| 应用合金堆焊工艺可增大或恢复工件尺寸，或使工件表面获得具有特殊性能的熔敷金属层。堆焊过程可使焊接材料及母材表面熔化而实现高强度的化学结合。 |
齿轮模数铣刀大多采用高速钢制造。当铣刀在加工中发生刀刃磨损或局部损坏后，可采用合金堆焊工艺对铣刀磨损或损坏部位进行局部焊接修复。此外，还可采用在普通中碳钢刀坯基体上堆焊高速钢合金的方法制造所需的切削刀具。该方法不仅可延长刀具使用寿命，而且可节约高速钢刀具材料，大大降低生产成本。 1 合金堆焊焊条成分与特性
对高速钢齿轮模数铣刀进行合金堆焊修复时，主要可采用以下两种焊条：①以普通低碳钢作焊芯，合金元素通过药皮过渡。焊条药皮配方成分及工艺规范分别见表1、表2。②合金元素通过焊芯过渡。 表1 焊条药皮配方成分(%)| 低碳钢焊芯 | 大理石 | 莹石 | 石墨 | 铝粉 | 75硅铁粉 | 铬铁 | 钒铁 | 钨铁 | 中碳锰铁 | 水玻璃(密度1.5)占干粉重(%) |
|---|
| H08A，H15A | 23 | 16 | 1.6 | 1 | 1.4 | 10.2 | 5.3 | 40 | 1.5 | 20～25 |
| T08A | 23 | 17.4 | 0.4 | 1 | 1.4 | 10.2 | 5.3 | 40 | 1.5 | 20～25 |
表2 焊接工艺规范低碳钢
焊芯 | 直径
(mm) | 焊接电流(A) | 药皮厚度
(mm) | 药皮与焊芯
重量比(%) | 堆焊系数
(g/A·h) | 烘干规范 |
|---|
| 直流 | 交流 | 温度(℃) | 时间(h) |
|---|
| H08A，H15A | 3 | 60～80 | 120～140 | 1.9～2 | 138～142 | 7.9～9.5 | 280～300 | 3 |
| T08A | 4 | 115～135 | 180～200 | 2.9～3.1 | 138～142 | 7.9～9.5 | 280～300 | 3 |
进行堆焊后，经过退火、校正和整形、调质、机械加工、淬火、回火等工序，可获得具有很高硬度和红硬性的堆焊金属。为保证与原高速钢齿轮模数铣刀基本相同的切削性能，堆焊金属材料应具有规定的合金元素含量(选用W18Cr4V焊条的堆焊金属合金元素含量见表3)。选用堆焊用焊条时，应保证堆焊金属能与基体金属均匀熔合，焊接工艺性好，在后续机械加工及热处理时不易产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷。 表3 堆焊金属材料合金元素含量(%)| C | Si | Mn | Cr | W | V |
|---|
| 0.7～0.9 | 0.2～0.37 | 0.5～0.93 | 3.6～4.3 | 18.5～19.5 | 1.2～1.5 |
堆焊金属材料化学成分中对高速钢性能影响较大的元素有：①Cr：铬在高速钢中含量达4%，淬火加热时几乎全部溶入奥氏体中，可增加高速钢的淬透性；同时铬的碳化物可在较低温度下溶入奥氏体中，从而提高高速钢的红硬性和淬透性；铬还能阻止高温下碳化物的聚集，在一定程度上阻止晶体长大；铬在堆焊时还可作为脱氧剂，增加合金的耐磨性和耐蚀性，提高高速钢的切削性能。②W：钨是使高速钢具有红硬性的主要元素之一，在马氏体中，钨与碳的结合力强，可提高马氏体的受热稳定性；回火时钨与其碳化物呈弥散状态析出，使高速钢具有很高的红硬性；由于过剩碳化物随含钨量的增加而增加，因此钨可起到阻止晶粒长大的作用。③V：钒是使高速钢具有红硬性的另一主要元素；钒在高速钢中以稳定的碳化物(VC)形式存在，回火时VC以弥散状态析出，产生弥散强化作用，从而提高高速钢的红硬性；由于VC的硬度和耐磨性很高，因此可有效提高高速钢的切削性能；此外，钒能细化晶粒，降低高速钢的热敏性。因此，通过合金堆焊将一些合金元素加入高速钢中，可起到提高高速钢刀具切削性能的作用。 2 齿轮模数铣刀合金堆焊工艺方法
齿轮模数铣刀合金堆焊工艺路线为：焊前准备(刀体退火、开坡口、去氧化皮、清除污垢杂质等)→预热→堆焊→退火→校正和整形→调质→机械加工→淬火、回火→硬度检验→磨削→成品。 2.1 焊前准备
堆焊时，由于溶池温度较高，各部位受热和冷却速度不同，容易导致堆焊金属组织差异较大、应力结构复杂，结晶时碳化物易形成网络，从而降低材料塑性，增加合金对冷却速度的敏感性。当采用堆焊方法制造刀具时，若刀坯基体含碳量较低，塑性较好，则承受应力的能力相应较好。可选用45钢锻制刀坯，锻坯时先退火，然后进行粗加工并留足堆焊余量(平面余量2～3mm)。进行堆焊前，需将刀体堆焊部位的污物、铁锈、杂质等清除干净，然后将刀体进炉加热至500℃并保温1～2小时。如刀体较薄，堆焊时容易发生翘曲变形，需采用夹具夹持并同时进行加热、保温。将W18Cr4V堆焊条放入保温箱中，在280～300℃温度中焙烘约3小时，焙烘焊条时应注意缓慢加温，以防焊条药皮破裂，焊条应随烘随用。 2.2 堆焊方法
当刀体温度加热至500℃时，即可用烘好的焊条进行堆焊。首先将刀体放置在水平或垂直方向的回转工具上，以较小焊接规范(即在保证焊条金属与基体金属充分溶透及电弧稳定燃烧条件下尽量采用较小的电焊条和较低的焊接电流)进行手工电弧焊接。焊接速度可适当加快，以减少零件受热和金属熔化，减小因加热不均引起的温差应力和因金属熔化过多产生的冷凝收缩应力。焊接移动方向采用螺旋式轨迹，焊接顺序由里向外，每堆焊一层即清渣一次，一次连续焊完。当刀体温度低于400℃时，应停止施焊并重新入炉加热。刀体堆焊完毕后，应放入炉中缓慢冷却至室温。 2.3 焊后热处理
- 退火：将焊后刀体放入炉中缓冷至室温后立即进行退火处理，即将工件加热至900℃，保温2～3小时并随炉冷却。退火后，应仔细检查焊缝及焊缝区，若发现裂纹、气孔、夹渣等缺陷应予清除，并重新加热进行补焊(补焊后需重新进行退火处理)。退火处理的工件经校正和整形后即可进行机械加工。
- 调质：高速钢齿轮模数铣刀铲削加工后，要求齿面具有较低表面粗糙度值，因此铲削加工前需作调质处理。调质处理时，加热至900～920℃并于油中淬火，然后在700～720℃回火2～3小时，调质后硬度为26～32HRC。
- 淬火：淬火工艺的关键是合理确定淬火温度和保温时间。高速钢的淬火温度应根据工件的化学成分、形状尺寸和刀具工作条件来确定。以W18Cr4V高速钢为例，当淬火温度为1100℃时，虽然淬火后可达到很高硬度(>61HRC)，但由于淬火温度较低，在低温回火时硬度会有所下降，从而降低高速钢的红硬性。由于堆焊金属材料中含有大量合金元素，碳化物稳定性较高，加热时不易溶入奥氏体。为使合金碳化物(尤其是钨、钒碳化物)充分溶入奥氏体，以提高奥氏体的合金化程度和淬火后马氏体的回火稳定性，使高速钢具有较高红硬性，就必须在足够高的温度(超出临界温度400℃以上，接近熔化温度)下进行淬火。选择淬火温度时还应考虑以下因素：淬火温度升高会导致晶粒长大(齿轮模数铣刀晶粒度应控制在8～8.5号)，并在晶界上形成网状碳化物(即过热)，甚至在晶界处发生熔化并出现共晶莱氏体和黑色组织(即过烧)，严重的过热、过烧会增大刀具脆性，影响其切削性能。此外，确定淬火温度时还应考虑刀具硬度与韧性的关系，若高速钢刀具的硬度过高，必然影响其韧性，使用中容易崩刃。通过综合考虑各种因素，W18Cr4V高速钢的淬火温度确定为1260～1290℃，油淬，淬后硬度64～66HRC。
- 高速钢在淬火温度下的保温时间应保证刀具热透，并促使足够数量的碳化物溶入奥氏体中。经验表明：碳化物在高温下可快速(20～30秒)完成溶解，保温时间过长并不能增加钢的硬度和红硬性，反而会起到脱碳和促使晶粒长大的作用，并降低刀具的冲击韧性和强度。
齿轮模数铣刀回火用夹具示意图
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- 回火：高速钢刀具淬火后必须进行回火。齿轮模数铣刀堆焊后的回火温度应为550～570℃，为提高刀具的硬度、耐磨性和红硬性，必须进行三次回火，回火保温时间每次为60分钟。为防止齿轮模数铣刀回火时发生变形，可采用右图所示夹具。将淬火后的铣刀清理干净，并将翘曲方向一致的铣刀叠在一起用夹具轻轻夹住，然后连同夹具一起放入炉中回火约30分钟后取出，拧紧夹具螺丝后再继续回火。如铣刀弯曲过于严重，为防止铣刀断裂，应分多次逐渐拧紧螺丝，按规定时间保温后从炉中取出，趁热再次夹紧后与夹具一起空冷。在夹紧状态下连续回火三次对减少变形效果很好。
3 结语
应用合金堆焊工艺可增大或恢复工件尺寸，或使工件表面获得具有特殊性能的熔敷金属层。堆焊过程可使焊接材料及母材表面熔化而实现高强度的化学结合。因此，堆焊工艺既可用于修复各种磨损或损坏的零件，又可用于制造新零件。由于堆焊工艺的应用可节省较昂贵的金属材料，其能源消耗也仅为制造新零件的60%，且环境污染小，工艺简单，加工方便，因此在工具行业具有广阔的应用前景。
