硬质合金焊接铣刀的热处理技术改进

钱坤

.问题的提出
将刀体先进行淬火，而后再在刀体上高频焊接硬质合金刀头的制作方法对刀体强度要求不高的铣刀是可行的，但对于切削速度高，切削力大，尤其是刀体截面积较小的刀具就不能取得满意的效果。



& W+ p0 b2 Q" T# d我厂生产的B1279机床，用户订货时要求我厂提供配套的专用刀具如：R7.25、R7.5槽铣刀(见图1)；1号、2号倒角铣刀(见图2)等。由于这几种铣刀工作时切削速度高达5600～6000r/min，切削力大，按传统方法制作这样的铣刀投入使用后很快便折断或变形，不能满足用户要求。又如我厂为外厂制作的成型扁钻(见图3)，按设计图样：刀体为W18Cr4V，刀头为YG6。按设计图样材质，采用先淬刀体而后再焊刀头的方法制作的此种刀具投入使用便折断，根本无法使用。再如，我厂产品用φ75mm铣刀、φ38mm、φ44mm扩钻(见图4、图5)使用原方法制作时，有：30％的刀具平均每把只能加工200～400件零件，其损坏形式主要是焊口附近的刀体部分折断或扭曲变形；此外扭曲变形还使刀具精度丧失，造成被加工零件的报废。
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2.产生问题的原因调查
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3 S2 f# D& ^5 b7 j6 W7 \8 g+ U为弄清采用刀体先淬火而后再在刀体上高频焊接硬质合金刀头的制作方法产生前述缺陷的原因，我们做了下面的试验：首先特制了试验铣刀，试验铣刀形状尺寸的确定原则主要是为了易于金相化验取样。试验铣刀如图6所示，其刀体材料为40Cr，刀头材质为YG8。

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对试验刀体先进行淬火，工艺为830℃加热30min油冷却，200℃回火90min，其热处理工艺曲线见图7。试验刀体经淬火后的金相组织为马氏体+少量铁素体(见图8)，对其测试硬度为52～54HRC(见表1)。在淬火刀体上高频焊接硬质合金刀头后，对距焊口1mm处的刀体进行金相化验，金相组织为索氏体型珠光体+碎块状铁素体(见图9)，靠近刀头处的硬度为20～24HRC(见表1)。由金相组织和所测的硬度可知，刀体经淬火后的高强度、高硬度的马氏体组织在高频焊接过程中转变为强度和硬度较低的索氏体型珠光体和碎块状铁素体。在这个转变中，刀体的硬度和强度大大降低。之所以发生这样的转变是由于在刀体上高频焊接刀头时，焊接温度较高，一般在900～950℃；这样高的温度使淬火后的刀体在靠近焊口处被正火，从而造成此处硬度、强度的大大下降。而离焊口较近的区域也由于焊接时的热传导，使该区域的温度升高，造成该区域的中、高温回火，也使此区域的强度、硬度下降。刀具使用时，刀具损坏也最易出现在焊接处，说明焊接处刀体硬度、强度下降是刀具损坏的重要原因。
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8 ~2 l* o" }" m; Y- ~" R' l% @ 3.热处理工艺的改进
由以上试验和分析，先淬刀体后焊刀头的方法使刀体靠近焊口处的热处理效果基本丧失。要增加刀体强度，提高刀具寿命，应将刀头焊接在刀体上后再进行铣刀的整体淬火，以保持刀体的热处理效果。但这种方法以前我厂从未采用过，人们担心在淬火的加热和冷却过程中会使硬质合金刀头性能变坏，甚至在加热过程中焊口发生变化造成刀头脱落等。为此，我们就硬质合金刀头在各种不同的热处理工艺下的性能变化(包括硬度和开裂情况)做了试验，试验结果见表2。对焊口耐热程度进行了试验，试验结果见表3。

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由以上两个试验可以得出：
* ]' |2 U# M5 y+ [, i* H(1)硬质合金刀头在900℃以下加热并冷却，刀头硬度不发生明显变化。
  N) i: c' Q" x2 F1 e7 G8 O(2)硬质合金刀头在淬火冷却中，若淬火介质为盐水时，硬质合金刀头由于急速冷却而开裂；若介质为油时，在900℃以下加热、冷却，硬质合金刀头不会发生开裂。这表明在采用焊接刀具整体淬火时，刀体应选用油冷却即可淬硬的合金钢，而不能使用油冷淬不硬、用水才能淬硬的碳素钢，如刀体采用45钢或高碳钢的刀具，焊后整体淬火时，刀体材料应改为合金钢。
* W! c* N" M' _4 F+ y(3)为防止加热过程中铣刀焊口处焊料熔化，产生焊料流动或刀头与刀体位置变化，淬火温度不能超过900℃，最好在850℃以下。大部分的合金钢的淬火温度都在850℃附近，而中、高合金钢的淬火温度一般在900℃以上，因此用具整体淬火时，刀体材料小应选择中、高合金钢，如前文提到的成型扁钻，刀体材料为W18Cr4V，淬火温度超越了900℃，就不能进行整体淬火。
遵循以上三条，我们首先对试验铣刀(见图6)进行整体淬火，刀体材料、淬火工艺均与先淬后焊的试验铣刀相同，淬后对刀体距焊口1mm处进行金相化验，金相组织为马氏体+少量铁素体，硬度52～54HRC，与未焊刀头时刀体淬火的金相、硬度一致。
以上对图1～图5所示的各种铣刀、钻头进行了整体淬火试验并纳入正式生产均取得了较好效果。
$ l" C( p! q0 \3 W( Q8 q! {. Y需要注意的是，铣刀整体淬火时，由于刀头焊于刀体上，而硬质合金刀头极硬而脆，稍有磕碰便会掉角造成报废，因而在淬火、回火及以后的喷砂中都必须谨慎小心，决不能有磕碰。
4.效果
采用铣刀整体淬火，焊口处的刀体硬度较原来先淬刀体后焊刀头有了大幅度的提高。如图1、图2所示的槽铣刀、倒角刀等，采用整体淬火后，解决了这些铣刀一工作便折断的问题。如图3所示的成型扁钻，将刀体材料由W18Cr4v改为40Cr，整体淬火后的使用效果很好。又如图4、图5所示的刀具经整体淬火后，每把刀可加工零件2000件以上，刀具寿命得到大大提高。