大家知道搓丝板吗~搓丝板是用于加工丝锥、螺栓的专用刀具,其齿形大部分都采用滚针冷滚压成形。热处理后不再加工,工作时齿部要求能承受剧烈的冲击载荷和挤压应力的作用。其寿命的高低和质量的好坏直接影响加工出来的丝锥、标准件等工件的精度,同时对生产进度带来重要影响。因此,搓丝板的加工质量显得尤为关键。从失效分析可知,热处理无疑是最关键的影响因素。

一、搓丝板材料及其技术要求

GB/T972《搓丝板》标准规定搓丝板采用9SiCr、Cr12MoV钢制造,工作部分的硬度为59～62HRC,若>62HRC易崩齿,<59HRC易磨损;淬火马氏体<3级;工作表面不应有脱碳和降低硬度的地方;搓丝板表面不得有裂纹、刻痕、锈迹和磨削烧伤等影响使用性能的缺陷。

搓丝板的结构型式有活动搓丝板和固定搓丝板两种,如图1所示。

                   左)活动搓丝板                          右)固定搓丝板

二、搓丝板热处理工艺

根据加工对象,选用合适的搓丝板材料,有针对性地进行热处理,这样才能制造出高质量、高寿命的刀具。以下按搓丝板用材分别介绍比较适用、稳定的热处理工艺,供同行们参考。

1. 9SiCr钢搓丝板热处理

搓丝板是搓制外螺纹刀具,工作时齿部受强烈冲击载荷和挤压应力,通常以磨损或疲劳失效。要求热处理后在齿根下3～5mm之内硬度58～61HRC;淬火马氏体<3级;齿面不容许脱碳;齿面变形在公差范围内。一般在充分脱氧的盐浴中进行淬火,热处理工艺如下。

(1)绑扎

根据经验,将两块工件背靠背绑扎在专用的淬火夹具上。

(2)淬火

860～870℃×0.4～0.5min/mm,≤M6规格淬170～180℃硝盐,>M6规格淬60～90℃油,油冷至200℃左右出油空冷。

(3)回火

210～230℃×2～3h硝盐回火,回火后硬度59～62HRC。

2. Cr12MoV钢制弧形搓丝板微变形淬火

在仪器仪表行业,需要大量的几毫米螺钉,对这些螺钉的变形量要求很严,只允许≤0.01mm。这就对弧形搓丝板提出了更高的要求:变形小、硬度高、耐磨性好。为此,选用Cr12MoV钢制造搓丝板,热处理工艺如下。

(1)淬火前的准备

用多层报纸将搓丝板包好(不可用铁丝扎,以防加热时腐蚀搓丝板),使搓丝板表面光洁。然后将搓丝板装入小铁盒内,四周用细木炭粒填满压实,上面用黄泥巴密封,按固体渗碳要求作好准备,最后入箱式炉加热。

(2)淬火加热

搓丝板对热硬性无要求,但耐磨性一定要高,因此选择淬火加热温度以确保淬得高硬度为前提,采用较低的980℃加热淬火。

(3)冷却 

出炉后迅速取出工件,冷却时,搓丝板上下平面用黄铜板压冷,同时在外面外工作面吹微量压缩空气,待冷至500℃左右时入油冷。注意,此时仍用黄铜板夹持续冷,铜板的厚度一般为12～15mm。

(4)回火

170～180℃×2h×2次油中回火。亦可采用硝盐回火,但在回火前必须去油。

经上述工艺的弧形搓丝板硬度可达65HRC,而且韧性很好,变形量≤0.007mm,搓丝10万次以上都未发现裂纹和磨损,寿命超过15万次。

3. Cr12MoV钢制螺钉搓丝板盐浴淬火

Cr12MoV钢工具盐浴淬火一般由两种工艺:即低淬低回(1020～1030℃加热淬火,180～200℃回火)和高淬高回(1100～1120℃加热淬火,500～520℃回火)。本工艺不同于前两者,采取不高不低的淬火温度,高温回火。操作程序如下。

(1)预热

经400～500℃烘干后进入820～850℃的中温炉中预热,加热系数取30～40s/mm。

(2)加热

高温炉加热,要经充分脱氧捞渣,1040～1050℃×15～20s/mm。

(3)冷却

Cr12MoV钢加热淬火在500℃左右有一个奥氏体比较稳定的区域,在此区域保持很长的时间,奥氏体也不会发生转变。鉴于此,采取分级等温淬火:即在580～620℃中性盐浴中分级3～5min,立即转入250～280℃硝盐中等温30～45min。

(4)回火

500～520℃×2h×2次硝盐中回火。

经上述工艺处理的搓丝板变形小,硬度59～60HRC,使用寿命较常规处理高。

4. Cr12MoV钢制搓丝板真空淬火

Cr12MoV钢制M2.5搓丝板用于搓自行车幅条螺纹,长期采用盐浴淬火,硬度比较低、脱碳易变形,最高寿命为12万件。采用1030～1060℃真空淬火,120～150℃×5～6h真空回火后,硬度高,畸变小,平均寿命68.85万件,较盐浴处理寿命提高4倍多。

5. Cr12钢搓丝板高温快速加热淬火

Cr12钢制工具,一般采用960～980℃盐浴加热淬火,为了改善基体的韧性和细化晶粒,高温盐浴快速加热用于搓丝板热处理获得了成功。试验证明,常规工艺处理的搓丝板使用寿命一般在54万～55万件,而高温快速加热者寿命为145万～154万件,寿命提高近3倍。热处理工艺为:

(1)预热

400～500℃烘干后820～850℃×2～3min预热。

(2)加热

1080℃×100～200S(视具体产品而定)加热。

(3)冷却

50～80℃热油中冷却。

(4)回火

去净油渍,在230～240℃×2h硝盐中回火。

高温快速加热为什么能提高搓丝板的寿命?一般认为是由于高温快速加热时,碳化物不均匀溶解、奥氏体中平均含碳量降低、奥氏体成分也不极不均匀,故淬火后可得到部分的低碳马氏体,同时在原先碳化物周围和奥氏体晶界处,由短时间(100～200s),碳来不及扩散,形成碳含量高的奥氏体。淬火后,韧性高的残留奥氏体呈膜状连续分布于碳化物的周围和晶粒间界处,这就有助于强度和韧性的提高。

6. Cr12钢制搓丝板渗钒复合处理

目前在各种化学热处理中渗钒是获得表面高硬度和高耐磨性的方法之一。物理气相沉积的优点是处理温度低,工件变形小,但设备成本昂贵;化学气相沉积所用的设备也较贵较复杂,且处理温度高,工件变形大;利用熔盐法渗钒是在工件表面形成钒的碳化物覆盖层,其优点是设备简单,操作方便,无公害。渗钒通常采用在盐浴中加入钒铁粉末的方法,但成本较高,工艺又较复杂。以下介绍的是硼砂盐浴渗钒工艺在Cr12钢搓丝板上的应用。

渗钒处理是在自制的盐浴炉中进行,熔盐为无水硼砂,渗剂为V2O5粉末。待盐完全熔化后再加入少量铝粉,经充分熔化后加热到950℃,把经过强韧化处理过的试样和工件放入炉中并保温3.5h和4.5h后出炉。为了简化工艺,进行了试样经过1050℃淬火+680℃回火后直接入950℃盐浴中渗钒的试验,基体经强韧化处理和渗钒复合处理后,其力学性能如表1所示。

表1  Cr12钢经不同热处理工艺后的力学性能

试样经过表面强化后晶粒明显细化,力学性能得到明显改善。渗钒处理后的表面得到7～12μm厚的白亮层,成分主要是VC化合物,其主要原因是Cr12钢基体含碳量较高,所以渗钒时能充分供给碳有利于VC的形成。

Cr12钢搓丝板经强韧化+渗钒复合处理后能获得很高的耐磨性,一是表面的硬度高(2800～3000HV),另外基体强度和硬度也很高,渗层和基体结合牢固,在实际磨损条件下渗层不易脱落,所以耐磨性得到显著提高。

经实践考核,经渗钒复合处理的Cr12钢搓丝板较常规处理寿命提高3～4倍。

7. T8钢制搓丝板热处理

铁路螺纹道钉(M24×195)是由Φ20mm的Q235A钢经冷镦挤后在搓丝机上搓制而成。搓丝板外形尺寸为350mm×100mm×70mm,其工作时承受较高的挤压应力、一定的冲击力、弯曲力和强烈的摩擦力等机械作用。因此搓丝板应具有较高的变形抗力、断裂抗力、耐疲劳和耐磨损性能,以防止在使用过程中出现早、中期脆断、软塌、疲劳断齿和磨损失效。要求硬度58～62HRC。

搓丝板一般选用9SiCr或Cr12型钢制造,但也有不少单位就地取材,用T8钢制作。因T8钢具有价廉、实用、成本低、来源广和工艺性能好等有点。以下简介T8钢搓丝板盐水一发蓝液分级淬火工艺。

(1)原工艺

790℃×2h箱式炉保护加热,水淬油冷,180℃×2h回火,表面硬度可达55～62HRC,使用寿命只有2000～3000件,主要失效形式是软塌、崩齿、疲劳断裂和中期磨损。为此,必须进行工艺改革。

(2)改进后的工艺

600℃×2h预热(工作面涂硼酸保护)后迅速转入处于保温状态(≥900℃)的另一台箱式炉中,进行830℃×35min淬火加热,入炉总时间控制在50min以内。淬入10%(质量分数)NaC1水溶液35s(按1s/2mm)计。从盐水中取出,待搓丝板表面烘干盐水蒸发,温度为300～400℃时,立即投入140℃沸腾的发蓝液中等温30min,空冷至表面约70℃时,再进行160℃×1h+240℃×2h回火处理。

按上述工艺处理的搓丝板表面呈浅褐色,硬度59～61HRC,齿根下5mm处硬度59HRC,硬度较均匀,使用寿命1万～1.5万件,较原工艺提高2～4倍。

8. 6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)钢制干壁钉搓丝板热处理

随着机电、建筑、仪表、塑料行业的发展,国内外对干壁钉的需求量急剧增加,但是,我国加工干壁钉的搓丝板基本上依赖进口。每年不仅要消耗大量外汇,而且进口周期长,跟不上干壁钉规格品种的变化,直接影响生产厂家的正常生产与发展。目前,该刀具还未国产化,其原因之一是搓丝板形状复杂,机械加工难度大;另一方面我国自行设计制造的Cr12MoV、9SiCr搓丝板使用寿命低,而采用65Nb钢制造的干壁钉搓丝板经多种热处理和表面强化,使搓丝板的使用寿命完全达到甚至超过进口同类产品。

干壁钉在自攻钉中属成形难度高、塑性变形大的品种。螺纹和螺尖由搓丝板一次挤压搓制成形,属无切削加工。搓丝板的入料部位齿形较锋利,此处刀板受磨损冲击和接触应力最大,早期的崩齿失效以及正常的磨损失效均发生在此部位。干壁钉是在挤压、揉搓、摩擦、剪切过程中瞬间成形的,另外,搓丝板的工作速度较快,齿面还要承受冲击力的作用,钉坯大量塑变以及摩擦产生的热量使搓丝板的表面温度达200℃左右。从受力情况分析,搓丝板在服役过程中承受复杂的应力和冲击,所以要求其必须有高硬度、较高的接触疲劳强度和耐磨性、足够的韧性和一定的抗回火稳定性。在制订热处理工艺前,先对日本、韩国、意大利等国外搓丝板进行化学成分、金相组织等进行分析,大多采用M2、Cr12MoV钢制造,表面硬度为61～63HRC,使用寿命约100万件/副。选用65Nb钢作搓丝板,热处理工艺如表2所示。

表2  65Nb钢搓丝板热处理工艺

注:未注明淬火温度为1140℃;回火工艺皆为540℃×1.5h×2次。

对以上几种工艺能提高65Nb钢搓丝板寿命进行分析,得出初步结论:

(1)真空热处理与盐浴炉加热淬火相比,搓丝板的使用寿命明显提高。因为真空加热缓慢均匀,且高压气淬,不仅变形小,而且无氧化,可获得光亮洁净的表面,从而明显地改变了搓丝板的表面质量。最终淬火温度定格在1140℃,可获得板条马氏体和孪晶马氏体组织,经540℃回火后,析出细小弥散的碳化物,强韧性好,搓丝板使用过程中均为正常磨损,无早期崩刃现象。

(2)经淬火+氧碳共渗+回火后,可获得高强韧性的复合组织,降低了表面摩擦因素,提高了耐磨性,同时改善了表面应力状态,提高了接触疲劳强度,所以能提高寿命。

(3)电子束加热淬火是较新的表面强化工艺,特点是加热及冷却速度极快,处理的效果不错,但由于热处理成本高,因而推广起来有一定难度。

综上所述,选用65Nb钢制作搓丝板,不管是盐浴处理,还是真空淬火,以及其他表面强化,都能使其高寿命。

9. GW30钢结硬质合金制搓丝板热处理工艺

用GW30钢结合金制作搓丝板使用寿命较原Cr12钢搓丝板提高7倍,被加工工件螺纹半角的表面粗糙度提高到Ra=1.6μm。用GW30钢结硬质合金制造的搓丝板,用来加工JL650型胶轮车辐条,辐条材料为Q235钢。热处理工艺简介如下:

经500℃×2h空气炉去应力,960℃×4min/mm加热,淬60～80℃热油,160～180℃×2h回火。热处理后硬度60～65HRC。

三、搓丝板热处理操作要领

(1)盐浴炉必须充分脱氧捞渣,高温炉氧化钡含量≤0.25%。

(3)将淬火介质温度控制在理想的范围内。

(4)淬火夹具非常重要,一定要合适,变形夹具要及时修整。

(5)坚持淬火首件检验制度,包括硬度、金相、变形等。

(6)冷透方可清洗回火,回火温度要准确,最好设双控温装置。

四、影响搓丝板寿命的因素

搓丝板寿命受一系列因素的影响,概括可分以下4个方面。

(1)材料

包括两大方面,即搓丝板材料和被搓制材料。国家标准虽只规定9SiCr和Cr12MoV两种钢号,但用65Nb制作搓丝板寿命非常高,国外也有用M2等HSS钢制作的搓丝板取得高寿命的,还有不少材料也适合制作搓丝板的,人们应该大胆去试验。被搓制材料也是错综复杂的,我们应该认真研究。

(2)热处理

热处理无疑是影响搓丝板寿命最重要的因素,不同材料,不同用途的搓丝板热处理工艺应该个性化。

(3)机械加工尺寸精度对搓丝板的寿命影响明显。

(4)使用条件

即取决于滚压设备的状况和滚压毛坯的硬度以及润滑冷却液的种类。同时也取决于毛坯形状的实际偏差以及尺寸,特别是螺钉头部的倒棱与否。

作者：赵步青，常州精密钢管博客网整理。