机械刀片的热处理

机械刀片是切削木材、造纸、印刷、皮革、胶木板等材料的刀具，其规格品种繁多。由于切削加工的特殊性，要求刀片既要有高的硬度、强韧性、耐磨性和一定的热硬性，又要有高的抗疲劳断裂和抗碳化物剥落的性能，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、机械刀片生产流程

目前机械刀片用材有两种：一是整体为合金钢或高速钢(少数为硬质合金) ； 二是刃部为合金钢或高速钢，刃背(也称刀体) 为碳钢。后者的成形方法有钎焊和高温压轧镶接两种。钎焊也称钎接，是采用熔点比焊件低的焊料(填充金属) 和焊件连接处一同加热，焊料熔化后渗入并填满连接处间隙而达到焊接的目的。高温压轧镶接是将刃钢和碳钢刀体加热到高温，用轧机将刃钢与刀体焊接在一起，属于一种固体焊接方法，其工艺分为热轧焊药镶接、无氧化热轧镶接、无氧化加焊药热轧接三种。两种成形工艺各有特点，但钎焊比镶轧更为先进。钎焊制刀的工艺流程如下：

(1) 刀体碳钢钢板、刀刃钢板下料，并校平校直；

(2) 磨去钢板表面氧化皮，刃钢需4 面磨光；

(3) 刀全钢板焊接部位开槽，刃钢再次校平；

(4) 去除刀槽及刃钢4 周的毛刺；

(5) 清洗刀槽及刃钢表面；

(6) 在刀槽上铺上铜片和刃钢板条并固定；

(7) 装炉，在保护气氛炉中完成焊接、加热、淬火工序；

(8) 检查淬火组织并测硬度；

(9) 出炉后迅速磨去铜渣，趁热校平校直；

(10) 回火；

(11) 第一次回火出炉后立即校平校直；

(12) 检查回火后显微组织、硬度，并作出是否继续回火的决定；

(13) 将合格的刀片转入机械加工工序；

(14) 根据客户要求决定是否深冷处理；

(15) 包装。

2、刃钢材料

20 世纪60 年代，从国外引进的刀片刃钢材料主要为7CrWMoVSi 钢和5Cr8WMo2VSi 钢，上世纪90 年代国外刀片材料不再保密，国内也采用上述两种材料制刀。20 世纪末和21 世纪初，国内外相继开发了不少新的刀片材料，如8Cr2W2MoVSi 钢、6Cr6W3MoV2Si 钢、6Cr8WMo2VSi 钢、5Cr5WMoSiV钢、6Cr8W2Mo4V 钢、Cr8Mo2VSi 钢、MLS 钢、YCK2钢、A8B 钢、HYC3 钢等。新开发和正在应用的刃钢材料均采用含W、Mo、Cr、V 等碳化物形成元素的高碳合金工具钢，也采用高速钢甚至粉末高速钢。

近年来，刃钢材料个性化是制造业的一大进步，有些企业根据产品特点，自行设计钢的成分，与钢厂签订供需协议，其中Cr8 系列最有竞争力，已产生较大的社会和经济效益，是值得关注和推广的刀片新材料。

3、机械刀片的热处理工艺

可以毫不夸张地说，当今热处理新工艺在机械刀片上都得到了成功应用，本文作简单介绍。

3.1、退火

钢厂供给工具厂的钢板均以退火态供货，以便用材单位直接下料和后续淬火处理。如钢板进厂后要经过锻轧加工，就必须进行退火，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。等温球化退火是将钢加热到Ac1以上40 ～60 ℃，保温3 ～ 4 h，然后冷却到720 ～ 740 ℃，再保温3 ～ 4 h，炉冷至550 ～ 600 ℃，打开保温箱盖空冷。

退火加热炉为专用的较大型密封箱式电阻炉，装箱保护，保证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此项检查，出了质量问题才从头找原因。刃钢退火后的硬度应符合工艺技术要求，以利于切削加工。经验丰富的检验人员可根据所测硬度判断球化效果，例如HSS 钢退火后硬度为207 ～241 HBW、CrWMn 钢为207 ～ 227 HBW。高速钢等高合金钢中的原始带状或网状组织的改善程度取于锻轧工艺，热处理改善的效果甚微，退火温度较高时，稍有减轻。但退火却能改变二次碳化物的分布状态，中、低合金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，不但会增大工件的氧化脱碳倾向，而且还会使奥氏体合金度增高，从而导致奥氏体在珠光体区域冷却时稳定性增大，不能充分进行珠光体转变，使退火后的硬度偏高，同时还会使碳化物稳定化，使钢的红硬性下降。退火保温时间应适当，不能随意延长，过长的保温会使碳化物偏聚，造成淬火回火后硬度下降，影响耐磨性。

综上所述，退火工艺也应该重视，忽视退火组织和工艺控制会酿成大祸。

3.2、淬火

机械刀片的淬火方法，根据加热炉型、加热温度、加热方式、加热介质、冷却介质及冷却方法，可细化到几十种。目前行业中采用的设备有密封箱式炉、真空炉、盐浴炉、网带炉等。以下按工序先后介绍。

(1) 预热不论采用何种炉子加热均需预热。工具厂根据实际情况制作必备的工装夹具，制订预热工艺。预热分一段预热、二段预热甚至三段预热。预热温度和时间根据钢种和工件尺寸确定。预热对减少畸变、缩短高温加热时间有益。

(2) 加热温度根据实际效果，笔者主张采用半快速加热，即采用较高的加热温度，这比延长1 倍加热时间有效，其优点：一可以获得高硬度和高强度；二可以减轻碳化物的不均匀度； 三是节能、提高单位生产率。以前，不少企业常采用较低的加热温度以提高刀片韧性，几经挫折，认为还是采用高温加热有益，因为刀刃要求高硬度高强度，应在用足韧性的前提下尽量提高硬度。最终通过提高回火温度来达到硬度要求，而不是通过有意识地降低加热温度来实现。

(3) 加热时间高速钢及高合金钢工具的淬火加热时间以工件的有效厚度乘以加热系数来计算，也有根据生产经验来确定的(不可取) 。用不同炉子加热时，加热时间的计算方法也不同，以高速钢盐浴炉加热为例，在1160 ～ 1230 ℃、1230 ～ 1285 ℃加热的系数分别为10 ～ 12 s /mm、7 ～ 10 s /mm。加热系数只是以单件核算，在大量装炉的情况下，必须根据加热炉的类型、结构、功率、升温速度以及工件的装夹方式、装炉量及预热情况等诸因素确定最终的加热时间。

高速钢淬火加热时，要使合金碳化物较充分地溶解，得到较高的奥氏体化程度，加热的温度和时间都很重要，两者相比，温度是第一位的。两者的综合作用习惯用淬火参量公式来表达：

P = t(37 + Iogτ)

式中：P 为淬火参量； t 为淬火加热温度，K； τ 为淬火加热时间，s。

从该公式可以看出，提高加热温度比延长加热时间有效，在保护气氛密封箱式炉中加热的高速钢刀片，装炉量近2 t，保温时间不足40 min，淬火质量一直较稳定，足以证明上述公式的真实性和实用性。

(4) 淬火介质淬火冷却方式多种多样，高速钢刀片高频加热后空冷。笔者在日本看到：镶钢刀片都采用水冷淬火，由于低碳钢刀体的塑性变形可以减小刃钢马氏体相变的应力，水淬也不会开裂，但要掌握好水冷时间及出水温度； 钎焊刀片在密封箱式炉中加热多采用充液氮冷却； 盐浴炉加热冷却仍采用分级盐浴，但盐浴温度不是我国的580 ～ 620 ℃，而是450 ～ 550 ℃； Cr12MoV 钢及基体钢制刀片淬火冷却常用硝盐浴，浴温200 ℃左右； 真空淬火的机械刀片多采用高压气淬，很少油冷。纵观机械刀片的热处理质量，淬火出的问题最多，诸如在真空炉、密封箱式炉中加热的高速钢刀片，如冷却速度达不到一定值，将有碳化物析出，致使淬火后硬度低而影响耐磨性等。

(5) 校直刀片淬火发生畸变实属难免，关键是如何采用行之有效的手段将之校直。嘉龙公司钎焊刀片淬火后利用相变超塑性原理校直的效果良好。欧美、日本等国圆刀片等温淬火适时校直也收到很好的效果。

3.3、回火

按刀片刃钢材质施以不同的回火工艺。低、中合金钢淬火后一般为180 ～ 220 ℃回火2 次，每次2 ～ 3 h； Cr12MoV 钢常于220 ～ 240 ℃回火； 高速钢和基体钢为500 ～ 580 ℃回火3 次，每次2 ～ 3 h。

3.4、冷处理或深冷处理

在刀片制造业，刀片要不要进行冷处理或深冷处理是个有争议的问题，不少企业都做过试验，觉得收效甚微，特别是回火已很充分的高速钢刀片，经深冷处理后硬度不会增加，反而有损韧性，浪费能源，增加刀片制造成本。对用户有要求的基体钢及中合金钢刀片，可以进行深冷处理，但要掌握好深冷处理的时机及工艺参数。

4、热处理质量检验

质量检验是机械刀片生产制造过程中非常重要的环节，必须严格控制，认真把关。

(1) 原材料钢板进厂检验原材料进厂必须检验合格方可入库。检验项目包括化学成分、脱碳层深度、碳化物均匀度、碳化物颗粒度、试淬硬度、表面质量等。

(2) 淬火奥氏体晶粒度笔者参观日本刀片生产现场时，发现炉前不检查此项目，欧美一些国家也不检验。但在我国就行不通，如果哪家工具厂不进行炉前金相检验，肯定要出质量问题。因为我们的管理缺乏科学性，没有分炉号淬火，更谈不上按刀片使用状况与钢厂签订合同，所以炉前淬火很盲目。我们一定要视具体产品，将晶粒度控制在理想范围内。

(3) 碳化物碳化物对于刀具行业来说是一把双刃箭，一方面它是高硬度高耐磨性高红硬性的基础，另一方面又易引发热处理质量事故。热处理无非是使碳化物转变或转换。高速钢炉前淬火检验一定注重碳化物的溶解情况，晶粒度只能反映加热温度的高低，碳化物溶解程度才具有本质上的意义。

(4) 硬度淬火后、回火后都要检测硬度。高速钢刀片淬火后硬度必须在一个合适的范围内，根据笔者的经验，硬度高说明淬火温度低，硬度低说明淬火温度高。笔者在多篇论文中反复强调“硬度是表面现象，显微组织才是本质”的基本道理，要达到工艺要求的硬度很容易，但要达到理想的显微组织可不是一件易事，我国与国外刀片的差距不是硬度而在于显微组织。

机械刀片硬度检测，我国用洛氏硬度，日本用肖氏硬度，欧美各国则普遍采用维氏硬度。随着木材、印刷等行业的技术进步，对刀片的使用性能会提出更高的要求。科学技术发展永无止境，机械刀片的材料和热处理工艺也将不断更新换代。目前，我国渗氮离子镀复合涂层技术已成功应用于65Mn 钢切纸刀片，激光淬火、气相沉积等热处理新技术正在开发中。什么是核心竞争力? 热处理技术就是机械产品的核心竞争力。搞好热处理，就能一顶几。