们到日本某大公司现场参观,看到18m长的大炉子装1.5~1.8t工件,加上支架等夹具,被加热体总质量至少3t,但保温时间只有27~28mim,产品质量上乘。我们学习日本的先进经验,淬火温度取上限,保温时间很短,生产效率高,节能环保。对于任何钢件来说,都存在一个淬火参量的问题,例如高速钢淬火参量的表达式为:


P=t(37+logτ)

式中,P——淬火参量;

t——淬火加热温度(K);

τ——淬火加热时间(s)。


从上式可以看出,提高加热温度比延长时间更有效,根据实际情况,保温时间一般为20~30min。Cr8型刃钢的淬火晶粒度控制在8.5~9.5级,个别情况适当提高或降低0.5级。


(3)冷却

因为Cr8型钢均为自硬性材料,淬硬性、淬透性均可,我公司采用充液氮自冷。一定要控制冷却速度,保证1000~800℃冷却速度≥7℃/s。防止冷却速度太慢有碳化物析出而影响硬度等力学性能。


液氨自冷到600~550℃即可出炉空冷,要利用马氏体相变超塑性的原理,适时校直。


每炉冷却出炉后必须作金相和硬度检验,不光看晶粒度,更重要的是看碳化物溶解程度,淬火马氏体针≤3级,淬火后的硬度一般为60~62HRC。部分5Cr8钢淬火后晶粒度如图2所示。


图2  5Cr8Ni2VSi钢淬火金相(500×)


机械刀片不仅在保护气氛中加热淬火,而且可以感应加热,从2014年起,我们试制成功超音频感应加热淬火,节能高效,质量稳定,受到用户青睐。


3.回火工艺


Cr8型钢淬火后必须及时回火,其目的是淬火获得的脆性马氏体转变成回火马氏体并析出弥散的碳化物,且促使γR分解,同时消除淬火应力,提高刀片的塑性和韧性。


Cr8型钢属高合金工具钢,淬火后需在二次硬化峰左右高温回火(按温度分不太明智,应按回火后的组织分回火类型才科学),也是奥氏体加剧分解的温度,一般在500~550℃。如果回火后硬度偏高,应适当提高回火温度。


Cr8型钢刀片淬火后在回火温度回火,一般保温2.5~3.5h,回火次数两次即可,第一次回火后一定冷到室温才能进行第二次回火。如果第二次回火后不充分必须补充一次回火,部分Cr8型钢回火规范如表2所示。


回火温度同回火时间的关系,也可以用回火参量来表示。高速钢回火参量表达式如下:


P=t(20+logτ)

式中  P——回火参量;

t——回火温度(K);

τ——回火保温时间(s)。


上式表明,尽管回火温度、保温时间有所不同,只要回火参量相同,回火效果就相当。


Cr8型回火也有相似之处,当组织和硬度完全一致时,540℃×5h和550℃×3h、550℃×5h和560℃×3h基本符合温度×时间常数的对数关系。不过,这是一个经验公式,要通过实践。笔者施行的工艺是先高一点温度回火,将硬度要求搞定,再低一点温度回火,使回火透彻,简称“先搞定再搞透”。


表2  Cr8型钢热处理工艺



4.深冷处理或冷处理


古里亚耶夫在1937年就报道过,采用冷处理来改善钢性能的事例。冷处理的目的是使用钢中的γR转变成回火马氏体,组织稳定化。到了20世纪50年代,出现了干冰(-78℃)或更低的温度进行刀具冷处理的报道。70年代后期,由于液氮成本下降,使得工业冷处理温度大幅下降,现在采用液氮为制冷剂可将终冷温度控制在-196℃以上的各个温度区域,而且可以控制升降温速度,相当于从炉冷或空冷的速度直接投入液氮“淬冷”。一般将1~-100℃的处理称为冷处理; -101~-196℃称为深冷处理。不管冷处理或深冷处理,都是为了减少一点γR,提高硬度,稳定组织,最终达到提高工具寿命的目的。


Cr8型钢属于基体钢,与高速钢热处理工艺相似,高速钢深冷处理并不能提高其寿命,搞得不好反而会增加脆性,加速刀具折断,因此全国上千家刀具生产商,还未见哪家在用深冷处理,即使有设备,也是闲置状态。对于剃齿刀、小模数滚刀等刀具应用深冷处理,目的是彻底消除应力、稳定尺寸,因为这类刀具是以内径定心的,希望刀具在使用工程中,内孔不发生尺寸的变化。我公司也有深冷处理设备,以前盲目地跟着时尚走,也搞深冷处理,实践证明,深冷处理对消除应力、稳定尺寸有益,但对提高机械刀片的使用寿命没有明显的效果,有画蛇添足之嫌。用户是上帝,只要用户有要求,必须实施。


机械刀片的深冷处理和冷处理一般是在成品之后,大多采用-120℃×1h的热处理工艺。


5.机械刀片热处理质量检验


质量检验是热处理生产中非常重要的一环,必须把好每个环节,严格控制,踏实践行,并进行详细记录,做到追溯有源。


(1)原材料进厂检验

原材料进厂必须经检验合格方可入库。检验项目包括化学成分、碳化物不均匀度、碳化物颗粒度、脱碳层深度等表面质量。原材料最好从正规渠道采购,并签订供销合同,这样可以免去不必要的质量纠纷。


(2)淬火晶粒度的检验

我们参观日本几家同类工厂,发现对方不检查,欧美一些国家炉前也不检验金相。但在中国,哪家工具厂若在炉前不检验金相,肯定要出质量问题。因为我们缺乏科学管理,没有分炉号淬火,控制水平欠缺,更谈不上按客户用刀工况订货,所以炉前淬火很盲然。我们一定要视产品的具体情况,将晶粒度稳定控制在理想范围内。


(3)碳化物溶解度检验

碳化物对于刀具行业来说是一把双刃剑,一方面是高硬度高、耐磨性的基础,另一方面是过热、过烧的元凶。运用得好,产品质量上去了,应用得不好,质量变坏。Cr8型钢含有较多的碳化物形成元素,我们要充分利用碳化物可变的有利优势,将碳化物溶解恰到好处,既不能溶解过多,更不能溶解太少。热处理无非是在作碳化物的转变工作,炉前金相一定要关注碳化物的溶解情况,晶粒度的大小只能反映淬火温度的高低,碳化物的溶解程度才是问题的本质。


(4)硬度检验

无论是淬火后还是回火后及产品出厂前,均要作硬度检验。对于Cr8型钢要达到60HRC以上的硬度很容易,但要满足不同用户的要求硬度就比较难。对于同种材料制作的同种刀具,往往因为用途不一,就要作硬度调整,比如刀副上的上下刀刃硬度就不能一样高,上刀刃应比下刀刃低1~2HRC比较切合实际。


硬度检查大多用肖氏、HRA或维氏,成品刀更不可用HRC测,因为用后者打硬度肯定会留一个“坑”,这个“坑”往往会诱发裂纹源。


6.结语


以上是我们对Cr8型钢制机械刀片热处理的经验和体会,炉前金相控制在8.5~9级,热处理后硬度为61.5~62.5HRC,视具体产品适当微调,这样产品质量稳定,能得到市场认可,产品远销欧美、日本及东南亚诸国。


随着木材、印刷、汽车等行业技术的进步,对刀片的使用性能要求越来越高,刀片材料及热处理工艺也应与之相适应。到目前为止,Cr8型钢是比较理想的机械刀片材料。什么是核心竞争力?热处理就是机电产品的核心竞争力,搞好热处理就能为企业节能增效。

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