表面冶金高速钢机用锯条的研制
点击数：7297 次 录入时间：03-04 11:38:25 整理：http://www.55dianzi.com 冶金
1 引言
高速钢机用锯条是机械行业常用的下料工具，它采用整体W9Mo3Cr4V1高速钢材料经轧制、下料、开齿、分路、淬火、回火等几道主要工序制成，其标准尺寸为485mm×38mm ×1.6～2.2mm(长×宽×厚)，每支锯条平均重量0.25kg。高速钢机用锯条在使用过程中的失效形式为:①脆断:锯条经淬火和回火处理后，整体硬度达62～63HRC，同时具有很大脆性，在使用过程中受到弯曲、扭转、冲击等作用时容易发生脆性断裂而早期失效。②磨损:机用锯条在使用过程中，当齿部磨损量达到约0.1mm 时，则因锯切速度下降而无法继续使用。高速钢板材的价格约为5～6万元/吨，而锯条磨损部分仅占整体锯条重量的几千分之一。由此可见，机用锯条的失效造成高速钢材料的极大浪费。 高速钢机用锯条的制造工艺相当复杂。在高速钢冶炼过程中形成的粗大且分布不均的共晶碳化物不能通过热处理予以消除，只能采用锻造方法予以改善。在锻打过程中，由于高速钢硬度高、加工硬化严重、塑性差、导热系数小，为防止产生裂纹，必须缓慢加热到较高温度后按7～11倍变形度进行多次锻造热轧。在每次锻造前必须用酸清洗因高温产生的氧化层，以免将其轧入钢材内部。即使经过如此复杂的工艺过程，锯坯的碳化物分布有时仍不理想，表现为粒度和分布不均匀。 上述原因造成高速钢机用锯条成本高、寿命低，使用性能不理想。为解决这一问题，我们采用表面冶金方法，研制了一种齿部具有高速钢锯切性能、背部具有较高弹性和强韧性的新型机用锯条。 2 锯条制备工艺方法
(1)工艺方案
采用双层辉光离子渗金属技术在低碳合金钢制成的机用锯条齿部表面渗入W、Mo、Cr、V 等合金元素，使齿部沿齿廓形成一层高合金层，然后进行气体渗碳，使合金层成分接近高速钢，再经高温淬火和高温回火，使表面合金层的硬度达到62～63HRC，背部硬度达到50～55HRC。 (2)锯条材料
选用20Cr1V1 低碳合金钢作为锯条基体材料(基材成分:0.2～0.25% C，1.0～1.5% Cr，1.0～1.5%V)，经冶炼后轧制成锯条毛坯，再经下料、刨齿、分路制成低合金钢锯条。选用低碳钢是为了加快渗金属工艺的渗入速度，因为W、Mo、Cr、V均为碳化物形成元素，在渗金属工艺过程中易与碳作用形成碳化物，阻碍合金元素继续渗入，从而限制渗层厚度。选用1～1.5%的Cr、V 元素是为了使基体具有较高淬透性和强度，以及在渗金属工艺长时间高温加热时阻止基体晶粒长大。渗金属工艺所用源极材料比例为:W:Mo:Cr:V=9:4:1:2。渗金属表面的预定目标成分约为:9%W，3%Mo，1%Cr，1%V。其中，W、Mo 是形成足够碳化物的主要元素，按高速钢中的合金元素配比添加：机用锯条的有效厚度约为2.2mm，添加1%的Cr 即可满足淬透要求：加入1%的V 是为了提高耐磨性，因为在高速钢中V的碳化物硬度最高且耐磨性最好。在源极中添加Cr、V 的另一原因是在渗金属工艺过程中，离子轰击的溅射作用会将基体表面一部分Cr、V元素溅射出来，在源极中加入一定比例的Cr、V则可弥补渗层表面一定区域内Cr、V元素的减少，以保证渗层的成分和锯条使用性能。 (3)渗金属工艺参数
工艺方法:采用双层辉光离子渗金属技术在锯条表面渗铬：工件电压:400～500V：源极电压:900～1000V：工作温度:1120～1150℃：极限真空度:1Pa：工作真空度:30～50Pa：保温时间:8～10h：冷却方式:650Pa 风机冷却。 (4)渗碳工艺参数
工艺方法:气体渗碳(并排穿紧吊挂)：渗碳温度:925℃：保温时间:6h：炉内碳势:1.0%：通入气体:CH4+N2：冷却方式:缓冷至860℃保温1h后入油冷却至室温。 (5)淬火及回火参数
工艺方法:盐浴炉内淬火和回火：淬火温度:860℃ ×10min + 1200℃ ×3min，入60℃油中冷却至室温，550℃硝盐中装卡具回火三次，每次用风机风冷至室温。 3 锯条样品检测结果
(1)渗层金相组织及成分
经过渗金属工艺处理后，W-MO-Cr-V合金渗层的金相组织如图1所示，渗层合金成分的垂直分布曲线如图2所示。
经过渗金属、渗碳工艺处理后，渗层的金相组织如图3所示，渗层显微组织的电镜照片如图4所示。
(2)淬火、回火金相组织及硬度
经过淬火、回火热处理后的合金渗层金相组织如图5所示，渗层硬度的垂直分布曲线如图6所示。
(3)切削性能测试结果
按英国标准BS1919-1983中有关机用锯条的有关规定对锯条样品进行了锯切性能测试，并经国家刀具质量检测中心检验。检测结果见右表。 4 分析与讨论
(1)渗金属组织分析
W、Mo、Cr和V均属缩小γ区内的元素，而Cr、V可与α-Fe无限互溶。在渗金属开始阶段，基体组织处于奥氏体状态，合金元素渗入时，首先形成W、Mo、Cr、V在γ-Fe中的固溶体：当基体表面合金元素含量达到一定浓度时，即在基体表面形成W、Mo、Cr、V在α-Fe中的晶核[4]：随着渗金属时间的延长和表面合金浓度的进一步增高，晶核不断长大，并呈柱状晶不断向内延伸。此时，在表面形成一定厚度的W、Mo、Cr、V在α-Fe中的固溶体，其前沿为厚度较薄的W、Mo、Cr、V在γ-Fe中的固溶体，其内部为奥氏体基体。此时，高温组织分布为(由表及里):W、Mo、Cr、V在α-Fe中的固溶体→W、Mo、Cr、V在γ-Fe中的固溶体→奥氏体基体。在α-Fe与γ-Fe之间因晶体结构差异产生了明显分界面，且随着时间延长和表面浓度增高向内部平行推移。保温结束进行冷却时，当温度低于相变点，W、Mo、Cr、V在γ-Fe中的固溶体和奥氏体基体发生相变，转变为体心立方结构的α-Fe，而高温时α-Fe与γ-Fe之间形成的分界面则因相变时分界面晶格原子的错配排列而被保留下来，成为金相组织中渗层与基体的分界面。因此，形成的室温金相组织为:W、Mo、Cr、V在α-Fe中的固溶体+α-Fe基体组织。 (2)渗碳组织分析
渗碳时，由于温度较低(略高于重结晶温度)，因此晶粒较细小，晶界和形核位置较多，合金元素的溶解度小，有从基体中脱溶析出的化学驱动力，加之W、Mo、Cr、V元素均易形成碳化物，而此时碳以间隙扩散方式渗入，其扩散系数比合金元素大1～2个数量级。合金元素与碳原子在较短时间内形成大量碳化物晶核，由于形核率高、晶核小以及金属原子扩散速度慢、不易长大，因此形成的碳化物细小均匀。 (3)淬火回火组织分析
淬火回火组织为隐晶马氏体基体+粒状分布的细小碳化物。对相结构进行的X射线衍射分析表明，碳化物类型为M6C和M7C3。 (4)切削性能分析
切削试验表明，表面冶金高速钢机用锯条的渗层组织正常，碳化物颗粒细小，具有很高的硬度和耐磨性。锯条基体组织为晶粒细小的高温回火贝氏体或屈氏体，硬度高，强韧性和弹性好，支撑强度和抗冲击能力(尤其在连续切削成捆钢材时)优于整体高速钢锯条。 (5)应用前景分析
表面冶金高速钢机用锯条采用低合金材料制造，成本低廉，材料费仅2.0元/支，加上后续工序处理费用也不超过5.0元/支：而整体高速钢机用锯条仅材料费就需十几元/支，加上后续处理费用成本约为15元/支，且存在合金材料浪费严重、制造工艺复杂、易脆断等问题。目前国内机用锯条市场需求量约为400～600万支/年，如推广应用表面冶金高速钢锯条，可大幅度降低加工成本，提高加工质量和效率，节约材料资源。该工艺方法还可推广应用于其它要求获得高硬耐磨表面的工件。 5 结论
- 用等离子渗金属技术可在低碳合金钢表面形成冶金结合的高合金层，可按预期要求通过工艺设计控制合金层组分和渗层深度。
- 通过渗碳方法可使高合金层达到或接近高速钢的成分及性能，获得碳化物细小(粒度较冶金高速钢中的碳化物小1～2个数量级)、分布均匀、无一次共晶粗大碳化物的表面渗碳组织。
- 经过渗金属、渗碳工艺获得的表面冶金高速钢可直接进行升温淬火及回火，制备出的表面冶金高速钢机用锯条切削性能与冶炼高速钢锯条相当，锯条背部硬度低于齿部硬度，具有较高强韧性，不易脆断，且锯条成本大幅度降低。
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