金剛石圓鋸片基體淬火變形問題及解決措施

梁海波,趙 磊,鄭 科

(黑旋風鋸業股份有限公司,湖北 宜昌 443003)

金剛石圓鋸片在切割加工石材過程中,以高速旋轉的方式對石材進行切割,通常切割的線速度為25～60 m/s。在石材切割工作中,金剛石圓鋸片會受到強烈的振動,這是因為刀頭比基體厚,使用時基體與被切割材料間有一定的間隙。為了避免金剛石圓鋸片基體擦鋸和由于振動而過早發生疲勞斷裂, 基體必須有一定的塑韌性和彈性極限,從而起到緩和沖擊、吸收振動的作用,保證金剛石鋸片的穩定工作[1]。

鋼的化學成分和熱處理狀態,是金剛石圓鋸片基體性能保證的關鍵因素。對于機械性能要求高的金剛石圓鋸片產品,通常采用含有較高碳含量和合金元素的模具鋼制造,并經淬火、中溫回火獲得符合性能要求的回火馬氏體組織[2-4]。但由于設備、工藝、材料成分偏差和淬火油性能等多種因素的影響,金剛石圓鋸片基體在淬火過程中會產生變形、淬火硬度不均和基體開裂等缺陷。本文對金剛石圓鋸片基體的淬火變形問題進行討論、分析,探究其原因,并提出改進措施,以減小金剛石圓鋸片基體淬火變形量,提高生產效率和產品質量,滿足下游石材生產廠商高精度切割的使用要求,提升石材加工成材率和產品品質,從而進一步推動石材行業高質量發展。

1 金剛石圓鋸片基體的淬火概述

金剛石圓鋸片基體的淬火是將鋸片基體加熱到亞共析鋼內部組織轉變為奧氏體的臨界溫度Ac3或過共析鋼開始形成奧氏體臨界溫度Ac1以上溫度,并在加熱爐中保溫一段時間,使內部組織全部奧氏體化,然后通過淬火介質(一般專用淬火油)以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到馬氏體轉變溫度Ms以下進行馬氏體轉變的熱處理工藝。按照介質分類可分為油淬、鹽淬、空淬等,按照介質接觸工件方式又可分為噴淋式、浸入式等,按照工件淬火狀態可分為壓淬、自由淬等。圖1為金剛石圓鋸片基體淬火示意圖。

圖1 金剛石圓鋸片基體淬火示意圖

金剛石圓鋸片基體在淬火過程中會產生裂紋、硬度低、軟點、變形等缺陷,其中變形是最常見也是最復雜的問題,出現后往往無法找到根本原因,從而影響后續加工甚至報廢。

2 淬火變形產生原因分析

金剛石圓鋸片基體在加熱爐中進行加熱,達到相應的淬火溫度后,鋸片快速放入淬火油池中進行快速冷卻淬火,然后在固定裝置中進行加壓壓平,隨室溫冷卻到一定溫度后,從裝置中轉運出來,在這個過程中金剛石圓鋸片會受到多種因素影響,從而導致其變形。歸納起來主要有以下兩種:

1)組織轉變造成的體積變化。金剛石圓鋸片在加熱爐中進行加熱并保溫一段時間時,鋼材的其他組織轉變成部分或全部奧氏體[5],奧氏體組織比鋼材的其他組織體積小,引起金剛石圓鋸片基體的體積變小。同時在加熱完成后使用淬火油快速冷卻,鋼材中的部分或全部奧氏體組織轉變為馬氏體,馬氏體組織[6]比鋼材的其他組織體積大,必然會引起金剛石圓鋸片體積的增加。

2)內部應力的變化。金剛石圓鋸片基體在加熱和冷卻過程中,由于設備性能、加工工藝標準、控制水平等各個因素的影響,其各個部位的溫度存在差別,造成鋼材內部組織轉變不同步以及形成溫度差,從而產生內應力。產生的這種內應力一旦超過了鋼材的屈服強度就會產生塑性變形,這種塑性變形就表現為金剛石圓鋸片的形狀變形。

通過上述原因分析,金剛石圓鋸片基體在淬火過程中必定會發生組織轉變以及應力變化,因此變形是不可避免的。但為了更好地減少變形,最理想的冷卻工藝如圖2中c和d所示,其能夠在冷卻過程中控制組織轉變時溫度,從而杜絕多種因素累計造成的變形過大。

圖2 淬火各種冷卻方式

3 減少淬火變形的措施

3.1 原材料的控制

金剛石圓鋸片的原材料一般選擇高碳合金鋼。內部組織、夾雜物、帶狀組織等都會影響鋼在加熱過程中其他組織向奧氏體轉變的均勻性和一致性[7],控制好鋼內部組織的均勻性,較少的夾雜物和帶狀組織可以使鋼的其他組織轉變成奧氏體時更均勻和一致,加熱過程中鋼的體積變化和應力變化一致性會更好,鋸片的變形程度就更低。

同時,鋼的合金元素含量和純凈度會影響鋸片的淬透性能。淬透性好的材料在淬火過程中進行冷卻硬化時,組織從奧氏體轉變成馬氏體會更加充分和完全,鋼材的體積在各個維度上的變化是一致的,不會存在體積變化差異。淬透性差的鋼材會造成內部組織分布不均勻,內應力釋放不一致,當內應力達到一定的限值,就會在金剛石圓鋸片基體上表現出變形,呈荷葉邊、扭曲、鍋底等不規則的變形,給后續工序加工增加難度。

選擇合適的原材料是控制淬火過程中金剛石圓鋸片基體變形的重要環節,純凈度較高的高碳合金鋼,較少的夾雜物和帶狀組織,內部原始組織均勻的鋼材是生產制造金剛石圓鋸片基體的首選材料。

3.2 加熱工藝的制定

金剛石圓鋸片基體在加熱爐中進行加熱,鋼材內部組織的變化本質就是其他組織向奧氏體進行轉變。加熱爐各個溫區設置的科學合理性,是保證鋸片基體加熱過程中各個維度上的溫度基本保持一致和保證組織轉變一致的前提條件。在整個加熱過程中,防止鋸片基體變形的途徑主要是緩熱。加熱速度過快,會產生熱應力而引起變形。因此,降低加熱速度是控制鋸片基體變形的有效手段,一般在分段溫區設置上設定一段預熱區域進行預熱,來保證鋸片基體進入加熱爐中不是處于急劇加熱的狀態,而是一個緩慢上升的過程。

若金剛石圓鋸片基體在淬火加熱前存在較大的殘留應力,經過壓機淬火冷卻后變形表現會較為突出,這種情況下應預先采取去應力退火。一般將基體加熱到 500～600 ℃,保溫一段時間后,殘留應力可大幅減少甚至趨于零。

根據材料的特性,合適的預熱、緩慢的加熱速度和消除原材料內部的殘留應力,是降低鋸片基體變形的有效方式。

3.3 淬火介質的選擇以及維護

冷卻方式對鋸片基體淬火變形具有較大的影響,一般采用均勻冷卻的方法。相變引起的體積變化能夠因鋸片基體原材料的合理選擇而減小。但當原材料已經選定時,淬火過程中產生的體積變化是不可避免的。在實際淬火操作中,主要是由于鋸片基體各部位發生相變不同步而產生的變形。

為了盡量減小各部位馬氏體轉變時間的不同,采用在出現托氏體組織附近的溫度范圍實行急冷,而在馬氏體轉變溫度Ms點以下實行緩冷的方法較好,這樣可以有效地控制變形。但是為了更好的實現上述控制要點,基于現有的淬火冷卻方式為油冷,故需要對淬火油的性能指標進行跟蹤試驗,來保證淬火過程的穩定可靠。根據經驗,最大冷速Vmax、特性溫度TVmax、運動黏度和氧化安定性為淬火油的主要性能指標[8-9]。

對于不同材質的鋼材需要選擇不同的性能指標的淬火油,金剛石圓鋸片的材質一般以50Mn2V、75Cr1和30CrMo鋼為主,淬火油最佳性能指標要求見表1。

表1 不同材質選擇淬火油的最佳性能指標

因此,要控制好淬火油的性能指標,需要時刻關注淬火油的狀態,并按照規定間隔時間對淬火油進行抽樣檢測,不間斷保持淬火油的最佳性能指標,才能有效控制淬火的變形量。

3.4 其他

等溫淬火或分級淬火可以減小淬火變形,同時等溫淬火還可以校正不規則變形。

4 結論及展望

1)金剛石圓鋸片基體淬火變形的主要原因是組織轉變帶來的體積變化以及內部應力變化。

2)為減小金剛石圓鋸片基體淬火過程中的變形量,要嚴格控制原材料的質量,熱處理前要對其化學成分、金相組織、脫碳層和夾雜物等進行檢驗;要制定合適的熱處理工藝,合理劃分各個溫區和溫度參數,采用預熱和緩慢加熱減少內部應力變化;要選擇合適的淬火介質以及定期維護檢驗,保證其工藝符合性;同時也可以從設備爐溫均勻性以及不同淬火方式進行控制。

3)在實際淬火過程中,要從關鍵點和細節控制及優化,從而減小金剛石圓鋸片基體淬火變形量,降低后續工序的加工難度,提升訂單快速交付能力,同時進一步提升產品品質,促進石材行業高質量發展。