同一種鋼制作不同的刀片，熱處理工藝應該個性化
機械刀片是木材、造紙、印刷、皮革、膠合板及汽車制造等行業產品加工必備的切削刀具。刀具的規格品種繁多，熱處理難度較大。應用非常廣泛，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，可以講是一枝獨秀。常用的Cr8型鋼化學成分如表1所示。
表1 常用的Cr8型鋼化學成分（質量分數） （%）
注：表中有些成分為失效刀片光譜分析實測數據。
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，保護刃鋼不脫碳或微增碳。
退火后應檢查硬度和顯微組織，但實際上很多廠不作檢查，出了質量問題才從頭找原因。退火后的硬度應符合工藝，大多數為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；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，從而導致奧氏體在珠光體區域冷卻時的穩定性增大，不能充分進行珠光體轉變，使退火后的硬度增高，同時還會使有些碳化物穩定化，使鋼的熱硬性不降。保溫時間應適當，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。
2.淬火工藝
嘉龍公司生產的各種機械刀片，規格品種比較齊全，最長的4.8m。根據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間，在給出的溫度范圍內能保證硬度、金相合格，但不能保證一定是優等品、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，有經驗的操作者肯定不會采用。我們都是習慣于接近上限溫度淬火，其優越性有三條：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，減輕帶狀網狀程度，有利于韌性的提高。③節能增效，生產率高。
（2）保溫時間
由于裝爐量大，為使刀片奧氏體均勻化、內外傳導均勻，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，被加熱體總質量至少3t，但保溫時間只有27~28mim，產品質量上乘。我們學習日本的先進經驗，淬火溫度取上限，保溫時間很短，生產效率高，節能環保。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，個別情況適當提高或降低0.5級。
（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。
圖2 5Cr8Ni2VSi鋼淬火金相（500×）
機械刀片不僅在保護氣氛中加熱淬火，而且可以感應加熱，從2014年起，我們試制成功超音頻感應加熱淬火，節能高效，質量穩定，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，回火次數兩次即可，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型鋼回火規范如表2所示。
回火溫度同回火時間的關系，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×時間常數的對數關系。不過，這是一個經驗公式，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”。
表2 Cr8型鋼熱處理工藝
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轉變成回火馬氏體，組織穩定化。到了20世紀50年代，出現了干冰（-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，使得工業冷處理溫度大幅下降，現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商，還未見哪家在用深冷處理，即使有設備，也是閑置狀態。對于剃齒刀、小模數滾刀等刀具應用深冷處理，目的是徹底消除應力、穩定尺寸，因為這類刀具是以內徑定心的，希望刀具在使用工程中，內孔不發生尺寸的變化。我公司也有深冷處理設備，以前盲目地跟著時尚走，也搞深冷處理，實踐證明，深冷處理對消除應力、穩定尺寸有益，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的熱處理工藝。
5.機械刀片熱處理質量檢驗
質量檢驗是熱處理生產中非常重要的一環，必須把好每個環節，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量。原材料最好從正規渠道采購，并簽訂供銷合同，這樣可以免去不必要的質量糾紛。
（2）淬火晶粒度的檢驗
我們參觀日本幾家同類工廠，發現對方不檢查，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，肯定要出質量問題。因為我們缺乏科學管理，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。我們一定要視產品的具體情況，將晶粒度穩定控制在理想范圍內。
（3）碳化物溶解度檢驗
碳化物對于刀具行業來說是一把雙刃劍，一方面是高硬度高、耐磨性的基礎，另一方面是過熱、過燒的元兇。運用得好，產品質量上去了，應用得不好，質量變壞。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變工作，爐前金相一定要關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。
（4）硬度檢驗
無論是淬火后還是回火后及產品出廠前，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，就要作硬度調整，比如刀副上的上下刀刃硬度就不能一樣高，上刀刃應比下刀刃低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”往往會誘發裂紋源。
6.結語
以上是我們對Cr8型鋼制機械刀片熱處理的經驗和體會，爐前金相控制在8.5~9級，熱處理后硬度為61.5~62.5HRC，視具體產品適當微調，這樣產品質量穩定，能得到市場認可，產品遠銷歐美、日本及東南亞諸國，嘉龍公司在國內同行享有較高的知名度。2016年我公司獲安徽省高新技術企業美譽，2023年通過ISO 9001:2008質量管理體系認證，“嘉龍”牌紡織工業涂布刀獲2023年安徽省馬鞍山市知名品牌稱號，其他的機械刀片也在申報品牌中。
隨著木材、印刷、汽車等行業技術的進步，對刀片的使用性能要求越來越高，刀片材料及熱處理工藝也應與之相適應。到目前為止，Cr8型鋼是比較理想的機械刀片材料。什么是核心競爭力？熱處理就是機電產品的核心競爭力，搞好熱處理就能為企業節能增效。
作者：趙步青、胡明、胡會峰、邵麗萍
單位：安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司
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