硬质合金焊接刀具刀体材料及淬火工艺
2017/09/05 点击量：
全世界每年硬质合金刀具的消耗约占全部刀具消耗的55%以上，其中硬质合金焊接刀具因突出的性价比优势和良好的成形工艺得到了广泛的应用，尤其在中等直径规格范围和异形尺寸成形加工领域占有重要的地位。由于可转位刀具应用在国内尚未普及，焊接刀具在硬质合金刀具总消耗量的占比较高。与其它刀具相比，硬质合金焊接刀具在工业实际应用中存在使用性能不稳定的缺陷以及进一步降低成本的竞争压力。
在高速、大切削力的加工条件下，刀体、刀齿截面积较小的焊接刀具会出现以下问题：新刀具或磨损量在正常范围内的刀具，焊口附近的刀体或刀齿折断；刀体或刀齿产生扭曲变形，使刀具精度下降，导致被加工零件报废；在刀具正常磨损范围内，刀具寿命下降；降低成本的压力主要来自国内硬质合金刀具产量增加而引起的价格下降。
硬质合金焊接刀具的刀体材料主要有45钢、T10A、9SiCr和W6Mo5Cr4V2。45钢主要用于结构强度比较好的车削类刀具，结构强度较差的铣刀和孔加工刀具的刀体主要采用综合性能较好的9SiCr。T10、9SiCr和W6Mo5Cr4V2分别是碳素工具钢、合金工具钢和高速钢，价格高出45钢1倍以上，9SiCr的价格大约是45钢的3倍。由于刀体不直接参与切削，理论上性能要求较低，有的厂家曾用40Cr代替9SiCr，以降低成本，但最后因严重的刀体断裂而不得不放弃。因此，改进焊接工艺、提高刀具性能稳定性、降低产品成本对于硬质合金焊接刀具厂家及用户具有较大的现实意义。
2 问题原因分析
国内刀具制造厂家目前采用的硬质合金焊接刀具生产工艺流程如图1所示。经分析，问题可能出现在高频焊接硬质合金刀片的环节。采用铜焊料时(普遍使用)，高频焊接的焊接温度通常在900℃-1000℃之间，淬硬的刀体在焊接过程中被二次加热，温度已经达到钢的正火温度，因此焊缝附近的刀体(见图2)或整个头部刀体(见图3)被正火，导致该部分刀体的硬度和强度大幅下降。同时，受热传导的影响，靠近焊缝或头部的刀体部分也会被加热，虽然加热的温度低于正火温度，但足以引起该部分刀体的中、高温回火，使该部分刀体的硬度和强度下降。这一点可以从刀具损坏的形式得到验证，焊接刀具的损坏经常发生在焊缝附近的齿部或头部。
在焊接过程中，9SiCr刀体和40Cr刀体同样都被正火和回火，但后者更脆弱。原因应该是40Cr刀体的硬度和强度降得更低，这种分析需要通过试验来验证。
试验采用4齿螺旋铣刀，形状上既接近多数实际应用的杆类刀具，又排除复杂形状刀具容易出现的偶然因素。刀体材料分别采用9SiCr和40Cr，硬质合金刀片材质为YG8；工艺流程如前所述，刀体分别淬火后再焊接硬质合金刀片，9SiCr刀体的淬火硬度为52-54HRC，40Cr刀体的淬火硬度为59-61HRC。
高频焊接后用洛氏硬度计分别检测两种材质刀体相同部位的硬度(见表1)，结果显示：两种材质刀体的硬度都出现了明显下降；焊缝附近齿背(距焊缝1-2mm)的硬度下降幅度明显大于邻近焊缝的颈部；40Cr刀体比9SiCr刀体下降的幅度更大，与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，还可细化碳化物和改善碳化物的分布，从而提高材料的耐磨性、回火稳定性和塑性变形抗力。另外，Si是强化铁素体元素，能提高钢的硬度和强度。由于9SiCr本身能够达到比40Cr高的淬火硬度，又有较高的回火稳定性，所以在被正火和回火后，硬度和强度下降较少。
金相化验可以进一步验证上述分析。用线切割沿垂直焊缝方向切开试验铣刀头部，在扫描电子显微镜下观察焊缝附近齿背剖面的金相组织。图4和图5分别是两种材质刀体焊缝附近的齿背剖面金相组织照片。从金相组织可以看出：9SiCr刀体经淬火+焊接后的金相组织主要为马氏体，且比较均匀；而40Cr刀体经淬火+焊接后的金相组织为铁素体+珠光体，前者硬度高于后者。由此可知，硬质合金焊接刀具折断失效的主要原因是焊缝附近及其邻近部位的刀体被正火或回火，并引起其硬度和强度下降所致；40Cr刀体比9SiCr刀体的硬度、强度降得更低，折断比例更高。
3 淬火工艺改进试验及效果评价
3.1 工艺改进试验方案
如上所述，高频焊接的二次加热既是影响硬质合金焊接刀具使用性能的主要原因，也是实现40Cr材质刀体代替9SiCr材质刀体的主要障碍。要避免工序缺陷，只能对刀体再淬火，或将淬火工序放在焊接之后，显然后者比前者更节约成本。
采用9SiCr作刀体材料并没有发挥其作为合金刃具钢的红硬性和耐磨性。40Cr经热处理后具有较高的综合机械性能，比45钢淬透性好而价格接近，常用于制造承受高负荷、耐冲击的轴类零件。受焊接过程的影响，原工艺用40Cr作刀体时并没有充分发挥材料的潜力，因此新工艺方案采用40Cr作刀体材料在理论上是可行的。但是，先焊接后淬火的方法也可能在提高刀体强度的同时引起其它缺陷，如淬火的加热和冷却过程导致焊缝强度和刀片硬度的下降以及刀片裂纹和脱落等。
在相同温度下，硬质合金(刀片)与钢(刀杆)的线膨胀系数相差很大，比钢低1/3-1/2，同时硬质合金的导热性也比钢差，因此在淬火加热和冷却的过程中，这两种材料的热胀冷缩程度相当悬殊。焊接后刀片和刀体凝固成一体，这时刀片和刀体之间的自由收缩受到限制，刀片和刀体都会受到拉、压应力作用。由于硬质合金刀片脆性大，承受应力的能力小于钢，刀片出现崩裂，所以影响裂纹的主要因素是淬火温度、加热速度和冷却速度。
105#钎料相当于Cu-40Zn合金。研究证明，105#钎料在钎焊后缓冷，获得α+β′组织，提高钎焊后冷速获得单一β′相，β′相脆性大，将降低钎焊的焊缝强度[1]。可见，刀片裂纹和焊缝强度都与冷却速度有关，而淬火冷却速度主要由淬火介质决定。
新工艺方案必须通过试验验证才能在生产现场推广。试验刀具仍然采用结构复杂、在工业生产中使用最广的螺旋立铣刀，刀片材质选用钨钴类的YG8。由于银焊料熔点温度低于钢的淬火温度，镍焊料的熔点温度又高于硬质合金的氧化发生温度，铜焊料价格也较便宜，因此选用105#铜焊料。
表2是不同的热处理工艺方案。选择具体淬火工艺方法主要考虑淬火温度、保温时间、淬火介质和回火温度。其中，不同的回火温度对应不同的最终硬度和其它机械性能，根据需要选择。除矿山机械刀具需要耐冲击采用中温回火外，一般都采用200℃左右的低温回火。淬火介质分别选择常用的机油和盐水，淬火温度选860℃、790℃和950℃三档分别对应常规淬火、亚温淬火和零保温淬火或焊后直接淬火(105#铜焊料的熔点是909℃，焊接温度950℃左右)。常规淬火和亚温淬火保温时间为30分钟，零保温或焊淬同步不需要保温[2-4]。亚温淬火和零保温可以减少加热时间、降低能耗，焊后直接淬火可避免二次加热，可用于钎头、截齿和车刀头等单齿刀具。
表2 不同热处理工艺方案
3.2 工艺改进试验效果评价
试验评价主要考察刀体淬火硬度和缺陷情况两个方面，前者评价是否解决现有问题，后者防止新缺陷的出现，试验结果见表3。从表3可以看出：
(1)40Cr刀体硬度都达到40HRC以上，其中盐水冷却介质淬火的硬度略高于机油，亚温淬火的硬度低于其它两种淬火温度，但也达到国家标准关于刀柄的硬度要求40- 45HRC，应该可以采用。
(2)硬质合金的硬度变化不大，在0.6HRA之内，在950℃的较高淬火温度时硬度下降，而在另两种较低的淬火温度时硬度增加。有关学者研究证明，硬质合金经热处理硬度可以提高3%-9%左右[5]，但同时硬质合金在950℃时已开始出现氧化，表层的WC和Co发生氧化反应生成氧化物，其中WC丢失多于Co导致硬度下降[6]，其它淬火温度因未出现氧化而硬度略升。总之，淬火温度尽量控制在950℃之下，对硬度要求不严苛的使用场合，或适于采用焊淬一体热处理的单齿刀具下，淬火温度可以达到950℃。
(3)焊缝强度与刀片裂纹。淬火介质为盐水时，不论哪种淬火温度均会出现刀片裂纹和刃磨脱落，原因应该是盐水的冷却速度过快。当淬火温度达到950℃时，由于温度超过105#铜焊料的熔点，因此出现焊料溶解和刀片相对于刀体的位置移动。可见，焊后淬火工艺的淬火介质不能选用水，而45#钢在油淬时的淬透性差，不推荐采用。淬火温度必须控制在900℃以下，最好不超过950℃(焊后直接淬火除外)。
