机械刀片热处理工艺简介：嘉龙公司 Cr8 型钢制作刀片的退火工艺规范

机械刀片是木材、造纸、印刷、皮革、胶合板和汽车制造等行业产品加工的重要切割工具。刀具规格品种多，热处理难度大。它被广泛使用，剂量与日俱增。机械刀片边缘细长，加工对象主要是非金属材料。由于使用的特殊性，要求刀片既要具有高硬度、韧性、耐磨性和一定的热硬性，又要具有较高的抗疲劳断裂和抗碳化物剥落能力，特别是木材加工的刨床和旋转刀要求更高。下面简单介绍一下佳隆公司Cr8钢刀片的热处理工艺。

1、Cr8型钢退火工艺规范

所谓Cr8钢就是wCr=8%的工具钢，这种钢多用于制作模具，但经过适当的热处理，它也是一种非常理想的工具材料，尤其是在机械刀片行业，可以说是独一无二的。Cr8型钢常用的化学成分如表1所示。

表 1 常用 Cr8 钢的化学成分（质量分数）（%）

注： 表中的一些组件是来自故障叶片光谱分析的测量数据。

从表 1 中可以看出，钢中大部分含有 W、Mo、Cr、V 等形成碳化物的元素，钢中形成 M3C、M23C6、M7C3、M6C 和 MC 五种类型的碳化物，如果 W 和 Mo 含量高，也可能形成 WC 和 Mo2C 碳化物。

从钢厂购买的钢板或钢带通常以退火状态交付以进行机械加工。如果钢进厂再锻造，应进行退火，以获得理想的球化组织，以便在调质后获得更好的综合力学性能。球化退火工艺很多，通常采用等温球化退火。

表 1 所列钢种常用的退火工艺为：将钢加热至 840~860 °C，保温 3~4h，冷却至 720~740 °C，保温 3~4h，冷却至 550~600 °C，打开培养箱盖，冷却至室温， 并拉直它。

退火炉是一种特殊的大型密闭室炉，其填料是为了保护刀片钢不脱碳或微渗碳。

退火后，应检查硬度和显微组织，但实际上，许多工厂不做检查，只有在出现质量问题时才从头开始寻找原因。退火后的硬度应与工艺相符，多数为207~255HBW，金相组织按同类钢的标准接受。

当退火温度高时，带钢略有改善，但不能从根本上消除，但退火过程可以改变再生碳化物的分布状态。除了低合金和中合金工具钢中极少量的大碳化物外，退火过程可以控制。如果退火温度过高，不仅会增加工件的氧化脱碳倾向，还会增加奥氏体中的合金化程度，从而导致奥氏体在珠光体区域冷却时稳定性增加，珠光体转变不能完全进行， 这样退火后的硬度就会增加，同时也会稳定一些碳化物，从而使钢的热硬度不会降低。保温时间要适当，不能越长越好，保温时间过长会使硬质合金偏析，导致淬火回火后硬度降低，影响耐磨性。

如前所述，应注意退火过程，如果忽视退火结构和过程控制，则会给热处理带来不必要的麻烦。

2. 淬火工艺

佳隆公司生产的各种机械叶片规格品种齐全，最长的为4.8m。根据叶片工况的不同，选择不同的Cr8材料，加热炉为自制全密封氮气保护辊底炉，最高工件温度为1300°C。 一些机械叶片如图 1 所示。

（1） 淬火加热温度

淬火加热温度通常给出一个不太宽的温度范围，在给定的温度范围内可以保证硬度和金相鉴定，但不能保证是优良的产品和高寿命。为了实现后者，热处理过程必须个性化。一些 Cr8 钢的淬火加热温度如表 2 所示。金相是热处理的核心竞争力。与日本、德国、意大利等发达国家的同类工具相比，我们的工具并不逊色于他们，硬度也不低，但在金相学上存在细微的差距，导致寿命有很大的差异。

一般来说，过程中给出的淬火温度上限对应于硬度上限，即确定奥氏体晶粒生长的拐点和γR量急剧增加的拐点，应充分利用;虽然下限温度是安全的，但绝对是最好的策略，有经验的操作人员绝对不会用。我们都习惯于接近温度上限的淬火，它的优点有三个：（1）可以获得高硬度和高强度，并具有使用条件和高韧性。（2） 改善碳化物的不均匀性，降低带状网络的程度，有利于韧性的提高。（3） 节能、高效、高生产率。

（2） 保温时间

由于炉装量大，为了使叶片的奥氏体均质化并使其内外均匀传导，必须保持温暖，但保温时间不能太长。2013年3月，我们走访了日本的一家大公司，看到18m长的大炉上装载着1.5~1.8t的工件，加上支架等夹具，加热体的总质量至少为3t，但保温时间只有27~28mim，产品质量极佳。我们借鉴日本的先进经验，淬火温度取上限，保温时间很短，生产效率高，节能环保。对于任何钢件，都存在淬火参数的问题，例如，高速钢的淬火参数表达式为：

P=t（37+logτ）

其中 P - 淬灭参数;

t - 淬火加热温度 （K）;

τ - 淬火加热时间 （s）。

从以上公式中可以看出，提高加热温度比延长时间更有效，根据实际情况，保温时间一般为20~30min。Cr8 刀片钢的淬火晶粒尺寸控制在 8.5~9.5 级，个别情况下适当增加或减少 0.5 级。

（3） 冷却

因为Cr8钢是自硬化材料，淬透性和淬透性都是可以接受的，我公司采用液氮自冷却。请务必控制降温速度，确保 1000~800°C 的降温速度为 ≥7°C/s。防止冷却速度过慢，碳化物析出会影响硬度等机械性能。

液氨可冷却至600~550°C，可风冷，应采用马氏体相变超塑性原理及时将其拉直。

每炉冷却出炉后，必须进行金相和硬度测试，不仅要看晶粒尺寸，更重要的是要看碳化物溶解程度，淬火马氏体针≤3级，淬火后的硬度一般为60~62HRC。一些 5Cr8 钢淬火后的晶粒尺寸如图 2 所示。

图 2. 5Cr8Ni2VSi 钢淬火金相 （500 ×）。

机械刀片不仅在保护气氛中加热淬火，还可以感应加热，自2014年以来，我们成功试制了超声波感应加热淬火，节能高效，质量稳定，深受用户青睐。

3. 回火工艺

Cr8钢淬火后必须及时回火，其目的是将淬火得到的脆性马氏体转化为回火马氏体并析出扩散碳化物，促进γR的分解，同时消除淬火应力，提高刀片的塑性和韧性。

Cr8钢是一种高合金工具钢，淬火后需要在二次硬化峰附近进行高温回火（按温度划分不明智，回火型应根据回火组织分为回火型），也是奥氏体加重分解的温度， 一般在500~550°C。 如果回火后硬度高，应适当提高回火温度。

Cr8钢刀片淬火后，在回火温度下回火，一般保温2.5~3.5h，回火次数可做两次，第一次回火至室温后才能进行第二次回火。如果第二次回火不够，则必须辅以一次回火，部分Cr8截面的回火规格见表2。

这

回火温度和回火时间之间的关系也可以用回火参数来表示。高速钢回火参数的表达式如下：

P=t（20+logτ）

其中 P 是回火参数;

t——回火温度 （K）;

τ - 回火保持时间 （s）。

以上方程式表明，虽然回火温度和保温时间不同，但只要回火参数相同，回火效果就相当。

Cr8回火也有相似之处，当组织和硬度完全一致时，540 °C×5h和550 °C×3h，550 °C×5h和560 °C×3h基本符合温度×时间常数的对数关系。然而，这是一个需要实践的经验公式。笔者实施的工艺是先在较高温度下回火，达到硬度要求，然后在较低温度下回火，使回火彻底，简称“先搞得好，后彻底”。

表 2 Cr8 钢的热处理工艺

4. 低温处理或冷处理

1937 年，Gulyaev 报道了使用冷处理来改善钢的性能。冷处理的目的是利用钢中的 γR 将组织稳定成回火马氏体。到 20 世纪 50 年代，有报道称干冰 （-78°C） 或低温用于刀具的冷处理。70年代后期，由于液氮成本的下降，工业冷处理的温度大幅下降，现在以液氮为制冷剂可以控制-196°C以上各个温度区域的终冷温度，温度升降速度可以控制，相当于从炉膛冷却的速度直接将液氮放入液氮中“淬冷”或风冷。一般1~-100°C的处理称为冷处理;-101~-196°C 称为低温处理。无论是冷处理还是低温处理，都是为了减少一点 γR，提高硬度，稳定组织，最终达到提高工具寿命的目的。

Cr8钢属于基体钢，类似于高速钢的热处理过程，高速钢的低温处理不能提高其寿命，反而会增加脆性，加速刀具破损，所以国内成千上万的工具制造商，还没有看到哪个是采用低温处理的，即使有设备，也是闲置的。对于剃须刀、小模数滚刀等刀具，目的是为了完全消除应力，稳定尺寸，因为这种工具以内径为中心，希望内孔在使用工具过程中不会改变尺寸。我公司也有低温处理设备，以前盲目追风，也搞过低温处理，实践证明低温处理有利于缓解应力和稳定大小，但对提高机械叶片的使用寿命没有明显效果，有加蛇的嫌疑。用户就是上帝，只要用户有请求，就必须执行。

机械叶片的低温处理和冷处理一般在成品之后进行，大多采用-120°C×1h的热处理工艺。

5. 机械叶片热处理的质量检查

质量检验是热处理生产中非常重要的一环，我们必须做好每个环节，严格把关、严格实践，并做好详细记录，做到源头可追溯。

（1） 原材料来料检验

进入工厂的原材料必须经过检验合格后才能入库。检查项目包括化学成分、碳化物不均匀性、碳化物粒度和脱碳层深度等表面质量。最好从正规渠道采购原材料，签订供销合同，这样可以避免不必要的质量纠纷。

（2） 淬火晶粒尺寸的检查

我们走访了日本的几家类似工厂，发现对方没有验货，欧美一些国家也没有在炉前验金相。但是在中国，如果任何一个工具厂不在炉前检查金相，肯定会出现质量问题。因为我们缺乏科学的管理，没有炉号的淬火，缺乏控制水平，更不用说根据客户刀的工作条件进行订单，所以炉前的淬火是非常盲目的。我们必须根据产品的具体情况，将粒度稳定控制在理想范围内。

（3） 碳化物溶解度测试

硬质合金是刀具行业的一把双刃剑，一方面是高硬度和耐磨性的基础，另一方面是过热和过燃的罪魁祸首。如果使用得当，产品的质量会上升，如果使用不好，质量会变差。Cr8钢含有较多的碳化物形成元素，我们应该充分利用碳化物可变性的优点，碳化物溶解恰到好处，既不多也不少。热处理无非是碳化物的转变，炉前的金相必须注意碳化物的溶解，晶粒大小的大小只能反映淬火温度，碳化物的溶解程度是问题的本质。

（4） 硬度测试

无论是淬火还是回火后，产品出厂前，都需要做硬度检查。Cr8钢很容易达到60HRC以上的硬度，但很难满足不同用户的硬度要求。对于同一种材质的刀具，往往因为用途不同，需要调整硬度，比如刀对上下刀片的硬度不能相同，上刀片应比下刀片低1~2HRC更实用。

邵氏或HRA或维氏硬度多用于硬度测试，HRC不用于成品刀，因为使用后者敲击硬度肯定会留下“坑”，这往往会诱发裂纹的来源。

6. 总结

以上就是我们对Cr8钢机械叶片进行热处理的经验和体会，炉前金相控制为8.5~9级，热处理后硬度为61.5~62.5HRC，视具体产品适当微调，使产品质量稳定，能得到市场认可，产品远销欧洲， 美、日及东南亚国家，佳隆公司在国内同行中享有较高的声誉。2016年我公司荣获安徽省高新技术企业美誉，2017年通过ISO 9001：2008质量管理体系认证，2017年“佳隆”牌纺织行业涂层刀荣获安徽省马鞍山市知名品牌称号。

随着木材、印刷、汽车等行业的技术进步，对叶片的性能要求越来越高，叶片材料和热处理工艺也应与之相适应。到目前为止，Cr8 钢是机械刀片的理想材料。什么是核心竞争力？热处理是机电产品的核心竞争力，做好热处理可以为企业节约能源、提高效率。

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