硬質合金焊接刀具刀體材料及淬火工藝

    采用刀片刀體一體淬火工藝的淬火工序放在焊接之后，無論采用常規淬火還是亞溫淬火，焊縫附近齒背處的刀體硬度可達40HRC以上，避免淬火后焊接引發局部硬度和強度大幅下降的現象。采用刀片刀體一體淬火工藝，硬質合金焊接機床刀具刀體材料可以使用40Cr，從而可以降低這種數控刀具的制造成本。為避免淬火過程中出現焊縫軟化和焊料流動，淬火溫度也必須控制在900℃以下，Z好不超過950℃（焊后直接淬火除外）。水的冷卻速度過快，會引發硬質合金刀片裂紋和焊縫強度下降，應采用油作為淬火冷卻介質。

      在高速、大切削力的加工條件下，刀體、刀齒截面積較小的硬質合金焊接非標刀具會出現以下問題：新刀具或磨損量在正常范圍內的刀具，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；在刀具正常磨損范圍內，刀具壽命下降。硬質合金焊接刀具的刀體材料主要有45鋼、T10A、9SiCr和W6Mo5Cr4V2。45鋼主要用于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采用綜合性能較好的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。由于刀體不直接參與切削，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Z后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、降低產品成本有現實意義。

      1 硬質合金焊接刀具產生損壞原因

      國內刀具制造廠家目前采用的硬質合金焊接刀具生產工藝流程如圖1所示。

圖1 硬質合金焊接刀具生產工藝流程

      經分析，問題可能出現在高頻焊接硬質合金刀片的環節。采用銅焊料時（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，雖然加熱的溫度低于正火溫度，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，但后者更脆弱。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。

      試驗采用4齒螺旋銑刀，形狀上既接近多數實際應用的桿類刀具，又排除復雜形狀刀具容易出現的偶然因素。刀體材料分別采用9SiCr和40Cr，硬質合金刀片材質為YG8；工藝流程如前所述，刀體分別淬火后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。

      高頻焊接后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于鄰近焊縫的頸部；40Cr刀體比9SiCr刀體下降的幅度更大，與前面的分析基本吻合。

表1 不同材質刀體各部位焊接刀片后硬度對照表

      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。由于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后，硬度和強度下降較少。

      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+焊接后的金相組織主要為馬氏體，且比較均勻；而40Cr刀體經淬火+焊接后的金相組織為鐵素體+珠光體，前者硬度高于后者。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，并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

 圖5 40Cr刀體

      2 工藝改進試驗

      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后，顯然后者比前者更節約成本。

      采用9SiCr作刀體材料并沒有發揮其作為合金刃具鋼的紅硬性和耐磨性。40Cr經熱處理后具有較高的綜合機械性能，比45鋼淬透性好而價格接近，常用于制造承受高負荷、耐沖擊的軸類零件。受焊接過程的影響，原工藝用40Cr作刀體時并沒有充分發揮材料的潛力，因此新工藝方案采用40Cr作刀體材料在理論上是可行的。但是，先焊接后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）的線膨脹系數相差很大，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。焊接后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。由于硬質合金刀片脆性大，承受應力的能力小于鋼，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#釬料相當于Cu-40Zn合金。研究證明，105#釬料在釬焊后緩冷，獲得α+β′組織，提高釬焊后冷速獲得單一β′相，β′相脆性大，將降低釬焊的焊縫強度?？梢?，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。試驗刀具仍然采用結構復雜、在工業生產中使用Z廣的螺旋立銑刀，刀片材質選用鎢鈷類的YG8。由于銀焊料熔點溫度低于鋼的淬火溫度，鎳焊料的熔點溫度又高于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Z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沖擊采用中溫回火外，一般都采用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后直接淬火（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。亞溫淬火和零保溫可以減少加熱時間、降低能耗，焊后直接淬火可避免二次加熱，可用于釬頭、截齒和車刀頭等單齒刀具。

表2 不同熱處理工藝方案

     3 改進試驗效果

      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，后者防止新缺陷的出現，試驗結果見表3。

  表3 經不同熱處理工藝后刀具和焊口性能變化

      從表3可以看出：

      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于機油，亞溫淬火的硬度低于其它兩種淬火溫度，但也達到國家標準關于刀柄的硬度要求40-45HRC，應該可以采用。

      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，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丟失多于Co導致硬度下降，其它淬火溫度因未出現氧化而硬度略升?？傊?，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，或適于采用焊淬一體熱處理的單齒刀具下，淬火溫度可以達到950℃。

      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，由于溫度超過105#銅焊料的熔點，因此出現焊料溶解和刀片相對于刀體的位置移動?？梢?，焊后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，不推薦采用。淬火溫度必須控制在900℃以下，Z好不超過950℃（焊后直接淬火除外）。

      4 小結

      采用刀片刀體一體淬火工藝的淬火工序放在焊接之后，無論采用常規淬火還是亞溫淬火，焊縫附近齒背處的刀體硬度可達40HRC以上，避免淬火后焊接引發局部硬度和強度大幅下降的現象。

      采用刀片刀體一體淬火工藝，硬質合金焊接刀具刀體材料可以使用40Cr，從而可以降低這種刀具的制造成本。為避免淬火過程中出現焊縫軟化和焊料流動，淬火溫度也必須控制在900℃以下，Z好不超過950℃（焊后直接淬火除外）。水的冷卻速度過快，會引發硬質合金刀片裂紋和焊縫強度下降，應采用油作為淬火冷卻介質。