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东华大学硕士论文高速钢化纤切断刀表面化学热处理的研究 高速钢化纤切断刀表面化学热处理的研究 摘要 化纤切断刀是切断机上的关键性损耗零件，其耐磨性和制造成 本对化纤的切断费用有重要影响。目前，对化纤切断刀的研究主要 在改进切断刀材质和制造工艺方面。本课题对高速钢材质的化纤切 断刀表面化学热处理进行研究，并探讨高速钢化纤切断刀化学共渗 工艺和渗层性能，旨在研制高性能价格比的化纤切断刀并为其在实 际生产中进一步推广应用打下良好的基础。本研究采用理论分析与 实际试验相结合，处理后的高速钢化纤切断刀投入生产实践考核。 本研究课题的主要工作和结果如下：采用通用型高速钢 w 9 m 0 3 c r 4 v 钢作为化纤切断刀的基体材料，通过以渗氮为基础的 化学共渗处理进行表面强化。利用正交试验法，用滴注式气体共渗 管式炉对高速钢化纤切断刀进行多元共渗处理，并研究了渗入元素 配方、共渗温度、保温时间和催渗剂等工艺因素的影响，经过重复 实验和刃磨比较，设计出适于高速钢化纤切断刀的化学共渗处理工 艺。将该工艺处理的切断刀在化纤厂进行应用性实验，获得成功。 关键词：高速钢 正交试验 化纤切断刀多元共渗 工艺参数 l n v e s t i g m i o no i lt h et h e r m o - c h c m i c a l t r e a t m e n to f h i g hs p e e ds t e e l 旦! ! g 坚! ! ! ! 生! 堡! 壁! 坐：! g 曼! 型! 垒! ! ! 竺! ! 型! ! ! 竺 i n v e s t i g a t i o no nt h e t h e r m o c h e m i c a lt r e a t m e n to f h i g hs p e e d s t e e lc u t - o f fb l a d e sf o rc h e m i c a lf i b e r s a b s t r a c t c u t o f fb l a d ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt h ec u t - o f f m a c h i n ef o rc h e m i c a lf i b e r s t h ew e a r r e s i s t a n c ea n dc o s to ft h e b l a d eh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ec o s to fc h e m i c a lf i b e r sc u t t i n g a tp r e s e n t ，m o r ea t t e n t i o nw a sj u s tp a i dt o i m p r o v et h em a t e r i a l a n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h ec u t o f fb l a d e t h i si n v e s t i g a t i o n i sc o n d u c t e df o rt h ep u r p o s eo fu s i n gt h e r m o - c h e m i c a lt r e a t m e n t f o r d e v e l o p i n g ak i n do fb l a d ew i t h g o o dr a t i o o fp r o p e r t ya n d c o s t c o m b i n e dp r a c t i c a l e x p e r i m e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s t o o kt h eb l a d eh a r d e n e di n t op r a c t i c ea n dc h e c kt h ef i n a le f f e c t ， a b o v em e t h o dw a sa d o p t e di nt h i sp a p e r s t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：11g e n e r a lh i g h s p e e ds t e e lw 9 m 0 3 c r 4 vi su s e da st h es u b s t r a t em a t e r i a lo fc u t 一 0 f fb l a d e a n dt h eb l a d es u r f a c ei st r e a t e d b y m u l t i e l e m e n t s p e n e t r a t i n gb a s e do nn i t r i d i n g ；2 ) o r t h o g o n a la n a l y s i sw a sc a r r i e d o u to nt h et h e r m a lt r e a t m e n to ft h eb l a d em a d eo fh i g hs p e e ds t e e l i nat u b ef u r n a c e ，i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r ss u c ha sd r o p p e da g e n t ，t r e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t i m ea n d c a t a l y z e r ；3 ) c o m p a t i b l ep r o c e s s i n go f m u l t i - e l e m e n t sp e n e t r a t i n g w a sd e s i g n e da f t e rr e d u p l i c a t et e s t sa n dg r i n d i n gc o m p a r i s o n t h e p r a c t i c a lt e s t i n ge x p e r i m e n t i nt h e c o m p a n y s h o w e dt h a tt h e m u l t i e l e m e n t sp e n e t r a t e db l a d ei sa b l et ow o r k r e l i a b l y l u oy i l a n ( m a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f d r z h us h i g e n k e y w o r d s ：h i g hs p e e ds t e e l ，c u t o f f b l a d e sf o rc h e m i c a lf i b e r s ， m u l t i e l e m e n t sp e n e t r a t i n g ，o r t h o g o n a la n a l y s i s ， p r o c e s s i n gp a r a m e t e r 第一章绪论 第一章绪论 第一节选题背景 进入2 0 世纪9 0 年代后，世界化纤工业发展迅速，新建生产装 置不断增加，产量也不断增长：2 0 0 0 年的世界化纤产量比1 9 9 9 年 增加6 1 ，达2 8 ，2 0 0 k t ，占纤维总产量的5 7 t 。同时化学纤维 的消费量也在持续增长，据预测2 0 0 3 年的世界化学纤维消费量将 达3 7 ，8 0 0 k t t 2 1 ，其中中国是涤纶短纤维的最大消费国 3 1 。在消费需 求的促进下，世界化纤生产技术向大型化、高速化、自动化、柔性 化方向发展。为了较大幅度降低生产成本和提高产品附加值，以获 得最佳经济效益并占领市场，就必须依赖于加工工艺和与之配套的 设备的开发和应用。 切断是加工化学短纤维不可缺少的工序。经过拉伸、卷曲和烘 燥定型处理后的连续丝束，由切断机切成规定长度的短纤维，然后 在纺织加工中与天然纤维或其他纤维混纺。目前，以切断丝束的分 特( d t e x ) 数来衡量短纤维切断机的生产能力，一般为( 5 0 6 0 ) 1 0 4 d t e x ，最高达4 5 0 x1 0 4 d t e x ， 纤维切口整齐、无熔融粘连现象， 和良好的抗磨损性能。 切断速度为4 7 3 m m i n “1 。为保证 要求切断刀有较高的刃口锋利度 作为一种损耗零件，切断刀的性能和成本对化学短纤维的加工 成本及企业在市场经济条件下的生存能力和其产品在国际市场上的 竞争力有一定影响。因而，国内外较为重视对切断刀的研究改进。 第二节化纤切断刀的发展概况 一化纤切断刀使用的工况条件与性缝要求 化学纤维的切断过程是靠切断刀和丝束相互接触运动来完成 的，实质上是切断刀施力于纤维而使其变形的结果，当纤维变形到 一定程度后即行断裂。切断时，将丝束切断所需要的主运动和使丝 第一章绪论 束连续地投入切断的辅助运动( 或喂丝运动) 都是由切断机来完成 的。切断机的类型较多，不同类型的切断机对切断刀的要求不尽相 同。下面结合生产中应用最广的沟轮式切断机和压轮式切断机这 两种切断机的切断原理，简要分析一下切断过程对切断刀提出的性 能要求。 沟轮式切断机是靠一对沟轮上的两对齿尖顶住，构成两个握持 点，丝束由刀切割，刀具不仅有垂直于纤维束的压切力，还有沿纤 维束表面滑行的纵切力，这样纤维受到的切断力大，容易被切断。 其工作原理如图1 1 所示。 图1 - 1 掏轮式切断机 i 沟轮2 回转刀盘 可见，此种机型是依靠刀盘带着切断刀冲击丝束而切割丝束， 机构工作稳定性较差，而且切割丝束带来的冲击性随丝束总纤度的 加粗而增加，不仅使刀具磨损增加，影响刀具的使用寿命，还使切 断短纤维的长度偏差增大。因而，这种切断机使用的切断刀除必须 具有较高的锋利性能和耐磨性外，还必须具有足够的强度、韧性。 压轮式切断机是为适应大容量、高速度和连续运转的需要而研 制的，它是靠丝束本身层层向转轮上圈绕，外层向内层施加压力来 握持的。切断时，丝束两端被握持而固定，刀刃平面垂直纤维轴线 进行切割运动，丝束圈绕的张力产生压力，切断能力大、速度高、 质量好，切断时刀口不发热，刀片不受过大冲击力，使用寿命长。 工作原理如图l - 2 所示。 第一章绪论 图1 2 压轮式切断机 1 丝束2 张力装置3 刀盘4 压轮5 切断刀 压轮式切断机中切断刀本身既是纤维的切割点，又是纤维的握 持点，因此，切断刀的尺寸精度要求较高。在切割的纤维类型和加 工纤度相同、张紧力和压力相同的条件下，切断刀对纤维的切割力 小于沟轮式切断机，所以，刀具的锋利性也要求较高。 不论是哪种切断机，切割纤维时，切断刀直接与丝束接触，丝 束的情况对切断刀的失效起决定作用：为了增白和消光，通常在化 纤丝束中添加了t i 0 2 粒子，切割这种消光和半消光的纤维时，这 些细小而坚硬的钛颗粒对切断刀刃口产生磨粒磨损，刃口很容易被 磨钝导致失效；而且由于切断刀的刀刃极薄，切割纤维时在刃口上 作用着非常大的压力，摩擦力很大，刃口在强烈的摩擦作用下也会 变钝进而失效”】。因此切断刀刃口部分应当锋利性好，硬度高，耐 磨性好，以及具有一定的韧性、不崩刃：刀体部分要求强度高，韧 性好。对压轮式切断机用切断刀而言，还应有较高的尺寸精度。 二 化纤切断刀的发展 围绕着化纤切断刀，就如何提高刀具寿命、降低化纤生产成 本、提高其性能价格比，国内外进行了大量的研究和改进工作， 主要集中在以下两方面： 1 改进切断刀材质，提高使用寿命 刀具材料对于切断刀的使用寿命和一次刃磨后的使用时间有很 大影响。为了提高切断刀的使用寿命，国内外对切断刀的材料进行 第一章绪论 了大量的研究。表1 1 列出了几种材料的切断刀在v d 5 4 4 切断机 上的使用效果。 表1 一l 切断刀材料及使用效果l 材料 加工纤度平均使用时间 ( 牌号及硬度) ( 1 0 4 d t e x )( h ) c r l 2 m o v涤纶有光纤维3 4 8 ( h r c 5 2 - 5 5 ) 涤纶半消光纤维3 4 2 w 6 m 0 5 c r 4 v 3 涤纶半消光纤维3 2 5 1 2 r h r c 6 8 ) c 0 5 s i 涤纶短纤维丝3 2 2 4 f h r c 6 9 - 7 0 ) y g 2 0 硬质合金 涤纶半消光纤维7 3 5 1 0 f h r c 6 8 7 0 ) y s 2 硬质合金 涤纶半消光纤维 7 2 ( h r a 9 1 5 ) 国内早期使用的切断刀材料为c r l 2 m o v 【6 1 ，是一种常用的模 具钢，在v d 5 4 4 切断机上使用，硬度为h r c 5 2 5 5 。切割含有 0 5 t 1 0 2 粒子的涤纶半消光纤维时，每个工作班需几次磨刀，劳 动强度大，生产效率低，频繁换刀还可能造成生产质量的不稳定。 因此现在已基本被淘汰。 与c r l 2 m o v 相比，高钒高速钢组织中存在高度弥散、稳定的 v c 硬质点。弥散强化提高了基体硬度，稳定的v c 硬质点大大提 高了材料的耐磨性。如果在高钒高速钢中加入硅和铝可提高钢的硬 度和耐磨性；加入铌可与碳强烈形成弥散细小的碳化铌，能够有效 阻止晶粒长大。用 b 2 0 1 ( w 6 m 0 5 c r 4 v 5 s i n , b a l ) 及 b 2 2 3 ( w 4 m 0 7 c r 4 v 4 s i n b a l ) 制成的切断刀，基体硬度高( h r 琶6 6 6 8 ) ，刃磨一次可以工作2 3 个班次，平均磨刀一次的切割时间和 切丝量均为c r l 2 m o v 切断刀的5 - 6 倍【4 1 。 含钴的超硬高速钢m 4 2 ( w 2 m 0 9 c r 4 v c o s ) 属钼系超硬高速 钢，具有高的硬度，最高可达h r c 6 9 7 0 ，由于含钒量少，磨削性 好，刀刃可磨得很锋利。c 0 5 s i ( w 1 2 m 0 3 c r 4 v 3 c 0 5 s i ) 是低钴超硬 高速钢，与m 4 2 钢比较，可节约6 6 6 m o 和3 7 5 c o ，常温硬度 ( 最高可达h r c 6 9 7 0 ) 和耐磨性都很高。加工涤纶短纤维丝3 2 第一章绪论 1 0 4 d t e x ，切削速度1 5 0 m m i n ，每次刃磨可用2 4 小时，m 4 2 钢可 用8 小时，而c r l 2 m o v 只能用2 小时。但由于钴是稀缺昂贵材 料，此种牌号材料价格较贵【6 1 。 。 现在国内使用的涤纶短纤维切断刀多用亚细晶粒硬质合金和超 细晶粒硬质合金制造，具有刃口锋利、使用寿命长等特点，但成本 也很高。 用亚细晶粒硬质合金y g 2 0 ( w c 8 0 、c 0 2 0 ，h r c 6 8 7 0 ) 制成 切断刀切断涤纶半消光纤维( 7 3 5 1 0 4 d t e x ) ，刃磨一次可连续使用 1 0 小时。 超细硬质合金的w c 粒度在o 2 1 l a m 之间，大部分在o 5 1 x m 以下，是一种高强度、高硬度兼备的硬质合金。此外，由于晶粒极 细，磨削刃口半径可达3 t x m ，可以磨得非常锋利、光洁。我国自行 研制的材1 3 ( 8 5 w c ，2 t a c ，0 4 3 c r 3 c 2 ，1 3 c o ) 的平均晶粒 为o 3 5 0 4 3 p m ，抗弯强度达2 3 g p a ，密度为1 4 1 9 c m 3 ，硬度 h r a 9 l ，可以取代进口的硬质合金刀具( 每个刀盘6 5 把切断刀， 价格1 万美元) 6 1 。又有用y s 2 ( c o l o ，c r 3 c 2 0 5 ，w c 其余) 制 成切断刀切割半消光涤纶纤维，平均使用时间达7 2 小时，这种切 断刀在大型化纤企业中得到了广泛应用1 7 。不过，该种材料成本 高，加工难度大，刀具价格昂贵。 可见，超细硬质合金切断刀的耐用度明显高于c r l 2 m o v 及高 速钢，但是它含有稀缺的c o 等战略资源，因而价格昂贵。 2 改进制造工艺，降低切断刀成本 为了改进制造工艺、降低制造成本，许多学者在研究高性能 价格比的切断刀方面进行了有益的探索，代表性工作介绍如下。 将钴基耐磨合金堆焊于l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢刀体上，可以制成 复合式切断刀。但焊接后刀片容易变形f 8 1 ，成品率不高。 第一章绪论 也有用4 5 号钢和6 5 m n 作切断刀基体材料，在其刃口部位激 光熔覆c o w c 粉，但由于激光熔覆后，切断刀刃口存在无法消除 的气孔缺陷，刃口磨削后常会出现缺口1 9 1 。 德国某刀具公司采用钢带自动化磨削加工工艺，大批量生产含 1 6 c r 的不锈钢切断刀，加工成本降低，刃口通过物理气相沉积 3 5pm 的t i n ，t i c 或t i c n 涂层来保证其耐用度【1 0 1 。存在的问题 是涂层造成刃口半径增加，降低刃口锋利度。某企业在试用进口涂 层切断刀切割纤维时，发生了严重的粘连，无法正常生产。 将y s 2 超细硬质合金化学粘接于碳素钢刀体上，经金刚石砂轮 磨削可以制成刀刃接合式切断刀】。尽管此类刀具的性能达到要 求，但使用者心理上短期内还不能接受，故未得到广泛应用。 通过改进加工制造工艺，研制高性价比切断刀的工作尚处于探 索阶段。刀片变形、气孔以及粘连等缺陷是制约这方面研究进展的 主要障碍。改进化纤切断刀制造工艺的研究工作仍有待进一步加 强。 三 化纤切断刀发展的可能途径 根据切断刀刀体韧，刃口耐磨、不崩刃的要求，作者认为采用 价廉的强韧基体材料，进行适当的表面强化处理，是实现提高切断 刀性能要求及其使用寿命，同时降低其成本，进而提高性能价格 比的可能途径。 第三节表面化学热处理的原理与应用简介 表面【1 2 】是材料及其制品与环境的界面，是整体材料中一个很特 殊的局部。根据材料学与工程中成分和制备工艺一组织结构一性能 三个要素之间的关系，表面工程技术定义为通过改变基体材料表面 化学成分或者采用某些工艺改变基体表面的组织结构并获得相应性 能要求，以满足使用性能要求的工程技术。改变基体表面组织结构 有两种途径：一是不改变表面化学成分，仅通过某种工艺方法，使 第一章绪论 其组织结构发生变化，如表面相变硬化；二是改变表面化学成分， 使其组织结构发生相应变化，如在原基体化学成分基础上添加合金 元素的表面合金化( 各种化学热处理及激光表面合金化) 和在原基 体表面涂覆其他材料( 电镀、气相沉积、激光熔覆等) 。 对于机械零件和工具，表面技术主要起表层强化作用，可称之 为表面强化技术【1 2 。22 1 。表面强化技术是以提高金属材料表面硬度、 耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化性为目的的表面技术。材料采用表面 强化技术，提高机械零件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高产品质 量、节省材料、节省能源，对于国民经济的可持续发展有十分重要 的实际意义。 表面技术可归纳为表面涂镀、表面改性和表面处理三个方面： 材料表面技术 f 涂镀金属 表面涂镀1 涂镀非金属f 妻襄鎏墨 篱蓑：层， 表面处理 表面改性是指改变基体金属材料表面层的化学成分，以达到改 变金属结构和性能之目的。化学热处理是应用最多、最广泛的表面 改性技术，在表面技术领域占着十分重要的地位。金属的化学热处 理是把工件放在一定的活性介质中加热，使活性物质的原子( 金属 或非金属) 渗入工件表层中，改变其表层化学成分的热处理工艺。 通过化学热处理或它和其他热处理工艺的组合，可以在同一种材料 的工件上使心部和表层具有不同的组织结构和性能。可见，化学热 处理在提高工件质量和服役期限，甚至是用不同金属材料取代优质 材料或特种材料方面具有重要的意义。因此，化学热处理在国内外 受到广泛的关注和研究应用。 化学热处理工艺分类方式有许多种，按渗入元素的数量，可以 将它分为单元渗和多元共渗；按渗入元素的类型，可分为渗入非金 属，如c 、n 、b 等；渗入金属，如a 1 、c r 、t i 等。表1 2 是常用 化学热处理方法及其用途。 表1 - 2 常用化学热处理方法及其用途” 处理方法渗入元素用途 渗碳 c 提高耐磨性、硬度及疲劳强度 氮化 n 提高耐磨性、硬度、疲劳强度及耐磨性 碳氮共渗c 、n提高耐磨性、硬度及疲劳强度 渗硫 s 减少摩擦、提高抗咬合性 硫氮共渗 s 、n 减摩、提高抗咬合性、耐磨性及抗疲劳性 硫氰共渗 s 、c 、n减摩、提高抗咬合性、耐磨性及抗疲劳性 渗硼 b 提高硬度、耐磨性及耐腐蚀性 渗硅 s i 提高耐腐蚀性、耐热性 渗铝 a l 提高抗氧化及耐含硫介质的腐蚀性 渗铬 c f 提高抗氧化、耐腐蚀及耐磨性 铬铝共渗c r 、a l 提高抗含硫介质腐蚀、抗高温氧化和热疲劳性 硼硅共渗b 、s i 提巍硬度和热稳定性 铬硼共渗c r 、s i 提高耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性 在各种化学热处理中渗碳的历史最悠久，至少可追溯到两千多 年前的战国时期。近半个世纪以来，渗碳技术由传统的固体渗碳、 液体渗碳、气体渗碳发展成为包括可控气氛渗碳、真空渗碳、离子 渗碳等工艺在内的一个比较完整的单元渗系列技术。除渗碳外，渗 氮、渗硼、渗硅、渗金属及c n 、b n 、b a l 、c 卜a l 等二元共渗 及其他多元共渗层的性能，在硬度、耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性 能方面各有所长，可供使用性能要求不同的零件选择。 近几十年来，化学热处理的发展及今后的发展趋势仍然是提高 渗速和多元共渗( 工艺及渗层性能) ，以及降低某些工艺( 如渗 硼、渗铬) 的温度，以扩大应用范围。加快化学热处理的途径，一 是化学催渗，二是物理场强化。我国稀土资源丰富，添加稀土催渗 在某些化学热处理工艺中已有成效，其机理及作用的普遍性或适用 规律还需深入研究。物理场强化，例如等离子体用于渗氮，及离子 渗氮，其渗层质量和渗速明显高于普通气体渗氮。国外离子渗氮技 术2 0 世纪8 0 年代已趋成熟。我国对离子渗氮的研究也有近3 0 年 的历史，全国已拥有离子渗氮炉千余台，但工艺稳定性和设备( 测 温、炉温均匀性等) 还需进一步的完善。 第一章绪论 本课题拟采用化学热处理对高速钢化纤切断刀进行表面强化， 这在国内外还未见报道，作者将要利用的多元共渗处理和化学催渗 方法也正是化学热处理工艺的发展方向。 第四节研究内容及意义 由前述可知，化纤切断刀的性能要求刃口部分锋利无缺陷，硬 度高、耐磨性好；刀体部分强度高，韧性好。为了改善切断刀质量 和提高服役期限，需要用廉价的金属材料取代含有战略意义金属的 硬质合金以取得好的性价比，本课题拟利用高速钢价格低等特点， 采用化学热处理的方法，对高速钢切断刀表面进行强化处理，并对 化学热处理工艺以及化学渗层的性能进行研究。 本课题的具体研究内容为： ( 1 )进行化纤切断刀材质的选择，并根据切断刀使用性能选 用适合的表面强化处理方法； ( 2 )利用正交试验方法优化高速钢气体共渗处理工艺； ( 3 )研究工艺参数对渗层质量的影响； ( 4 ) 通过重复实验和刃磨比较，确定最优工艺； ( 5 ) 利用生产应用试验验证气体共渗处理工艺的可行性。 本课题的研究目标和意义在于：通过试验，获得高速钢化纤切 断刀化学热处理的最优工艺及工艺参数，系统地研究化学热处理工 艺参数对渗层质量的影响，以期得到高的显微硬度、足够的渗层厚 度，提高高速钢切断刀的使用寿命，为新型切断刀在实际生产中的 使用奠定基础。切断刀寿命增加，可减少更换刀盘的次数和时间， 因而降低了劳动强度，减少了生产中的辅助工时和消耗；使用高速 钢做刀具材料使化纤切断刀的性能价格比提高，从而降低了产品成 本，节约了战略资源。所以选用廉价的高速钢为化纤切断刀的刀具 材料并用化学表面热处理方法延长刀具寿命，对提高化纤生产效 率、降低成本、实行增产节约极为重要，具有普遍的社会意义和现 实的应用意义。 墨= 童竺丝 一 本研究在东华大学原有基础上进行，各部分之间关系如图卜3 所示。 化纤切断刀的材 高速钢化学热处高速钢化纤切断 质及表面化学热 理工艺优选试验刀化学共渗工艺 处理方法的选择研究 ( 第二章) ( 第三章)( 第四章) 上00 化学热处理的高速钢化纤切断刀 的生产应用试验 ( 第五章) 图1 0 3 备部分之间的关系图 1 0 第二章化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 第二章 化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 第一节引言 随着机械加工工业的发展，高精度复杂刀具的应用越来越多。 对于结构复杂、制造精度要求高的切削刀具，机械加工费用占刀具 成本的比例很大，而材料和热处理所占比例仅为1 5 3 0 。随着刀 具精度的提高，这部分比例会进一步降低。因此，发展和应用高性 能材料可以提高刀具的性能，价格比，提高加工的经济效益。与这 种情况不同，尽管化纤切断刀的精度要求很高，特别是刃口部分的 加工需要专门的技术和设备，但其形状毕竟是简单的薄刃刀片。目 前使用的超细硬质合金化纤切断刀，其材料制备的费用在刀具成本 中占很大的比重。因此，选用低价格的刀具材料，通过费用不高的 热处理和表面强化工艺，提高化纤切断刀的使用性能，是新型化纤 切断刀研究的发展方向。 第二节化纤切断刀材质的选择 材料的选择必须满足化纤切断刀的使用特点，即切断刀刀口部 分应当锋利，而且硬度高、耐磨性好、不崩刃；刀体部分要求强度 高，韧性好。同时，还要求切断刀材料价格低廉，能够有较高的性 能价格比。 可用来制作化纤切断刀的材料包括了合金工具钢、高速钢、硬 质合金等，各种材料都有其本身的性能和特点。其中超细硬质合金 切断刀刃口半径为3 p m ，可以使刃口被磨削得非常锋利，已经被生 产厂家所广泛接受，主要应用于消光和半消光涤纶纤维切断。但也 存在着材料制备费用高，使用了战略性资源w 和c o ，不利于降低 化纤切断刀材料成本和刀具价格昂贵等问题。 高速钢i m 】作为主要的刀具材料之一，自问世以来，使用经久不 衰，主要就是因为高速钢在现今的工业发展阶段具有大多超硬工具 第二章化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 材料所不能比拟的韧性及优良的可加工性等特点，同时高速钢的成 本比超硬材料低廉，热硬性及耐磨性能比碳素工具钢、低合金钢、 铬模具钢等优良。高速钢市场供应情况良好，用于课题研究的取材 方便，这同样是本课题研究者选用高速钢材料的主要考虑因素之 一。 在研制新型化纤切断刀初期，由于可以买到符合切断刀坯料厚 度要求的w 1 8 c r 4 v 钢材料，减少了研制开发初期的时间和经费投 入，曾采用过w 1 8 c r 4 v 钢进行研究试验。但经过进一步调查发 现，近年来我国自行研制成功的w 9 m 0 3 c r 4 v ( 简称w 9 钢) 产量 迅速提高，性能优越，已有取代w 1 8 c r 4 v 钢的趋势。w 9 钢是一 种含钨量较多、含钼量较少的通用型高速钢，比w 1 8 c r 4 v 钢具有 良好的冶金工艺质量，钢材碳化物均匀，颗粒度细小，成才率高。 其化学成分范围如表2 - 1 所示。其硬度可达h r c 6 5 6 6 5 ，在正常 淬火温度下的抗弯强度为4 - 4 5 g p a ( 4 0 0 - 4 5 0k g f m m 2 ) ，冲击韧性 达0 3 5 0 4 0m j m 2 ( 3 5 4 0 k g f m c m 2 ) ，并具有较好的硬度和韧 性配合。 表2 - 1w 9 1 1 0 3 c r 4 v 钢的化学成分范围表“。 成分 c1 1 0c r v ns is 、p 数量 0 7 8 8 5 2 7 3 6 1 3 0 2 0 0 2 0 0 0 3 ( )o 8 59 53 34 21 6o 4 00 4 0 w 9 钢具有良好的工艺性能，易轧、易锻，热处理温度范围 宽，热稳定性好，易于掌握；由于含钒量少，故磨加工性好。正是 由于这些特点，作者认为通用型高速钢w 9 m 0 3 c r 4 v 可能适合于新 型高速钢化纤切断刀的研制。 第三节化学热处理方法选择 如前所述，化学热处理是将工件置于不同的活性介质中加热， 使预定的非金属或金属元素渗入工件表层中，改变表面化学成分、 组织和性能的热处理工艺方法。多元共渗处理和化学催渗方法是化 苎三兰些堑塑堑塑丝塑里墨壅雯垡堂垫丝墨查鳖堕塑塑 学热处理工艺的发展方向，但具体使用何种工艺应以达到化纤切断 刀的使用性能作为选择依据。 一切断刀对化学热处理工艺提出的要求 根据切断机理与切断刀工况的研究，切断刀( 尤其是用于切割 消光和半消光纤维) 必须具备抵抗t i 0 2 粒子磨损的能力，t i 0 2 粒 子的硬度通常在h v l 0 0 0 t 23 1 ，根据金属磨损理论t 2 4 1 被磨损面的硬 度应高出磨粒硬度，所以，高速钢切断刀强化后的表面硬度应能超 过h v l 0 0 0 。 另外，经过强化后的切断刀还需要重新加工刃口进行刃磨，这 就要求强化层要有足够的厚度，以保证刃磨后刃口部分仍可保持强 化效果，因此高速钢切断刀强化层厚度要在1 0 01 1m 以上，而且越 厚越好，脆性还应低于3 级2 5 1 以便于磨削。 如前述，对予压轮式切断机，切断刀除了具备好的硬度韧性配 合外，还应有较高的尺寸精度。所以，还应控制表面强化过程中切 断刀的变形，避免强化处理后的非刃磨加工工序。w 9 高速钢种处 理的三次回火温度为5 6 0 左右，为了保证在强化处理过程中切断 刀基体不软化变形，处理温度应低于5 6 0 。 此外，从经济效益方面考虑，表面强化方法必须是廉价的，并 适用于切断刀大批量生产。 总的来说，高速钢化纤切断刀的表面化学热处理技术应该具有 以下的特点： 1 强化层峰值硬度 h v l 0 0 0 ； 2 强化层厚度1 0 01 tm ，并具有好的硬度分布情况和低的脆 性： 3 处理温度5 6 0 ； 4 热处理成本低。 第二章化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 二化学热处理技术选择 化学热处理工艺【眠2 4 1 按同时渗入元素数目分为单元渗、二元渗 和多元渗：按渗入元素不同又可划分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗 硼等。不同的渗入元素，赋予工件表面的性能也不一样( 参见表l - 2 ) 。 渗碳是应用最早，也是目前机械制造工业中应用最广泛的一种 化学热处理方法。所谓渗碳就是将金属的工件置于富碳的活性介质 中，加热到8 5 0 9 5 0 c 保温数小时，使渗碳介质在工件表面上产生 活性碳原子，经过表面吸收和扩散而渗入工件的表层的热处理工 艺。渗碳之后通常还要有淬火和低温回火处理，以细化晶粒和提高 工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时在心部保持一定的强度 和良好的韧性。渗碳淬火后的表层组织为碳化物和高碳马氏体，过 渡层为高碳马氏体。渗碳提高了零件的弯曲疲劳强度、接触疲劳强 度和耐磨性，并可承受一定的冲击，广泛应用低碳钢或低碳合金钢 制于高性能齿轮和轴承等零件；而对于切断刀而言，不需要很高的 冲击韧性。并且，高速钢本身是碳化物强化的高硬度热稳定性钢， 碳含量0 7 0 1 6 5 ，达到“平衡碳”量，因此，单纯渗碳对高速 钢化纤切断刀也就失去了意义。 与渗碳相比，渗氮，俗称“氮化”，可以获得更高的表层硬度 和耐磨性，能抗各种类型的磨损。氮化后，零件表顶形成的各种氮 化物项的比容比铁大，产生了较大的残余压应力，能部分地抵消疲 劳拉应力，使疲劳强度显著提高，同时还可使工件的缺口敏感性降 低，并且渗氮温度( 一般4 8 0 5 6 0 ) 较低，零件变形很小。不 足之处是单纯气体氮化速度慢( 一般气体渗氮要数十乃至1 0 0 小 时) ，费时费电，效率低，不利于化纤切断刀的大批量生产。 为克服单元渗的不足，开发了多元共渗，该处理是同时向金属 。表面渗入两种以上元素的化学热处理方法。由于渗入元素具有不同 的性能特点及其相互之间的作用，将对渗入过程和渗层的结构造成 第二苹化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 一系列的影响，使渗层同时拥有多种元素的性能，具有单元渗不可 比拟的特点。在气体渗氮的基础上，再渗入有利于改善切断刀性能 的其它元素，既可以保持渗氮温度低、零件变形小的优点，又可以 调节高速钢工件性能。所以，采用以渗氮为基础的共渗处理工艺方 法对高速钢化纤切断刀进行强化处理，是有希望改善切断刀使用性 能的。 1 软氮化 软氮化是指在f e c n 三元素共析温度( 5 3 0 - 5 7 0 ) 以下对工件 表面进行氮碳共渗的处理，它以渗氮为主，同时渗入少量的碳原 子。这种处理能大幅度提高钢件的疲劳强度、耐磨性、抗擦伤和抗 咬和能力以及耐腐蚀性。与气体氮化相比，软氮化具有以下特点： ( 1 ) 处理时间短，一般为卜4 h ； ( 2 ) 所形成的自亮层一般脆性较小； ( 3 ) 不受被处理材料的限制，可广泛使用。 软氮化处理后的零件性能有如下改善： f 1 )渗层硬度：软氮化最显著的性能特点之一是表面有一层硬 度较高的化合物层。但一般这一化合物层的厚度较薄，通常为5 3 0 ui l l ，化合物层下面有一层较厚的扩散层。渗层的硬度值与处理的 工艺材料也有关系，表2 2 是高速钢w 1 8 c r 4 v 经软氮化的渗层硬 度与厚度情况。 袁2 - 2 蔷速钢氮化层厚度及表面硬度范 q l l s l ( 2 )耐磨性和抗咬合性：耐磨性是软氮化质量的重要指标之 一，它是一项综合机械性能，影响因素很多。有试验表明，凡经过 软氮化处理的试样，与未处理试样相比耐磨性可提高一倍以上。软 氮化时，钢件表面同时渗入了氮碳，使表面得到强化，同时化合物 具有减磨作用，可使摩擦系数大幅度降低。 第二章化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 f 3 )疲劳强度：氮化层具有残余应力，以及氮原子渗入后阻碍 了晶粒中位错的移动，使疲劳强度显著提高。 f 4 1耐腐蚀性：氮化层是工件表面形成化学稳定性较高的白亮 层，具有良好的耐腐蚀性。 对高速钢而言，它含有大量的w 、c r 、v 等可形成氮化物的元 素，经软氮化处理后，钢件表面形成的氮化层厚度可能达到o 0 2 0 0 7n m l ，渗层的硬度也非常高，化合物层有可能达h v l 4 0 0 ，扩散 层最高硬度也能达到h v l 0 5 0 1 2 0 0 ，比淬火硬度提高h v l 0 0 2 0 0 ”】，因而增加了工件的耐磨性及热硬性，并能显著提高使用寿 命。 2 氧氮碳共渗 这是在含有水蒸气和氮、碳原子的气氛中，使刀具表面同时渗 入氧、氮、碳的一种表面化学热处理方法。虽然提高刀具表面硬度 是提高其耐磨性的一个方面，但单纯地追求其高硬度会使刀具的脆 性增加，使用时出现崩刀现象，反而导致使用寿命降低。在软氮化 的基础上添加氧，除具有软氮化的一些优点外，可使刀具表面生成 一种氮化层与含碳氮扩散层组成的复合组织，避免出现象软氮化那 样使刀具发脆的白亮层，使刀具具有更高的韧性、耐磨性以及低的 摩擦系数、好的抗咬合性m l 。此外，o c n 处理还具有氮化速度 快、渗层深的特点。 3 渗硫软氮化 这是将工件置予含有活性碳、氮、硫原子的介质中，于5 0 0 6 0 0 c 下保温一定时间，使工件表面同时渗入c 、n 、s 三种元素的 化学热处理工艺，也称c n s 三元共渗或硫氰共渗处理。它是在一 般软氮化或氰化工艺基础上发展起来的，组织和性能上综合了软氮 化和氰化的特点。 渗硫软氮化的渗层 2 6 1 中，表面可以得到5 2 0um 的硫化物 层，表层的下面是自亮层，在白亮层下面则是过渡层和心部原始组 第二章化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 织。由于渗硫软氮化渗层的表面覆盖着一层韧而硬度较低的硫化物 层，使摩擦接触表面具有良好的磨合性，同时该层的微孔可储存润 滑油，加上硫化物本身干摩擦系数很低，所以具有韧性、塑性、抗 摩擦性和抗咬合性优良的特点，特别是接触疲劳强度均优于一般气 体软氮化的效果。 气体硫氮碳共渗处理用于要求耐磨的结构零件、工模具，特别 是高速钢刀具等均可较显著地提高其使用寿命，有着十分良好的技 术经济效果，而且具有质量易于控制基本无公害等优点，是一种较 好的硫碳氮共渗的工艺方法。 4 气体碳氮硼共渗 气体碳氮硼共渗f 2 7 1 在多元共渗工艺中效果较为突出，经三元共 渗后表层硬度通常比碳氮共渗高h r c 2 3 ，可达到h r c 6 4 6 6 ( 或 h r a 8 4 8 6 ) ，显微硬度峰值可达h v 9 0 0 。由于微量硼的渗入，耐 磨性也比碳氮共渗好，渗层中碳量较低，使其具有良好的强韧性， 提高了工件的表面耐腐蚀性，另外工件变形小，处理后表面光洁度 高，使用设备简单、操作方便。 5 氧硫碳氮硼五元共渗 高速钢经正常的淬火、回火后，进行氧硫碳氮硼五元共渗( 简 称d y g s 工艺) 处理【l ”。d y g s 处理最大的特点是在低温实现了 氧、硫、碳、氮、硼五元共渗，用一次处理得到氧、硫、碳、氮单 独渗入的综合效果，同时还增加了硼的作用。 本课题研究者拟采用这几种以气体渗氮为基础的多元共渗处理 方法对w 9 钢化纤切断刀进行表面处理。 第四节本章小结 1 目前化纤生产厂家常用的超细硬质合金化纤切断刀。性能虽 好但价格昂贵。 2 高速钢的韧性和加工性优良、市场供应良好，有可能作为化 第二章化纤切断刀的材质及表面化学热处理方法的选择 纤切断刀的基体材料。 3 为了满足化纤切断刀对化学热处理提出的条件，拟采用以气 体渗氮为基础的多元共渗处理工艺对高速钢化纤切断刀进行表面强 化。 第三章高速钢化学热处理工艺优选试验 第三章高速钢化学热处理工艺优选试验 第一节引言 化学热处理后表面层的性能质量是否能符合化纤切断刀的要 求，是决定化学热处理工艺的重要条件。表面渗层的厚度、硬度、 脆性等都会直接影响到渗层的使用效果。多元共渗工艺中渗入元 素、工艺温度、共渗时间以及催渗剂的使用对渗层的厚度、硬度都 有不同程度的影响和密切的联系。本课题对高速钢的化学热处理工 艺的研究，便是针对化学共渗工艺参数对渗层质量性能的影响而开 展的。 第二节试验设备与试验用渗剂 一试验设备 设备是实现试验工艺的必备条件。化学热处理炉除了应具备工 业性热处理设备一般必需的炉温控制准确均匀、节能且生产率高、 劳动条件好和可靠性安全性高、少无公害等性能，更必须具备好的 密封性、气氛有一定的流向、气体和炉内部件互不影响、具有防爆 装置、具有测量和控制气体流量和成分的流量计、压力计、露点 仪、红外仪和各种控制调节阀。 常见的化学热处理方式有可控气氛化学热处理【3 0 1 和滴注式化学 热处理，其中滴注式化学热处理方式比可控气氛化学热处理可节约 气氛制备设备的投入，并且考虑到化纤切断刀体积小，每炉处理的 数量可以很多，滴注式化学热处理很可能是今后新型化纤切断刀采 用的工艺方式。同时，作者所在实验室已有自制的滴注式化学热处 理炉，可进行常压气体多元共渗。 行强化。 ， 作为实验室用化学热处理炉， 本课题拟运用该设备对高速钢进 最重要的是保证密封性、气氛流 向均匀稳定、高控温精度和温度均匀性、炉壁与气体反应性小，以 第三章高速钢化学热处理工艺优选试验 及必要的气氛检测和控制仪表。该简易多元共渗热处理炉采用卧式 结构，用长1 3 m 、直径1 0 0 咖的不锈钢管做共渗容器，钢管两端 伸出炉膛分别为1 0 舢和2 0 棚，用橡胶塞子密封，结构简图如图3 1 所示。 图3 1 滴注式化学热处理炉结构简图 1 管式炉2 ，不锈钢渗罐3 滴注孔4 密封橡胶5 注射滴管6 盐水瓶 7 热电偶8 控温仪9 密封橡胶1 0 捧气口 热处理炉从一端滴注，另一端排气，保证炉内气氛有一定的流 向，使工件和气氛能够均匀接触。测量炉温使用镍铬镍硅热电 偶，控制温度用x c t l 0 1 仪表，在5 0 0 6 0 0 范围的多元共渗温度 下，控温精度在5 。滴注渗剂用滴量器为医用输液瓶和输液管控 制滴量，这样可以进行小滴量控制。 二渗剂选用 渗剂在化学热处理工艺中的作用，是保证在工艺温度范围内能 够不断地、充分地、持久地提供渗入金属基体的活性原子。所以渗 剂经物理化学反应，应具备足够的活性，含有足够数量的、能被渗 入金属吸收的活性原子或活性物质；渗剂成分具有良好的稳定性， 能长期有效地提供活性原子或活性物质；渗剂在使用、储存和运输 2 0 第三苹两运钢化学热处理工艺优选试验 中，应有良好的安全性、无毒性和无污染；而且为了满足生产实际 使用，渗剂还应价廉、供应充足和使用方便。 本课题将采用的以渗氮为基础的滴注式气体共渗处理，渗入金 属表层的元素分别有c 、n 、o 、s 、b 或这些元素的组合【3 卜3 6 1 。这 些元素的渗入需要有能够在反应中产生活性原子的渗剂成分，同时 又提出了渗剂中各组分要能互相溶解的要求。 甲酰胺( h c o n h 2 ) 是一种无色油状液体，是一种很好的供氮 剂，受热分解后还会产生活性碳原子，同时也可以作为多元共渗中 的供碳剂。它在4 0 0 7 0 0 。c 时热分解主要反应f 1 5 1 为： h c o n h 2 一h c n + h 2 0 ( 4 0 0 7 0 0 1 h c o n h 2 一n h 3 + c 0( 6 5 0 7 0 0 ) 2 h c n - 2 【n 】+ h 2 + 2 【c 】 2n h 3 ，2 【n 】+ 3 h 2 2 c o - c 0 2 + c 】 以上各式合并成一式如下： 4 h c o n h 2 4 n 1 + 2 c + 4 h 2 + 2 c o + 2 h 2 0 甲酰胺热分解温度低，在软氮化温度范围内分解的比较完全， 氮化过程中产生的碳黑很少；甲酰胺理论含氮量为3 1 1 ，含碳量 为2 6 7 ，因此氮化速