HFW 焊管去外毛刺刀具材料性能探討

賈 熙

（渤海裝備華油鋼管公司揚州分公司， 江蘇 揚州225128）

HFW 焊管高頻焊接過程充分利用電流的臨近效應和集膚效應， 使管坯邊緣持續升溫達到金屬熔融溫度1 250～1 450 ℃時， 經擠壓輥擠壓促使管坯邊緣相互結晶， 形成焊縫及內、 外毛刺。 外毛刺不僅會影響焊管的外觀質量， 而且為焊管后續的處理及檢驗工序帶來不便， 因此必須通過線上刮除的方式將外毛刺去除至與母材基本平齊狀態。 外毛刺的線上處理是當外毛刺處于熱熔狀態時， 由去外毛刺刀具刮除， 由于焊接處有冷卻水， 熱熔外毛刺到達刮削點時的溫度會降至900～1 250 ℃， 刮削速度等同于高頻焊接速度， 刮削深度一般為3～5 mm。 在此切削條件下， 對刀頭高溫下的硬度， 即熱硬性提出較高要求。

1 熱硬性

熱硬性又稱高溫硬度， 是指刀具在高溫工作條件下仍能保持較高硬度的能力。 目前， 國內對高溫硬度的叫法不一， 有的叫“紅硬性”， 有的叫“熱穩定性”， 也有叫“熱硬性”， 概念較為模糊，為了便于正確理解這種性能， 有必要在此澄清。

必須指出的是， 熱硬性與紅硬性是兩個完全不同的概念。 紅硬性定義： 人們把高速鋼刀具切削刃口出現暗紅色而未失去切削能力的特性定名為“紅硬性”， 它表示刀具在使用受熱過程中保持組織和性能穩定的能力。 刀具紅硬性的測試一般是將刀具以一定時間加熱到600 ℃以上， 然后冷卻至室溫（20 ℃） 測得的硬度值， 而熱硬性是在高溫下直接測得的， 這是兩者不同點之一。

為進一步理解紅硬性與熱硬性的區別， 需對鋼的加熱軟化過程加以說明。 鋼的加熱軟化由兩個過程引起， 一是鋼的基體在溫度變化時， 不發生組織變化而引起強度（硬度） 變化， 其特征是升溫時變軟， 降溫后又恢復原來的硬度， 稱之為可逆軟化過程； 二是由于鋼的組織在升溫時發生變化， 由硬組織變為軟組織， 如馬氏體分解、 碳化物聚集以及基體的再結晶， 這些過程都是不可逆的， 故當溫度降至室溫時， 高溫時的軟組織被保留下來， 稱之為不可逆軟化過程。 不可逆軟化過程主要取決于馬氏體對回火過程的抵抗能力，即抗回火穩定性。 而紅硬性的實質就是抗回火穩定性， 用它來衡量不可逆軟化過程。 不同的是，熱硬性的硬度值是在高溫下直接測得， 能直接反映刀具在高溫切削條件下的硬度和切削能力， 可用它來衡量可逆軟化過程， 這是兩者不同點之二。

正確理解刀具材料的熱硬性后， 在選擇去外毛刺刀具材料的主要性能指標上就有了明確方向，除了考慮刀具材料硬度與韌性的平衡之外， 還應該把熱硬性作為去外毛刺刀具材料的主要性能指標，較高的熱硬性能保證去外毛刺刀具在高溫刮削環境下仍然有足夠的硬度和耐磨性。 本研究針對高速鋼和硬質合金兩類主要刀具材料， 通過外毛刺刮除試驗的方法來對比刀具材料熱硬性的影響。

2 高速鋼刀具

2.1 高速鋼簡介

高速鋼是合金工具鋼之一， 是含有C、 W、Mo、 Cr、 V、 Co、 Al 等元素的鐵基合金， 全稱為高速工具鋼， 也稱白鋼或鋒鋼。 高速鋼在工具鋼中具有最高的熱硬性和紅硬性， 切削溫度在500～650 ℃時仍能正常工作。 GB/T 17111—2008 中規定了19 種高速鋼牌號， 按生產工藝分為常規高速鋼和粉末冶金高速鋼， 具體分組方法及代號見表1。

表1 高速鋼分組方法及代號

高性能高速鋼是指在普通高速鋼中再增加C、V 及添加Co、 Al 等合金元素的鋼種， 力學性能和切削性能都比普通高速鋼有明顯提高， 且熱硬性較高， 加熱到630～650 ℃時仍可保持60HRC 的硬度， 其刀具壽命約為普通高速鋼刀具的1.5～3 倍。W2Mo9Cr4VCo8 （簡稱M42） 是一種應用最廣泛的含Co 超硬高速鋼， 具有良好的綜合性能。 因此， 本研究將高性能高速鋼M42 列入去外毛刺刀具試驗材料之一， 制成的白鋼刀如圖1 所示。

圖1 試驗用M42 白鋼刀實物照片

2.2 外毛刺刮除試驗結果與分析

2.2.1 試驗結果

采用M42 白鋼刀進行外毛刺刮削試驗， 僅數秒前刀面就產生了積屑瘤堆積， 后刀面也出現了磨損， 導致外毛刺刮削過程失穩， 加工表面質量嚴重下降， 已超出外毛刺刮除后的外觀質量要求，無法繼續使用。 損傷的M42 白鋼刀如圖2 所示。

圖2 損傷的M42 白鋼刀實物照片

2.2.2 結果分析

M42 作為應用最廣泛的Co-Mo 高速鋼， 其中w （Co） =8%， 其熱硬性表現可由普通高速鋼的560 ℃提高到600 ℃（其硬度大于60HRC）。 但是過高的Co 含量只能提高M42 的回火溫度， 即使M42 在600 ℃以下保持良好的紅硬性， 而對熱硬性的提升效果還有待考量。 外毛刺刮削過程的切削溫度高達1 000 ℃左右， 使用M42 白鋼刀一旦超過600 ℃以上， 隨著不可逆軟化過程的持續進行， 反而使硬度迅速下降， 在切削點高溫高壓的作用下， 前刀面迅速與切屑底面發生冷焊粘結產生積屑瘤， 后刀面與已加工表面發生擴散磨損，這些原因共同導致了M42 白鋼刀的迅速磨損。

3 硬質合金刀具

3.1 硬質合金簡介

硬質合金（鎢鋼） 是用高硬度難熔的金屬碳化物（WC、 TiC 等） 微米級粉末和金屬粘結劑（Co、Ni、 Mo 等） 在高溫條件下燒結而成的粉末冶金制品。 硬質合金的常溫硬度達89HRA～93HRA （相當于69HRC～81HRC）， 僅次于金剛石， 具有良好的熱硬性， 在800～1 000 ℃的高溫條件下仍能繼續切削， 刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍。常用的硬質合金有鎢鈷類（YG）、 鎢鈷鈦類（YT）和通用硬質合金（YW） 三類。

（1） 鎢鈷類。 YG 類硬質合金即為新牌號K類硬質合金， 主要由碳化鎢 （WC） 和鈷 （Co）組成， 常用牌號有YG3、 YG6、 YG8 等。 YG 類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性較好， 不易崩刃， 很適宜切削易產生崩碎狀切屑的鑄鐵等脆性材料。 由于YG 類硬質合金的熱硬性和耐磨性較差， 因此一般不用于普通鋼材的切削加工。

（2） 鎢鈷鈦類。 YT 類硬質合金即為新牌號P類硬質合金， 主要由碳化鎢（WC）、 碳化鈦（TiC）和鈷（Co） 組成， 常用牌號有YT5、 YT15、 YT30等。 YT 類硬質合金加入了碳化鈦后， 具有較好的熱硬性、 抗粘結和抗氧化能力。 但由于抗彎強度和沖擊韌性較差， 故主要用于切削易產生帶狀切屑的普通碳鋼及合金鋼等塑性材料。 幾種常用的YT 類硬質合金的力學性能及加工條件見表2。

表2 常用YT 類硬質合金力學性能及加工條件

（3） 通用硬質合金。 YW 類硬質合金即為新牌號M 類硬質合金， 它是在普通硬質合金中加入了少量的稀有高熔點金屬碳化鉭（TaC） 或碳化鈮（NbC）， 能阻止WC 晶粒在燒結過程中長大， 起到細化晶粒作用， 可提高抗彎強度和韌性， 同時也提高了熱硬性， 主要用于不銹鋼、 耐熱鋼、 高錳鋼的加工， 也可用于不同碳鋼和鑄鐵的加工， 因此被稱為通用型硬質合金， 常用牌號有YW1、 YW2 等。

經過綜合考慮， 決定采用YT 類硬質合金， 它不僅比YG 類硬質合金具有更高的熱硬性， 而且制造成本也比YW 類硬質合金更加經濟。

根據外毛刺的實際刮削條件， 最終選用牌號YT5 的硬質合金作為去外毛刺刀具的試驗材料，相較其他牌號的YT 類硬質合金， YT5 具有較高的抗彎強度， 即具有良好的韌性， 適宜在具有一定沖擊條件下進行刨削加工。 同時考慮硬質合金刀具的使用形式， 分別以整體式鎢鋼刀（尺寸與M42 白鋼刀相同）、 焊接式和可轉位機夾式鎢鋼刀3 種形式的外毛刺刮刀進行試驗。

3.2 外毛刺刮除試驗結果與分析

3.2.1 整體式鎢鋼刀

采用由YT5 硬質合金制成的整體式鎢鋼刀進行外毛刺刮除試驗， 刮削總長度約1 000 m/h， 刮削后的表面產生棱狀波紋， 對外毛刺的刮削外觀質量有一定影響， 卸下后發現刀刃產生較大缺口（如圖3 所示）。 這是由于YT5 鎢鋼刀有較高的熱硬性， 較M42 白鋼刀對熱熔外毛刺的刮削能力有了顯著提高。 但是， 在外毛刺刮除時由于要躲避料卷對頭焊縫， 使得刀具在刮削過程中不時地進行抬刀和落刀動作， 在無法降低切削速度的情況下會對刀具產生巨大的沖擊力。 由于整體式鎢鋼刀的抗沖擊性能較差， 造成刀具在連續使用一定時間后發生刀刃缺口損傷， 并逐漸喪失切削能力。

圖3 損傷的YT5 鎢鋼刀實物照片

3.2.2 焊接式刮刀

為了提升去外毛刺刀具的抗振性能， 采用焊接式刮刀進行外毛刺刮除試驗。 焊接式刮刀是將TY5 硬質合金刀頭通過釬材焊接在碳素鋼刀桿上， 既保持了硬質合金刀頭高熱硬性的特點， 又使刀具的整體韌性得到了提升， 而且制造價格較整體式鎢鋼刀降低了10 倍。 經過試驗， 焊接式刮刀的切削壽命大約為1 600 m， 最主要的失效原因除了刀刃缺口， 還有刀頭開裂（如圖4 所示）。

圖4 損傷的YT5 焊接式刮刀實物照片

對失效原因分析發現， 焊接式刮刀雖然提升了刀具的整體抗振性能， 也使得刀具的使用壽命較整體式鎢鋼刀有了明顯改善， 但是由于刀頭經過高溫焊接， 其強度、 硬度都有所降低， 同時也會產生一定的內應力， 因此在外毛刺刮削過程中容易出現開裂損傷， 這是焊接式刮刀不可避免的缺點之一。 另外， 焊接式刮刀的刀桿無法重復使用， 換刀必須更換整體刀具， 導致現場刀具儲備量較大， 換刀時間較長。

3.2.3 可轉位機夾式刮刀

為有效避免焊接式刮刀存在的缺點， 采用可轉位機夾式刮刀（如圖5 所示）， 將預制好的硬質合金刀片通過機械夾固方式夾緊在刀桿上， 硬質合金刀片帶有4 個切削刃的四角形刀片， 這樣不僅避免了刀頭經高溫焊接產生內應力等缺陷， 而且換刀僅需要將刀片夾緊松開轉位或更換刀片即可。經過試驗， 可轉位機夾式刮刀的刮削壽命提高到約2 500 m， 切削性能穩定， 抗沖擊性能較好。

圖5 可轉位機夾式刮刀實物照片

4 結 論

（1） 高速鋼刀具具有良好的韌性， 但是由于熱硬性僅能達到600 ℃（硬度＞60HRC）， 無法適應熱熔外毛刺超高的切削溫度， 因而發生快速磨損， 喪失切削能力。

（2） YT 類硬質合金刀具有較高的熱硬性， 在1 000 ℃左右的高溫條件下仍能繼續切削， 再配合使用可轉位機夾式刮刀， 能夠獲得良好的刀身韌性， 避免了焊接式刮刀因刀頭高溫焊接產生內應力等缺陷， 而且換刀便捷， 經濟性好， 同時對后續涂層刀具的使用提供了條件。