专利名称：一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及机械刀片的技术领域，更具体地说，涉及一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片及其制备方法。
背景技术：
切纸刀片的使用性能既要有高的锋利度和耐磨性，还要具有不崩不卷的良好抗冲击性和一定的热硬性。以往，切纸刀片主要是CrWMn钢和高速钢作刃钢制成的镶钢切纸刀片。CrWMn钢作刃钢的镶钢切纸刀，硬度为HRC61 63，主要用于剪切低硬度纸张的切纸刀片；W18Cr4V或 W6Mo5Cr4V2高速钢作刃钢的镶钢切纸刀片，硬度为HRC64 66，主要用于剪切高质量高强度纸或硬纸板等切纸刀。目前，刃钢镶接在低碳钢刀体的工艺方法有两种(I)采用热轧焊接高速钢切纸刀，例如，国内有的采用专利ZL200510028805. 8的高速钢和低碳钢无氧化镶制工艺，焊缝剪切强度200 N/mm2 300 N/mm2 ；(2)安徽嘉龙锋钢刀具有限公司采用的高速钢铜钎焊镶镶接工艺技术，与国际同类型刃钢的切纸刀片镶接工艺是一样的，焊缝剪切强度3 196N/mm2，焊接强度略低于高温无氧化压轧镶接工艺。事实上，对于只受纵向剪切力作用的镶钢切纸刀片而言，铜钎焊镶钢强度足可以满足切纸刀片的剪切强度要求，但需要进一步稳定和提高；而热轧焊接镶钢方法虽然可以获得较高的焊接强度，但是，对于高速钢或半高速钢刃钢，热轧时过高的加热温度容易烧伤钢面，过大的变形量因刃钢和刀体塑性差别过大，不仅妨碍了各道压轧焊接的结合面的连续性，而且还会从刃钢中间带状缺陷产生内裂纹，成为半高速钢或高速钢切纸刀片生产废品率高的难题。刀片刃口锋利度和耐磨性主要取决于刃钢的屈服强度、硬度、以及碳化物的数量及分布。刀片刃钢中的碳化物存在，既起到耐磨作用，也起到刀尖止裂的作用，同时，还有刃口碳化物脱落的不利影响。刀片刃钢中的碳化物细化可提高强韧性并使刃部保持平滑锋利，而粗化过大的碳化物容易剥落，反而使锋利度和耐磨性下降。因此，刃钢要求有高的硬度和屈服强度，其组织中碳化物细化要达到高程度(< 2 um)，而淬火剩余碳化物数量、分布都有严格限制，数量过多且分布不均，刃口碳化物脱落既影响锋利度，也影响耐磨性；数量过少或没有，刃口的微裂纹会沿解理面扩展，形成较大的崩口。切纸刀片剪切时保持刃口锋利度和刃磨性十分重要，高速钢淬火回火后的剩余碳化物体积分数在15% 22%之间，剩余碳化物尺寸为2. 5 um 15 um,刃口的碳化物容易脱落，既会降低锋利度，也容易引起剪切过程中崩口。近年来，我们研究调查及分析论证认为，如果采用合适的半高速钢刃钢，降低刃钢中碳化物数量至3% 8%之间，基体淬火回火硬度又保持高速钢的水平，会有利于提高切纸刀片锋利度、耐用性及被剪切面光洁度，并降低了刃钢的合金量成本，亦改善了制造工艺性。国内外已有的应用于其他工模具的半高速钢专利和技术报道较多，但都不适宜切纸刀片刃钢的碳化物尺寸和数量特征，还有的硬度偏低，例如专利号ZL200610085881. 7和申请号201010292113. 5等公布的半高速钢成分。此外，中国专利申请号201110431102. 5，发明创造的名称为一种钻头用高速工具钢，其组分配比为C 0. 90-0. 98% ；ff 5. 00-5. 80% ；Mo :4. 00-4. 60% ；Cr :3. 80-5. 00% ；V 1. 80-2. 20% ；Mn :0. 25-0. 45% ；Si :0. 20-0. 40% ；Nb :0. 08-0. 30% ；Co :1. 30-1. 60% ；P (0. 03% ；S ^ 0. 03% ;其余为Fe。又如，中国专利申请号200910264467. 6，发明创造的名称为耐磨高速钢，其各成分的质量百分比如下C :0. 88-0. 98% ；ff 4. 30-4. 80% ；Mo 2. 70-3. 10% ；Cr :3. 80-4. 30% ；V :1. 80-2. 20% ；Mn :0. 20-0. 40% ；Si :1. 10-1. 50% ；Nb 0. 08-0. 16% ；Co 1. 20-1. 80% ；P 0. 03% ;S :彡 0. 03% ;其余为 Fe，该申请案为高速钢的钢种成分。上述两个申请案主要克服了原有工具钢存在淬火温度范围窄，刀具的使用寿命较低的问题，钢种的成分调整主要是为了降低贵重金属钨和钥的用量，但是上述的钢作为切纸刀片的刃钢使用时，其锋利度、刃磨性以及硬度均需要进一步加强。在这种情况下，国内外主要机械刀片厂都在寻求新的切纸刀片刃钢材料，以期替代高速钢镶钢切纸刀片。但是，现有的切纸刀片领域所用的很多高合金刃钢材料，有的组织合适，硬度只能达到HRC60-63，达不到高速钢的硬度水平；有的钢硬度合适，但剩余碳化物过多，且带状组织较重，又不能明显地改善高速钢刀片的锋利度。至目前为止，国内外虽然已有采用特殊高合金钢作刃钢替代高速钢刃钢镶钢切纸刀片，但硬度均偏低，只能达到HRC61 63，尚没有研究出组织和性能均合适的刃钢材料，使硬度达到高速钢HRC64 66 的水平，并使锋利度等使用性能又明显优于高速钢的镶钢切纸刀片。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中高速钢镶钢切纸刀片锋利度低和刃磨性差的不足，提供一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片及其制备方法，采用本发明优化设计的刃钢材料制备得到的切纸刀片，其硬度达到HRC64 66，锋利度和刃磨性能明显优于高速钢作刃钢的镶钢切纸刀片，且降低了刃钢的合金量成本。技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为
本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，切纸刀片由半高速钢刃钢经铜钎焊焊接在刀体上制成，该半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成c 0. 56 O. 65%,Si :0. 40 O. 60%, Mn :0. 25 O. 40%, Cr :6. O 6. 8%, W :1. 6 2. 5%, Mo :4. 2 5. 2%, V O. 7 O. 9%, Nb 0. I O. 2%, Co 或 Ni 之一 0· 3 O. 4%, S 彡 O. 02%, P 彡 O. 025%,其余为Fe。优选地，所述的半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C 0. 58 O. 62%, Si :0. 48 O. 52%, Mn :0. 28 O. 38%, Cr :6. 12 6. 60%, W :1. 82 2. 28%, Mo 4. 45 4. 94%, V 0. 76 O. 81%, Nb 0. 13 O. 16%，Co 或Ni 之一 0· 32 O. 38%, S^O. 02%,P彡O. 025%，其余为Fe。本发明的半高速钢刃钢成分设计原则是(I)合理的C、Cr、W、Mo、V含量搭配，保证碳化物数量、分布，以及足够的强度、韧性，加入少量合适的Nb提高碳化物中MC的比率，并提高MC碳化物在奥氏体中的溶解温度，使之淬火温度达到1160°C 1180°C以适于铜钎焊同时淬火；而且又要防止MC碳化物在奥氏体中溶解温度过高以消除钢水凝固时的块状碳化物，保证了高的屈服强度和冲击韧度指标，避免刀片刃口在使用期内出现毛刺和崩口 ；(2)加少量合适的Ni或Co以提高基体同碳化物的结合力，降低刃口磨损时碳化物粒子的脱落倾向，并阻碍退火过程原子扩散促进细化碳化物，其中含Ni的还有利于提高屈服强度，增强刃口锋利度作用更强；含(0的使碳化物与基体结合力更强，可根据机械刀片类型选择；(3)合理 的Cr、W、Mo、V比例，利用不同类型碳化物相成分的变化使之沉淀硬化靠近回火二次硬化最高硬度区，在含C量及含W量比高速钢低得多的情况下获得高的回火硬度，硬度达到W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢的水平。针对本发明的半高速钢刃钢成分范围控制说明如下含C量高于上限时冲击韧性低，低于下限时淬火回火硬度降低；含Si量高于上限时脆性增加并使表面脱碳加重，低于下限时强度降低；含Mn量高于上限时脆性增加，低于下限时强度降低；含Cr量高于上限时淬火残余奥氏体量增加，并使回火温度偏离沉淀硬化的最高硬度点，低于下限时钢的淬透性降低使空冷淬火硬度降低；含W量高于上限时M6C碳化物尺寸增大，低于下限时回火硬度降低；较高的含Mo量改变了各类碳化物的成分，使回火沉淀析出温度靠近或速度加快，有利于降低残余奥氏体量、提高回火硬度，是回火二次硬化的硬度达到通用高速钢水平的关键，但含Mo量高于上限时高温塑性低，低于下限时回火硬度明显降低；含￥量高于上限时容易出现块状碳化物，低于下限时MC碳化物数量不足，且奥氏体中溶解温度降低，在1160°C 1180°C淬火时剩余碳化物MC数量过少，阻碍晶粒长大能力变差；加入少量Nb明显升高了 MC碳化物在奥氏体中的溶解温度，能有效地阻碍淬火加热时的奥氏体晶粒长大，但含量过高，既容易出现块状碳化物又增加了材料成本；含Ni或Co量低于下限时粘结碳化物作用降低，Ni高于上限时影响退火球化，Co高于上限既影响冲击韧性又增加了材料成本。总之，刃钢成分要严格地具备切纸刀片刃钢的显微组织特征，工艺特征及性能特征。本发明的刃钢显微组织及性能适用于切纸刀片，而刃钢工艺性能适用于铜钎焊同时淬火。本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的制备方法，其步骤为
(1)生产半高速钢刃钢
采用感应电炉或感应电炉冶炼后经过电渣重熔生产半高速钢刃钢，该半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C 0. 56 O. 65%，Si :0. 40 O. 60%, Mn :0. 25 O. 40%, Cr :6. O 6. 8%, W :1. 6 2. 5%, Mo :4. 2 5. 2%, V :0. 7 O. 9%, Nb :0. I O. 2%,Co 或 Ni 之一 0· 3 O. 4%, S 彡 O. 02%, P 彡 O. 025%,其余为 Fe ；
(2)锻轧工序
将步骤(I)生产的半高速钢刃钢进行锻轧，其锻轧温度为870°C 1080°C ；
(3)退火
将步骤(2)锻轧后的半高速钢刃钢加热至850°C 860°C，保温4 6小时后随炉冷却；
(4)铜钎焊同时淬火
将步骤(3)处理后的半高速钢刃钢加热至1160°C 1180°C进行铜钎焊镶钢，使半高速钢刃钢焊接在刀体上制成切纸刀片，并同时进行淬火处理，保温I. 2 I. 5分钟/mm后空冷；
(5)回火
将步骤(4)的切纸刀片加热至540°C 550°C，保温2 4小时，回火2 3次。上述热处理工艺过程中，低于或高于退火温度，退火组织不良或退火硬度偏高；淬火温度超过上限，晶粒粗化且使未溶碳化物数量减少，淬火温度低于下限，无法与铜钎焊同时进行，也影响淬火回火硬度；回火温度高于上限时硬度降低，低于下限时残余奥氏体过高。优选地，步骤(I)中所述的半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C :0. 58 O. 62%, Si :0. 48 O. 52%, Mn :0. 28 O. 38%, Cr :6. 12 6. 60%, W :1. 82 2. 28%,Mo 4. 45 4. 94%, V 0. 76 O. 81%, Nb 0. 13 O. 16%, Co 或 Ni 之一 0· 32 O. 38%,S 彡 O. 02%, P 彡 O. 025%，其余为 Fe。优选地，步骤(2)中锻轧温度为950°C 1000°C。优选地，步骤(4)中半高速钢刃钢加热至1170°C进行铜钎焊镶钢。有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果
(I)本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，其刃钢显微组织既适合切纸刀片的性能要求，又适合木材加工等刀片的要求，刃钢具有镶钢切纸刀片合适的显微组织，其锋利度和冲击韧性高于高速钢刃钢，提高了使用性能；
(2 )本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，降低了淬火剩余碳化物数量，且钢中碳化物数量适当、分布均匀细化，不仅减轻了刃口碳化物粒子脱落程度，保证了耐用度，而且使用中也易于机械刃磨和手工研磨，避免了刀片刃口在使用期内出现毛刺和崩口，提高了剪切的光洁度；
(3)本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的制备方法，在相对低的合金化条件下获得高的二次硬化回火硬度，在总合金量和含C量相对低的情况下，可以获得与高速钢相同的硬度，其硬度达到HRC64 66，且降低了材料成本和工艺成本；
(4)本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，其硬度与高速钢相同，但成本低、易刃磨、使用性能高，克服了高速钢镶钢机械刀片的弊端，在造纸、印刷、包装和木材加工等领域有着广泛的应用前景。
图I为本发明中半高速钢刃钢的平衡相 图2为本发明中半高速钢刃钢退火扫描电镜照片；
图3为本发明中刀片刃钢淬火回火后金相照片；
图4为本发明中刀片刃钢淬火回火后扫描电镜照片；
图5为本发明的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的结构示意图。示意图中的标号说明1-半高速钢刃钢；2_铜钎焊层；3_刀体。
具体实施例方式为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。实施例I
本实施例的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，切纸刀片由半高速钢刃钢I经铜钎焊焊接在刀体3上制成，该半高速钢刃钢I的成分如表I所示。其具体的制备方法如下
(I)生产半高速钢刃钢
首先制备半高速钢刃钢，采用感应电炉或感应电炉+电渣重熔冶炼半高速钢刃钢，满足本发明的半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C 0. 56 O. 65%，Si O. 40 O. 60%,Mn :0. 25 O. 40%, Cr :6. O 6. 8%, W :1. 6 2. 5%,Mo :4. 2 5. 2%, V :0. 7 O. 9%, Nb 0. I O. 2%, Co 或 Ni 之一 0· 3 O. 4%, S 彡 O. 02%, P 彡 O. 025%,其余为 Fe 及不可避免的杂质；本发明刃钢的成分设计是在分析了合金系相平衡热力学计算的组织结构及相变过程，并进行了淬火回火硬度和热处理温度计算，以及比较了合金原子间结合能计算与性能相关联的基础上而提出的。具体说，半高速钢的合金设计包括成分设计、组织结构设计、工艺设计和性能预测四个方面。根据高碳合金钢的特征，首先以相平衡热力学方法针对碳化物类型和数量及其转变规律进行碳化物细化的预测；其次，根据相平衡热力学方法计算的基体成分，再进行淬火硬度和回火硬度的计算预测；然后，根据计算的A1点确定退火温度，根据淬火未溶碳化物数量及硬度确定淬火温度范围，从回火析出碳化物类型及数量比例估计最高二次硬化的温度，以此确定回火温度；最后，依据电子、原子层次上计算马氏体基体晶胞的结合能和硬度，推断屈服强度和韧性指标。最终，分析比较所有计算的不同成分钢的数据，对照机械刀片使用性能的要求，优化选择出半高速钢刃钢成分。本实施例的半高速钢刃钢成分如表I所示。表I实施例f 5的半高速钢刃钢材料的成分/wt%
C .......Si—[......ia;....WMo YNbNi I Co S PFe
S1 施例 I O 56 TIp [ I 605 0010.0O j |9 ■ 0 03氽景
实■例 2 O 60 O 30 j O 41 024 6'O "SO 14() 3$ | 一 01 O 04余量
实施例？ O 6 1mT|T s|7T7 I S4 45O "6C L;OOiS 0 0 素量
买—_ 例 4 O 5S 4940 $1O|θΤ0 019 )0-Ι#1
买施例 5 O 65 504 Xi0 90O !O| QiΟΟΓ0 05
(2)锻轧工序
将步骤(I)冶炼的半高速钢刃钢进行锻轧，锻轧温度为950°C 1000°C。(3)退火
将步骤(2)锻轧的半高速钢刃钢加热至850°C，保温5小时后随炉冷却；半高速钢刃钢平衡相图如图I所示，在850°C 860°C温度区间，M23C6与M6C互为消长，有利于退火过程碳化物细化。本实施例的半高速钢刃钢退火扫描电镜照片如图2 (5000X)所示，碳化物平均尺寸小于I. 5 μ m。(4)铜钎焊同时淬火将步骤(3)处理后的半高速钢刃钢加热至1170°C进行铜钎焊镶钢，该铜钎焊镶钢技术为现有常用技术，使半高速钢刃钢I焊接在低碳钢刀体3上制成切纸刀片，半高速钢刃钢I与低碳钢刀体3之间为铜钎焊层2 (如图5所示)，并同时进行淬火处理，保温I. 3分钟/mm后空冷，即每厘米厚度的切纸刀片保温时间为I. 3分钟，原因是切纸刀片为板状工件，保温时间按厚度计算，具体生产时，是在1170°C时进行铜钎焊镶钢操作，并保温I. 3分钟/_后空冷，完成淬火。不完全奥氏体化的未溶碳化物数量为3 8vt%之间(参见图1)，能有效地阻碍奥氏体晶粒长大。刀片刃钢淬火回火后金相照片如图3 (500X)所示，淬火晶粒度为10级。(5)回火
将步骤(4)的切纸刀片加热至550°C，保温3小时，回火2次。上述步骤处理后，经过机械加工，机械加工包括校平、磨削加工、铣孔型等的工艺步骤，制造成为镶钢切纸刀片。回火后的刀片刃钢扫描电镜照片如图4 (4000X)所示，剩余碳化物数量为3. 8% 5.8%，平均尺寸< Ι.δμπ ο这种半高速钢铜钎焊镶钢的切纸刀片的结构示意图如图5所示，本实施例的刀片适合作为切纸刀片使用，其中切纸刀片常规尺寸如表2所示。表2切纸刀的常规尺寸
权利要求
1.一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，其特征在于切纸刀片由半高速钢刃钢经铜钎焊焊接在刀体上制成，该半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成c 0. 56 0.65%, Si :0. 40 0. 60%, Mn :0. 25 0. 40%, Cr :6. 0 6. 8%, W :1. 6 2. 5%, Mo :4. 2 5.2%, V :0. 7 0. 9%, Nb :0. I 0. 2%, Co 或 Ni 之一 0. 3 0. 4%, S 彡 0. 02%, P 彡 0. 025%,其余为Fe。
2.根据权利要求I所述的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片，其特征在于所述的半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C 0. 58 0. 62%，Si :0. 48 0. 52%，Mn 0.28 0. 38%, Cr :6. 12 6. 60%, W :1. 82 2. 28%, Mo :4. 45 4. 94%, V :0. 76 0. 81%,Nb :0. 13 0. 16%, Co 或 Ni 之一 0. 32 0. 38%, S≤ 0. 02%, P ≤ 0. 025%，其余为 Fe。
3.一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的制备方法，其步骤为 (1)生产半高速钢刃钢 采用感应电炉或感应电炉冶炼后经过电渣重熔生产半高速钢刃钢，该半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C 0. 56 0. 65%，Si :0. 40 0. 60%, Mn :0. 25 0.40%, Cr :6. 0 6. 8%, W :1. 6 2. 5%, Mo :4. 2 5. 2%, V :0. 7 0. 9%, Nb :0. I 0. 2%,Co 或 Ni 之一 0. 3 0. 4%, S ≤ 0. 02%, P ≤ 0. 025%,其余为 Fe ； (2)锻轧工序 将步骤(I)生产的半高速钢刃钢进行锻轧，其锻轧温度为870°C 1080°C ； (3)退火 将步骤(2)锻轧后的半高速钢刃钢加热至850°C 860°C，保温4 6小时后随炉冷却； (4)铜钎焊同时淬火 将步骤(3)处理后的半高速钢刃钢加热至1160°C 1180°C进行铜钎焊镶钢，使半高速钢刃钢焊接在刀体上制成切纸刀片，并同时进行淬火处理，保温I. 2 I. 5分钟/mm后空冷； (5)回火 将步骤(4)的切纸刀片加热至540°C 550°C，保温2 4小时，回火2 3次。
4.根据权利要求3所述的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C 0. 58 0.62%, Si :0. 48 0. 52%, Mn :0. 28 0. 38%, Cr :6. 12 6. 60%, W :1. 82 2. 28%, Mo 4.45 4. 94%, V :0. 76 0. 81%, Nb :0. 13 0. 16%，Co 或 Ni 之一 0. 32 0. 38%, S^O. 02%,P^O. 025%，其余为 Fe。
5.根据权利要求4所述的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的制备方法，其特征在于步骤(2)中锻轧温度为950°C 1000°C。
6.根据权利要求5所述的一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片的制备方法，其特征在于步骤(4)中半高速钢刃钢加热至1170°C进行铜钎焊镶钢。
全文摘要
本发明公开了一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片及其制备方法，属于机械刀片领域。本发明的切纸刀片由半高速钢刃钢经铜钎焊焊接在刀体上制成，该半高速钢刃钢由如下重量百分含量的化学元素组成C0.56～0.65%，Si0.40～0.60%，Mn0.25～0.40%，Cr6.0～6.8%，W1.6～2.5%，Mo4.2～5.2%，V0.7～0.9%，Nb0.1～0.2%，Co或Ni之一0.3～0.4%，S≤0.02%，P≤0.025%，其余为Fe。其制备方法为冶炼半高速钢刃钢及其870℃～1080℃锻轧，随后退火；其次采用加热至1160℃～1180℃进行铜钎焊镶钢，并同时淬火处理；最后回火处理。本发明切纸刀片的硬度与原高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片相同，但锋利度更高、易刃磨，并降低了材料成本和工艺成本。
文档编号C22C38/26GK102776446SQ20121028922
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者王润田, 胡三宝, 胡会峰, 胡明 申请人:安徽嘉龙锋钢刀具有限公司