硬質合金焊接刀具刀體材料及淬火工藝

最新 09-03

全世界每年硬質合金刀具的消耗約佔全部刀具消耗的55%以上，其中硬質合金焊接刀具因突出的性價比優勢和良好的成形工藝得到了廣泛的應用，尤其在中等直徑規格範圍和異形尺寸成形加工領域佔有重要的地位。由於可轉位刀具應用在國內尚未普及，焊接刀具在硬質合金刀具總消耗量的佔比較高。與其它刀具相比，硬質合金焊接刀具在工業實際應用中存在使用性能不穩定的缺陷以及進一步降低成本的競爭壓力。

在高速、大切削力的加工條件下，刀體、刀齒截面積較小的焊接刀具會出現以下問題：新刀具或磨損量在正常範圍內的刀具，焊口附近的刀體或刀齒折斷；刀體或刀齒產生扭曲變形，使刀具精度下降，導致被加工零件報廢；在刀具正常磨損範圍內，刀具壽命下降；降低成本的壓力主要來自國內硬質合金刀具產量增加而引起的價格下降。

硬質合金焊接刀具的刀體材料主要有45鋼、T10A、9SiCr和W6Mo5Cr4V2。45鋼主要用於結構強度比較好的車削類刀具，結構強度較差的銑刀和孔加工刀具的刀體主要採用綜合性能較好的9SiCr。T10、9SiCr和W6Mo5Cr4V2分別是碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼，價格高出45鋼1倍以上，9SiCr的價格大約是45鋼的3倍。由於刀體不直接參与切削，理論上性能要求較低，有的廠家曾用40Cr代替9SiCr，以降低成本，但最後因嚴重的刀體斷裂而不得不放棄。因此，改進焊接工藝、提高刀具性能穩定性、降低產品成本對於硬質合金焊接刀具廠家及用戶具有較大的現實意義。

2 問題原因分析

國內刀具製造廠家目前採用的硬質合金焊接刀具生產工藝流程如圖1所示。經分析，問題可能出現在高頻焊接硬質合金刀片的環節。採用銅焊料時(普遍使用)，高頻焊接的焊接溫度通常在900℃-1000℃之間，淬硬的刀體在焊接過程中被二次加熱，溫度已經達到鋼的正火溫度，因此焊縫附近的刀體(見圖2)或整個頭部刀體(見圖3)被正火，導致該部分刀體的硬度和強度大幅下降。同時，受熱傳導的影響，靠近焊縫或頭部的刀體部分也會被加熱，雖然加熱的溫度低於正火溫度，但足以引起該部分刀體的中、高溫回火，使該部分刀體的硬度和強度下降。這一點可以從刀具損壞的形式得到驗證，焊接刀具的損壞經常發生在焊縫附近的齒部或頭部。

圖1 硬質合金焊接刀具生產工藝流程

圖2 焊縫附近刀體

圖3 頭部刀體

在焊接過程中，9SiCr刀體和40Cr刀體同樣都被正火和回火，但後者更脆弱。原因應該是40Cr刀體的硬度和強度降得更低，這種分析需要通過試驗來驗證。

試驗採用4齒螺旋銑刀，形狀上既接近多數實際應用的桿類刀具，又排除複雜形狀刀具容易出現的偶然因素。刀體材料分別採用9SiCr和40Cr，硬質合金刀片材質為YG8；工藝流程如前所述，刀體分別淬火後再焊接硬質合金刀片，9SiCr刀體的淬火硬度為52-54HRC，40Cr刀體的淬火硬度為59-61HRC。

高頻焊接後用洛氏硬度計分別檢測兩種材質刀體相同部位的硬度(見表1)，結果顯示：兩種材質刀體的硬度都出現了明顯下降；焊縫附近齒背(距焊縫1-2mm)的硬度下降幅度明顯大於鄰近焊縫的頸部；40Cr刀體比9SiCr刀體下降的幅度更大，與前面的分析基本吻合。

9SiCr中Cr元素的主要作用是提高淬透性；Si元素能提高材料的淬透性和淬硬性，還可細化碳化物和改善碳化物的分布，從而提高材料的耐磨性、回火穩定性和塑性變形抗力。另外，Si是強化鐵素體元素，能提高鋼的硬度和強度。由於9SiCr本身能夠達到比40Cr高的淬火硬度，又有較高的回火穩定性，所以在被正火和回火後，硬度和強度下降較少。

表1 不同材質刀體各部位焊接刀片後硬度對照表

金相化驗可以進一步驗證上述分析。用線切割沿垂直焊縫方向切開試驗銑刀頭部，在掃描電子顯微鏡下觀察焊縫附近齒背剖面的金相組織。圖4和圖5分別是兩種材質刀體焊縫附近的齒背剖面金相組織照片。從金相組織可以看出：9SiCr刀體經淬火+焊接後的金相組織主要為馬氏體，且比較均勻；而40Cr刀體經淬火+焊接後的金相組織為鐵素體+珠光體，前者硬度高於後者。由此可知，硬質合金焊接刀具折斷失效的主要原因是焊縫附近及其鄰近部位的刀體被正火或回火，並引起其硬度和強度下降所致；40Cr刀體比9SiCr刀體的硬度、強度降得更低，折斷比例更高。

圖4 9SiCr刀體(1200×)

圖5 40Cr刀體(600×)

3 淬火工藝改進試驗及效果評價

3.1 工藝改進試驗方案

如上所述，高頻焊接的二次加熱既是影響硬質合金焊接刀具使用性能的主要原因，也是實現40Cr材質刀體代替9SiCr材質刀體的主要障礙。要避免工序缺陷，只能對刀體再淬火，或將淬火工序放在焊接之後，顯然後者比前者更節約成本。

採用9SiCr作刀體材料並沒有發揮其作為合金刃具鋼的紅硬性和耐磨性。40Cr經熱處理後具有較高的綜合機械性能，比45鋼淬透性好而價格接近，常用於製造承受高負荷、耐衝擊的軸類零件。受焊接過程的影響，原工藝用40Cr作刀體時並沒有充分發揮材料的潛力，因此新工藝方案採用40Cr作刀體材料在理論上是可行的。但是，先焊接後淬火的方法也可能在提高刀體強度的同時引起其它缺陷，如淬火的加熱和冷卻過程導致焊縫強度和刀片硬度的下降以及刀片裂紋和脫落等。

在相同溫度下，硬質合金(刀片)與鋼(刀桿)的線膨脹係數相差很大，比鋼低1/3-1/2，同時硬質合金的導熱性也比鋼差，因此在淬火加熱和冷卻的過程中，這兩種材料的熱脹冷縮程度相當懸殊。焊接後刀片和刀體凝固成一體，這時刀片和刀體之間的自由收縮受到限制，刀片和刀體都會受到拉、壓應力作用。由於硬質合金刀片脆性大，承受應力的能力小於鋼，刀片出現崩裂，所以影響裂紋的主要因素是淬火溫度、加熱速度和冷卻速度。

105#釺料相當於Cu-40Zn合金。研究證明，105#釺料在釺焊後緩冷，獲得α+β′組織，提高釺焊後冷速獲得單一β′相，β′相脆性大，將降低釺焊的焊縫強度[1]。可見，刀片裂紋和焊縫強度都與冷卻速度有關，而淬火冷卻速度主要由淬火介質決定。

新工藝方案必須通過試驗驗證才能在生產現場推廣。試驗刀具仍然採用結構複雜、在工業生產中使用最廣的螺旋立銑刀，刀片材質選用鎢鈷類的YG8。由於銀焊料熔點溫度低於鋼的淬火溫度，鎳焊料的熔點溫度又高於硬質合金的氧化發生溫度，銅焊料價格也較便宜，因此選用105#銅焊料。

表2是不同的熱處理工藝方案。選擇具體淬火工藝方法主要考慮淬火溫度、保溫時間、淬火介質和回火溫度。其中，不同的回火溫度對應不同的最終硬度和其它機械性能，根據需要選擇。除礦山機械刀具需要耐衝擊採用中溫回火外，一般都採用200℃左右的低溫回火。淬火介質分別選擇常用的機油和鹽水，淬火溫度選860℃、790℃和950℃三檔分別對應常規淬火、亞溫淬火和零保溫淬火或焊後直接淬火(105#銅焊料的熔點是909℃，焊接溫度950℃左右)。常規淬火和亞溫淬火保溫時間為30分鐘，零保溫或焊淬同步不需要保溫[2-4]。亞溫淬火和零保溫可以減少加熱時間、降低能耗，焊後直接淬火可避免二次加熱，可用於釺頭、截齒和車刀頭等單齒刀具。

表2 不同熱處理工藝方案

3.2 工藝改進試驗效果評價

試驗評價主要考察刀體淬火硬度和缺陷情況兩個方面，前者評價是否解決現有問題，後者防止新缺陷的出現，試驗結果見表3。從表3可以看出：

(1)40Cr刀體硬度都達到40HRC以上，其中鹽水冷卻介質淬火的硬度略高於機油，亞溫淬火的硬度低於其它兩種淬火溫度，但也達到國家標準關於刀柄的硬度要求40- 45HRC，應該可以採用。

(2)硬質合金的硬度變化不大，在0.6HRA之內，在950℃的較高淬火溫度時硬度下降，而在另兩種較低的淬火溫度時硬度增加。有關學者研究證明，硬質合金經熱處理硬度可以提高3%-9%左右[5]，但同時硬質合金在950℃時已開始出現氧化，表層的WC和Co發生氧化反應生成氧化物，其中WC丟失多於Co導致硬度下降[6]，其它淬火溫度因未出現氧化而硬度略升。總之，淬火溫度盡量控制在950℃之下，對硬度要求不嚴苛的使用場合，或適於採用焊淬一體熱處理的單齒刀具下，淬火溫度可以達到950℃。

(3)焊縫強度與刀片裂紋。淬火介質為鹽水時，不論哪種淬火溫度均會出現刀片裂紋和刃磨脫落，原因應該是鹽水的冷卻速度過快。當淬火溫度達到950℃時，由於溫度超過105#銅焊料的熔點，因此出現焊料溶解和刀片相對於刀體的位置移動。可見，焊後淬火工藝的淬火介質不能選用水，而45#鋼在油淬時的淬透性差，不推薦採用。淬火溫度必須控制在900℃以下，最好不超過950℃(焊後直接淬火除外)。

表3 經不同熱處理工藝後刀具和焊口性能變化情況