Cr8型鋼機械刀片熱處理工藝

■ 趙步青，胡明，胡會峰，邵麗萍

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機械刀片是木材、造紙、印刷、皮革、膠合板及汽車制造等行業(yè)產(chǎn)品加工必備的切削刀具。刀具的規(guī)格品種繁多，熱處理難度較大。應(yīng)用非常廣泛，用量與日俱增。機械刀片薄刃細長，加工對象主要是非金屬材料。由于服役的特殊性，要求刀片既要有高的硬度、強韌性、耐磨性和一定的熱硬性，又要求高的抗疲勞斷裂和碳化物剝落的能力，尤其是木材加工用的刨切刀和旋切刀要求更高。以下簡介嘉龍公司Cr8型鋼制作刀片的熱處理工藝。

1. Cr8型鋼退火工藝規(guī)范

所謂Cr8型鋼就是wCr=8%的工具鋼，這類型鋼大多用來制造模具，但熱處理得當，也是非常理想的刀具材料，尤其是在機械刀片行業(yè)，可以講是一枝獨秀。常用的Cr8型鋼化學成分如表1所示。

從表1可以看出，大部分鋼中含有W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素，在鋼中形成M3C、M23C6、M7C3、M6C、MC五種類型的碳化物，如果W、Mo含量較高，還可能會形成WC、Mo2C碳化物。

從鋼廠購來的鋼板或鋼帶，一般以退火態(tài)交貨，以便切削加工。如果鋼材進廠再進行鍛軋就要退火處理，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性能。球化退火工藝有多種，一般采用等溫球化退火。

表1所列鋼種常采用的退火工藝為：將鋼加熱到840～860℃，保溫3～4h，爐冷至720～740℃，再保溫3～4h，爐冷至550～600℃，出爐打開保溫箱蓋空冷至室溫，校直。

退火加熱爐為專用的較大型密封箱式爐，裝箱保護，保護刃具鋼不脫碳或微增碳。

退火后應(yīng)檢查硬度和顯微組織，但實際上很多廠不作檢查，出了質(zhì)量問題才從頭找原因。退火后的硬度應(yīng)符合工藝，大多數(shù)為207～255HBW，金相組織按同類鋼材標準驗收。

高合金鋼中的帶狀組織的改善程度由鍛軋工藝所決定，退火溫度偏高時，帶狀稍有改善，但不能從根本上消除，退火工藝卻能改變二次碳化物的分布狀態(tài)；中低合金工具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，不但增加工件氧化脫碳傾向，還會使奧氏體中合金度增高，從而導(dǎo)致奧氏體在珠光體區(qū)域冷卻時的穩(wěn)定性增大，不能充分進行珠光體轉(zhuǎn)變，使退火后的硬度增高，同時還會使有些碳化物穩(wěn)定化，使鋼的熱硬性不降。保溫時間應(yīng)適當，不是越長越好，過長的保溫時間會使碳化物偏聚，造成淬火、回火后硬度下降，影響耐磨性。

如上所述，應(yīng)當重視退火工藝，若忽視退火組織、工藝控制會給熱處理帶來不必要的麻煩。

表1 常用的Cr8型鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖1 部分機械刀片圖樣

2. 淬火工藝

嘉龍公司生產(chǎn)的各種機械刀片，規(guī)格品種比較齊全，最長的4.8m。根據(jù)刀片使用的不同工況，選擇不同的Cr8型材料，加熱爐為自制的全密封的氮氣保護輥底式爐，最高工件溫度1300℃。部分機械刀片如圖1所示。

（1）淬火加熱溫度 淬火加熱溫度通常會給出一個不太寬的溫度區(qū)間，在給出的溫度范圍內(nèi)能保證硬度、金相合格，但不能保證一定是優(yōu)等品、高壽命。要做到后者，熱處理工藝必須個性化。部分Cr8型鋼淬火加熱溫度如表2所示。金相是熱處理最核心的競爭力。我們的刀具和日本、德國、意大利等發(fā)達國家的同類刀具相比，材料不比他們差，硬度也不低，就是金相上存在微妙的差距，從而導(dǎo)致壽命差異較大。

一般地講，工藝上給出的淬火溫度的上限對應(yīng)硬度的上限，它是確定奧氏體晶粒長大的拐點和γR量急劇增加的拐點，要充分利用；下限溫度雖然保險，但絕對是下策，有經(jīng)驗的操作者肯定不會采用。我們都是習慣于采用接近上限溫度淬火，其優(yōu)越性有三：①可以獲得高硬度和高強度，并具備服役條件和高韌性。②改善碳化物的不均勻性，減輕帶狀網(wǎng)狀程度，有利于韌性的提高。③節(jié)能增效，生產(chǎn)率高。

（2）保溫時間 由于裝爐量大，為使刀片奧氏體均勻化、內(nèi)外傳導(dǎo)均勻，一定要保溫，但保溫時間千萬不可過長。2013年3月我們到日本某大公司現(xiàn)場參觀，看到18m長的大爐子裝1.5～1.8t工件，加上支架等夾具，被加熱體總質(zhì)量至少3t，但保溫時間只有27～28mim，產(chǎn)品質(zhì)量上乘。我們學習日本的先進經(jīng)驗，淬火溫度取上限，保溫時間很短，生產(chǎn)效率高，節(jié)能環(huán)保。對于任何鋼件來說，都存在一個淬火參量的問題，例如高速鋼淬火參量的表達式為：

P=t（37+logτ）

式中 P——淬火參量；

t——淬火加熱溫度（K）；

τ——淬火加熱時間（s）。

從上式可以看出，提高加熱溫度比延長時間更有效，根據(jù)實際情況，保溫時間一般為20～30min。Cr8型刃鋼的淬火晶粒度控制在8.5～9.5級，個別情況可適當提高或降低0.5級。

表2 Cr8型鋼熱處理工藝

圖2 5Cr8Ni2VSi鋼淬火金相（500×）

（3）冷卻 因為Cr8型鋼均為自硬性材料，淬硬性、淬透性均可，我公司采用充液氮自冷。一定要控制冷卻速度，保證1000～800℃冷卻速度≥7℃/s。防止冷卻速度太慢有碳化物析出而影響硬度等力學性能。

液氨自冷到600～550℃即可出爐空冷，要利用馬氏體相變超塑性的原理，適時校直。

每爐冷卻出爐后必須作金相和硬度檢驗，不光看晶粒度，更重要的是看碳化物溶解程度，淬火馬氏體針≤3級，淬火后的硬度一般為60～62HRC。部分5Cr8鋼淬火后晶粒度如圖2所示。

機械刀片不僅在保護氣氛中加熱淬火，而且可以感應(yīng)加熱，從2014年起，我們試制成功超音頻感應(yīng)加熱淬火，節(jié)能高效，質(zhì)量穩(wěn)定，受到用戶青睞。

3. 回火工藝

Cr8型鋼淬火后必須及時回火，其目的是淬火獲得的脆性馬氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體并析出彌散的碳化物，且促使γR分解，同時消除淬火應(yīng)力，提高刀片的塑性和韌性。

Cr8型鋼屬高合金工具鋼，淬火后需在二次硬化峰左右高溫回火（按溫度分不太明智，應(yīng)按回火后的組織分回火類型才科學），也是奧氏體加劇分解的溫度，一般在500～550℃。如果回火后硬度偏高，應(yīng)適當提高回火溫度。

Cr8型鋼刀片淬火后在回火溫度回火，一般保溫2.5～3.5h，回火兩次即可，第一次回火后一定冷到室溫才能進行第二次回火。如果第二次回火后不充分必須補充一次回火，部分Cr8型鋼回火規(guī)范如表2所示。

回火溫度同回火時間的關(guān)系，也可以用回火參量來表示。高速鋼回火參量表達式如下：

P=t（20+logτ）式中 P——回火參量；

t——回火溫度（K）；τ——回火保溫時間（s）。

上式表明，盡管回火溫度、保溫時間有所不同，只要回火參量相同，回火效果就相當。

Cr8型回火也有相似之處，當組織和硬度完全一致時，540℃×5h和550℃×3h、550℃×5h和560℃×3h基本符合溫度×時間常數(shù)的對數(shù)關(guān)系。不過，這是一個經(jīng)驗公式，要通過實踐。筆者施行的工藝是先高一點溫度回火，將硬度要求搞定，再低一點溫度回火，使回火透徹，簡稱“先搞定再搞透”。

4. 深冷處理或冷處理

古里亞耶夫在1937年就報道過，采用冷處理來改善鋼性能的事例。冷處理的目的是使用鋼中的γR轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，組織穩(wěn)定化。到了20世紀50年代，出現(xiàn)了干冰（-78℃）或更低的溫度進行刀具冷處理的報道。70年代后期，由于液氮成本下降，使得工業(yè)冷處理溫度大幅下降，現(xiàn)在采用液氮為制冷劑可將終冷溫度控制在-196℃以上的各個溫度區(qū)域，而且可以控制升降溫速度，相當于從爐冷或空冷的速度直接投入液氮“淬冷”。一般將1～-100℃的處理稱為冷處理； -101～-196℃稱為深冷處理。不管冷處理或深冷處理，都是為了減少一點γR，提高硬度，穩(wěn)定組織，最終達到提高工具壽命的目的。

Cr8型鋼屬于基體鋼，與高速鋼熱處理工藝相似，高速鋼深冷處理并不能提高其壽命，搞得不好反而會增加脆性，加速刀具折斷，因此全國上千家刀具生產(chǎn)商，還未見哪家在用深冷處理，即使有設(shè)備，也是閑置狀態(tài)。對于剃齒刀、小模數(shù)滾刀等刀具應(yīng)用深冷處理，目的是徹底消除應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸，因為這類刀具是以內(nèi)徑定心的，希望刀具在使用工程中，內(nèi)孔不發(fā)生尺寸的變化。我公司也有深冷處理設(shè)備，以前盲目地跟著時尚走，也搞深冷處理，實踐證明，深冷處理對消除應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸有益，但對提高機械刀片的使用壽命沒有明顯的效果，有畫蛇添足之嫌。用戶是上帝，只要用戶有要求，必須實施。

機械刀片的深冷處理和冷處理一般是在成品之后，大多采用-120℃×1h的處理工藝。

5. 機械刀片熱處理質(zhì)量檢驗

質(zhì)量檢驗是熱處理生產(chǎn)中非常重要的一環(huán)，必須把好每個環(huán)節(jié)，嚴格控制，踏實踐行，并進行詳細記錄，做到追溯有源。

（1）原材料進廠檢驗 原材料進廠必須經(jīng)檢驗合格方可入庫。檢驗項目包括化學成分、碳化物不均勻度、碳化物顆粒度、脫碳層深度等表面質(zhì)量。原材料應(yīng)從正規(guī)渠道采購，并簽訂供銷合同，這樣可以免去不必要的質(zhì)量糾紛。

（2）淬火晶粒度的檢驗 我們參觀日本幾家同類工廠，發(fā)現(xiàn)對方不檢查，歐美一些國家爐前也不檢驗金相。但在中國，哪家工具廠若在爐前不檢驗金相，肯定要出質(zhì)量問題。因為我們?nèi)狈茖W管理，沒有分爐號淬火，控制水平欠缺，更談不上按客戶用刀工況訂貨，所以爐前淬火很盲然。我們一定要視產(chǎn)品的具體情況，將晶粒度穩(wěn)定控制在理想范圍內(nèi)。

（3）碳化物溶解度檢驗 碳化物對于刀具行業(yè)來說是一把雙刃劍，一方面是高硬度、高耐磨性的基礎(chǔ)，另一方面是過熱、過燒的元兇。運用得好，產(chǎn)品質(zhì)量上去了，應(yīng)用得不好，質(zhì)量變壞。Cr8型鋼含有較多的碳化物形成元素，我們要充分利用碳化物可變的有利優(yōu)勢，將碳化物溶解恰到好處，既不能溶解過多，更不能溶解太少。熱處理無非是在作碳化物的轉(zhuǎn)變工作，爐前金相一定要關(guān)注碳化物的溶解情況，晶粒度的大小只能反映淬火溫度的高低，碳化物的溶解程度才是問題的本質(zhì)。

（4）硬度檢驗 無論是淬火后還是回火后及產(chǎn)品出廠前，均要作硬度檢驗。對于Cr8型鋼要達到60HRC以上的硬度很容易，但要滿足不同用戶的要求硬度就比較難。對于同種材料制作的同種刀具，往往因為用途不一，就要作硬度調(diào)整，比如一副刀上的上下刀刃硬度就不能一樣高，上刀刃應(yīng)比下刀刃低1～2HRC比較切合實際。

硬度檢查大多用肖氏、HRA或維氏，成品刀更不可用HRC測，因為用后者打硬度肯定會留一個“坑”，這個“坑”往往會誘發(fā)裂紋源。

6. 結(jié)語

以上是我們對Cr8型鋼制機械刀片熱處理的經(jīng)驗和體會，爐前晶粒度控制在8.5～9級，熱處理后硬度為61.5～62.5HRC，視具體產(chǎn)品適當微調(diào)，這樣產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，能得到市場認可，產(chǎn)品遠銷歐美、日本及東南亞諸國，嘉龍公司在國內(nèi)同行享有較高的知名度。