双金属带锯条
双金属带锯条属于双金属复合材料，于20世纪60年代由Anderson R.A.和ConnoyE.N.最早提出。其制造工艺是将高速钢钢丝和弹簧钢钢带通过电子束焊结合加工制成复合钢带，然后在复合钢带的高速钢钢丝一侧加工成锯齿形状，最终通过淬火和回火改善高速钢和弹簧钢性能，从而制成双金属带锯条。双金属带锯条的锯刃材料为高速钢，具有硬度高、耐磨性好、红硬性强等特点，符合锯刃的服役条件。锯条体材料为弹簧钢，具有强度高、韧性好、抗疲劳性能优异的特点，满足锯条体的服役条件。双金属带锯条的性能较单金属的碳素钢带锯条有显著改善。双金属带锯条作为一种下料工具，与其他工具相比具有锯切效率高、可切割尺寸大、切缝窄、断面精度高等诸多优点，近年来受到越来越多的关注，其市场也在逐年扩大。
国外主要的双金属带锯条制造商集中于美国、欧洲(以德国和瑞典为主)和日本，如图1所示。双金属带锯条的核心技术基本由国外企业掌握，而且对中国进行技术封锁，导致国内双金属带锯条制造企业难以吸收国外先进技术，只能依靠自身进行探索。以湖南泰嘉新材料科技股份有限公司(原湖南机床厂)和本溪工具股份有限公司(原本溪工具厂)为代表的国内双金属带锯条制造企业通过积极探索，并从原材料和设备供应商等渠道学习国外先进经验，开发出性能不亚于国外品牌的产品。目前，国产双金属带锯条已占据国内约70%的市场份额。
图1 全球主要双金属带锯条制造企业分布
近年来由于被加工材料的性能不断改善，同时各企业对生产成本的持续控制，对加工工具的切割效率和使用寿命提出了更高要求，基于此，学者们对锯切理论、齿形设计和制造工艺进行了深入研究。Sarwar M.等研究了锯切轴承钢和不锈钢等材料时锯齿的磨损和失效机理，指出锯切轴承钢时主要为后刀面不均匀磨损造成锯斜失效，而锯切不锈钢时还会伴随犁削磨损和粘着磨损，同时还提出采用比切削能衡量锯切效率。锯切时的振动对带锯寿命的影响非常大，因此也引起了大量学者的关注。Lengoc L.等建立了宽规格带锯使用过程中振动的力学模型。Gendraud P.等则综合讨论了锯切铝合金时振动和力的变化。谭心等对圆锯片的振动进行了研究，提出通过改变锯片厚度和夹径比可以避开锯片固有频率，从而减小振动。Tanaka C.和Yang B.等还对木材锯切过程中的振动进行了理论和试验研究，带锯锯切材料包括有色金属、黑色金属等几乎所有金属以及木材、石墨、泡沫、橡胶等诸多非金属材料，尺寸从数毫米到最大2m不等。针对不同材料、尺寸的锯切特点，学者们开发出诸多齿形，其中应用较广的有针对大尺寸难锯切材料的高低齿形和针对如管材、型材等薄壁材料的加强齿形。
Anderson R.A.等早期提出的工艺路线如图2所示。经过近半个世纪的发展，基本原理仍基于上述工艺，但目前主流的双金属带锯条制造工艺已发生诸多变化。鉴于双金属带锯条在金属下料工序中的重要性，本文综述了自双金属带锯条被发明以来其制造工艺的研究进展，并展望了未来发展方向，以期为双金属带锯条的研究和发展提供参考。为便于表述，下文将双金属带锯条简称为带锯。
图2 早期双金属带锯条的工艺路线
1焊接工艺研究进展(1)EBW和LBW工艺
带锯的焊接包括两道工序：一为根带焊接，即将盘条状带锯裁剪为一定长度后将其头尾焊接至一起，这道工序通常采用电阻闪光焊，也有一部分采用TIG焊；另一个是将高速钢钢丝和弹簧钢钢带焊接至一起。早期采用较多的为电子束焊(EBW，Electron Beam Welding)。21世纪后，激光焊(LBW，Laser Beam Welding)在诸多行业得到成功应用，其中也包括带锯领域。
与EBW相比，LBW具有如下优点：
①生产效率高。EBW需要真空室，每一次停机再生产后都需要先抽真空，这个过程约需1h，对生产效率影响较大；而LBW采用Ar作为保护气氛(也有部分采用N2)，不需要真空室，停机后只需经过简单的调整即可开始生产，极大地提高了生产效率。
②维修和保养成本低。一方面，LBW设备价格低于EBW设备；另一方面，EBW对真空度的要求较高，因此其真空室需要经常进行保养，故障率也较高；LBW由于没有真空室，维修和保养成本较低。
③焊接质量高。与EBW相比，LBW焊接后焊缝同样具有较高质量，在较好的工艺状态下焊缝饱满均匀，气孔和夹渣较少；采用LBW替代EBW不会对焊缝质量产生显著影响。
鉴于LBW拥有诸多优势，近年来国内外很多带锯企业逐步采用LBW替代EBW。
(2)EBW/LBW工艺的研究进展
不论采用EBW还是LBW，工艺过程中均需要在焊接精度和焊缝冶金质量两方面进行严格控制。
早在20世纪90年代，Sun Z.等提出EBW焊接带锯时，难点在于需要在焊接速度达到10m/min的高速焊接状态下依然有较高的焊接精度。首先需要控制焊缝形貌，焊缝典型形貌见图3。其中，图3a为标准的焊缝形貌，焊缝饱满，形貌规则，呈上宽下窄的喇叭口状，且上部有轻微凸起。如图3b所示，焊接时容易出现“错位”的缺陷，即钢丝和钢带边缘未处于同一直线，出现这种缺陷有可能是钢丝和钢带厚度不匹配导致，也可能是焊接夹具调整不到位导致。如图3c所示，焊接时还容易出现“内凹”的缺陷，即在焊缝边缘出现一个凹陷，这个凹陷通常出现在靠近钢带一侧，有时也会出现在靠近钢丝一侧；若出现在靠近钢带一侧，则有可能是钢带修边不彻底所造成，形成内凹也有可能与焊接参数的选择有关。
(a)正常焊缝形貌
(b)错位缺陷
(c)内凹缺陷
图3 焊缝典型形貌
除焊缝形貌，焊缝位置也对焊缝质量产生重要的影响，并直接影响焊缝冶金质量。假设将焊缝熔合区视为钢丝和钢带的均匀混合物，则钢丝在其中所占比例H为
H=W-L/a+0.5 (1)
式中，W为钢丝宽度(mm)；L为中心距(mm)；a为焊缝宽度(mm)。
焊缝定义如图4所示。由于该焊接属于异种金属焊接，钢丝占比H决定焊缝熔合区的成分，从而将对焊缝性能产生决定性影响。根据不同厚度带锯，a在0.2-0.5mm之间变化，W在1.0-2.0mm之间变化。但对于固定尺寸的带锯，a和W值均为固定值，因此主要通过控制中心距L来控制H。以a=0.3mm、W=1.5mm为例，L值与H的关系如图5所示。从图5可知，L在0.01mm数量级的变化将对H产生显著影响，即对L的控制精度需要达到0.01mm级别才能保证焊缝质量的稳定性。祁俊峰等对此进行了重点研究，并指出控制焊缝中心线偏向钢带一侧约0.10mm(即W-L=0.10mm)为佳。实际生产中，通常控制中心距接近钢丝宽度(即W-L≈0)，从而使H约为0.5。
图4 焊缝形貌
图5 L值对H的影响
焊缝冶金质量除与焊缝位置相关外，还受焊接参数的影响。如果焊接参数选择不当，极易出现气孔、焊缝不饱满、焊缝开裂等现象，尤其焊缝厚度方向的裂纹，如图6箭头所示。为此，学者们对焊接工艺和焊接参数展开了大量研究。卫寿亮等对6542高速钢和65Mn弹簧钢激光焊后的表面缺陷进行系统分析，并提出了焊前预热工艺，即将6542高速钢母材在焊接前先进行100-200℃的预热。该工艺不仅能降低热裂倾向，还能降低气孔形成率。熊缨等研究了过渡层对W18Cr4V高速钢和65Mn弹簧钢激光焊后焊缝力学性能的影响，指出激光焊前在两种金属之间增加一层奥氏体不锈钢片作为过渡层能够改善焊缝的强度和塑韧性，该工艺已成功应用于塑料造型粉碎刀片，对改善带锯焊缝质量具有参考价值。
图6 焊缝熔合区的裂纹
EBW/LBW的焊接参数主要包括焊接速度和焊接功率。杨帆等对6542高速钢和65Mn弹簧钢激光焊接等多个影响因素进行了分析，指出功率密度、焦点位置和焊接速度将对焊缝质量产生显著影响。赵连凤等利用ANSYS对焊接温度场进行了有限元模拟，并结合试验结果得出最佳焊接参数为：焊接电压140kV，束流20mA，焊接速度为2m/min。陈刚等采用电子探针显微分析技术(EPMA，Electron Probe Micro-Analyzer)考察不同焊接参数下M42高速钢和X32弹簧钢激光焊后焊缝区元素分布情况，得出最佳焊接功率为2754W，焊接速度为14m/min。上述两篇文献得出的最佳焊接功率相近，但焊接速度有一定差异。比较之下，后者更接近实际。
(a)焊接后
(b)退火后
图7 焊接后及退火后焊缝熔合区的SEM照片
由于焊缝尺寸很小，焊接后焊缝冷却非常快，因此焊缝硬度非常高。焊接后及退火后焊缝熔合区SEM见图7。焊缝的主要组织为马氏体组织，焊后硬度最高可达到900HV，焊缝晶粒呈柱状或等轴状，碳化物呈网状分布于晶界(见图7a)。这类组织韧性很低，无法满足后续的冷加工要求，可通过退火降低焊缝硬度，使组织中碳化物球化，同时将马氏体转变为珠光体。图7b为退火后焊缝的典型组织。常用工艺为将钢带盘卷后采用井式炉或钟罩炉，升温至一定温度后保温一段时间，然后缓慢冷却。退火温度和保温时间决定了退火后焊缝硬度和组织。杨全毅等研究了焊后退火工艺对焊缝硬度和组织的影响，指出在810-820℃退火时，保温2h即可将焊缝硬度降至390HV以下。
(3)扩散焊接技术的应用
由于传统焊接方式温度通常高于母材或焊料的熔点，会在焊缝形成凝固组织。这种组织综合性能差，极易形成气孔、裂纹等缺陷。扩散焊的温度通常低于母材熔点，其是在热—力耦合作用下通过扩散使母材结合，从而形成稳定的结合层。
通过LBW焊接后，焊缝区域相对脆弱。如果焊接质量不良或者锯切操作不当，在带锯使用过程中容易发生沿焊缝的断裂，出现拉齿现象，造成带锯失效。Dion P.A.等提出一种新的焊接工艺用于使高速钢和弹簧钢结合。如图8a所示，扩散焊是将两片高速钢在热—力作用下结合至弹簧钢带一端的两侧，结合后的形貌如图8b所示。与传统EBW或LBW不同，扩散焊的焊缝区域非常小，且焊缝线的方向与切削力方向垂直，使锯切过程中不易造成焊缝区域的剪切断裂。此外，两片高速钢中间的弹簧钢会优先磨损，从而在锯刃中间形成凹槽，切削液能够存储于凹槽内，进而作用于锯刃的最尖端，从而延长锯刃的寿命。目前美国Starrett公司已将该技术应用于其产品上。
(a)扩散焊
(b)焊缝形貌
图8 扩散焊示意图及焊缝形貌
(4)锯齿单独焊接工艺的开发
常用的带锯加工工艺是将高速钢钢丝焊接至弹簧钢钢带一侧后通过铣削加工形成所需锯齿形状。该工艺中，高速钢实际使用率通常不到20%。由于高速钢合金元素含量高、加工难度大，价格通常较高，造成较大浪费。此外，由于淬火时高速钢已与弹簧钢焊接在一起，为了保证锯齿的耐磨性和红硬性，淬火和回火工艺必须采用高速钢的通用工艺，淬火温度接近1200℃。但弹簧钢的淬火温度通常不高于1100℃。若在1200℃对弹簧钢进行淬火，其晶粒将长大，影响材料的韧性和抗疲劳性。
为解决上述问题，学者们借鉴硬质合金带锯条制造工艺，开发出独立焊接磨齿工艺，其基本工艺路线见图9。该工艺先在弹簧钢钢带的一侧加工出所需的锯齿形状，锯齿齿尖为“口袋”状。将加工后的弹簧钢钢带和高速钢颗粒分别进行淬火和回火处理，再将高速钢颗粒焊接至钢带的“口袋”位置，最后经过磨齿和分齿工序加工而成。由于该工艺将弹簧钢和高速钢分别进行热处理，可以获得锯齿和锯条体的最优性能。同时，锯齿为高精度磨削加工而成，保证了带锯精度，因此性能更优。但该工艺需要解决高速钢与弹簧钢的电阻焊工艺，以获得较优的焊缝性能，同时还需要提高磨齿效率。
图9 锯齿单独焊接工艺路线
2热处理工艺及设备研究进展(1)在线式热处理设备的开发
最终热处理多指淬火和回火。带锯传统的热处理工艺为将带锯通过在线式淬火后收料成盘卷，然后通过井式回火炉进行三次回火。回火工艺通常采用经典的高速钢回火工艺，即在520-560℃回火三次，每次时间约1-2h。由于带锯呈盘卷状置于井式回火炉中，长时间回火后容易产生永久变形，通常需要在第二次和第三次回火之间增加一次重绕以减少带锯的变形。而井式回火炉炉膛尺寸较大，随着使用时间的增加，炉内导风板、导风筒、导风锥产生变形，导致炉内风道不规则，炉内不同区域的温度出现差别，从而造成产品性能的不稳定。回火需要反复加热、保温和降温三次，一方面能源浪费严重，另一方面生产效率很低。通常一炉带锯从淬火到最终完成回火需要1-2天的时间。由于传统热处理方式有诸多缺点，近年来学者们开始探索各种在线式淬火—回火一体化生产线。
若要实现在线式热处理，首先需要解决缩短回火时间的理论问题。经典的高速钢回火工艺为560℃×1h×3次，回火时间长，难以实现在线式热处理。采用表征钢的回火特征的Hollomon-Jaffe方程为
P=T(m+lnτ) (2)
式中，P为回火参数；T为绝对回火温度；m为常数；τ为回火时间。
回火后硬度与回火参数P有关。若P值相同，回火后材料硬度则相同。从式(2)可知，通过提高回火温度来降低回火时间，可以保持P值不变，这为缩短回火时间提供了理论依据。 Z.等研究了低合金高强度钢的回火特征，指出其回火符合Hollomon-Jaffe方程，并基于Hollomon-Jaffe方程建立了多种碳钢、高强钢和耐热钢回火的时间—温度—硬度曲线。可见Hollomon-Jaffe方程具有一定适用性。徐祖耀通过考察回火过程中奥氏体转变提出了新的高速钢分级回火工艺，其基本思路同样为通过提高回火温度来缩短回火时间。
基于上述理论，学者们开发了多种在线式快速热处理生产线。韩季初等开发出带锯的单炉多次循环回火热处理方法，实现了淬火和回火的一体化。与传统热处理相比，其具有如下优点：
①降低能耗。以往的回火需要将炉罐随带锯一起反复升温降温3次，而炉体消耗的能耗并不产生效能，属于能源浪费。但新生产线回火炉始终保持恒温，能耗仅用于将带锯升温，因此极大地降低了能耗。
②降低劳动强度。以往除需要进行上料和收料操作，在回火过程还需要将炉罐反复吊出3次，而对于新设备仅需将带锯上料和收料，明显降低劳动强度。
③提高生产效率。以往热处理工序需1-2天时间，采用新设备后仅需1-2小时。
④改善产品稳定性。由于新设备的加热腔体为马氟管，体积小，温度辐射区域小，保证了温度的均匀性和稳定性，大幅提高温度的可控性。加上带锯以“队列”形式通过炉管，因此产品的金相组织、硬度及最终使用性能的稳定性都得到提升。
干云标等开发的淬火—回火生产线，在炉体入口处通过增加碳刷接触带锯进行预热，大幅缩短带锯预热时间。曹玉贵开发出同炉多带淬火线，实现同时处理多卷带锯，并基于Hollomon-Jaffe方程采用高温快速回火工艺，实现了将淬火与回火、喷砂、清洗、校直等多道工序在一条生产线上完成。这种方式提高了生产效率和产品稳定性，降低了生产成本，但对设备维护提出了更高要求。
(2)深冷工艺的研究
深冷是指将材料在低于室温的某温度下保温一段时间的冷处理工艺，通常应用于钢铁材料淬火后回火前，有时也应用于多次回火之间。狭义上的深冷处理指在-140℃~-196℃之间保温的工艺，广义上深冷处理还包括在-140℃以上保温的浅低温处理。因深冷工艺能同时提高工具钢的硬度和韧性，延长工具寿命，从而引起了学者们的广泛兴趣。Meng F.等对比了浅低温处理和深冷处理对Fe-12Cr-Mo-V-1.4C工具钢的影响，发现与-50℃的浅低温处理相比，-180℃的深冷处理更能提高Fe-12Cr-Mo-V-1.4C工具钢的耐磨性，并指出其机理为深冷处理能够促进形成细小的η碳化物。Kumar M.等研究了深冷处理对D2、M2、M42、M7和T42五种不同工具钢的影响，发现深冷处理对这五种工具钢都能一定程度提高其硬度，并指出细小碳化物团簇的形成是其主要原因。Huang M.C.等则指出深冷处理不仅能使高速钢基体中析出细小纳米级的η-Fe2C碳化物，还能使回火碳化物更加细小。由于深冷能够改善工具钢的组织，细化碳化物，从而增加其耐磨性和提高工具的使用寿命。冯志阳等发现经过深冷处理后，高速钢丝锥的使用寿命可提高1.5-3倍。由此可见，深冷处理通过促进后续回火过程中细小碳化物的析出，能够改善工具钢的耐磨性。
由于深冷工艺具有上述优点，学者们对深冷工艺在带锯中的应用也进行了研究。由于带锯的锯刃材料通常采用如M42等一类的高速钢，深冷处理能够提高其硬度和耐磨性。此外，学者们还发现深冷能够改善弹簧钢的强度和抗疲劳性，从而大大提高带锯条的锯切寿命。卢斌等和李海丽等均指出，相对于回火前进行深冷处理，回火后的深冷处理效果更明显。这与传统淬火后回火前的深冷工艺有区别。
虽然深冷处理能够提高钢铁材料的力学性能，但该工艺在带锯制造中的应用尚不广泛，分析其原因主要有：首先，传统的深冷工艺需要在低温保温数小时至数十小时不等，在在线式连续生产中难以实现；其次，现在带锯的制造方式正趋向更加满足精益生产要求的在线式生产，而目前适用于该生产方式的设备尚不成熟。李惠友还指出，深冷处理后工具的切削寿命差异较大，这是目前工具钢深冷技术推广的最大问题。
3锯齿成形工艺研究借鉴齿条加工方法，多数带锯厂家采用Kesel的FS系列铣齿机(见图10a)，通过铣削方式进行锯齿成形。该工艺的主要缺点是容易在锯齿齿尖产生毛刺，不仅会影响后续工序(如分齿工序)的加工精度，也会对带锯的使用寿命产生影响。为解决上述问题，部分企业开始采用磨削方式进行齿部成形。常用的磨齿机有Lenox GT系列、Wikus SKALAR系列等，但以采用Normac BS系列全自动带锯磨齿机居多(见图10b)。我国借鉴国外先进技术，开发出具有自主知识产权的带锯磨齿机，加工出的带锯具有齿形精度高、表面光洁度好等优点。
(a)Kesel FS1500全自动铣齿机
(b)Normac BS35全自动磨齿机
图10 铣齿机及磨齿机
采用铣齿或磨齿方式都需要加工多卷钢带，而其他工序均为单卷钢带连续式加工，难以满足未来连续式生产的要求。对于铣齿或磨齿来说，任何一种形状的齿形都需要采用特殊设计的铣刀或磨轮进行加工。若需要改变齿形，必须改变铣刀或磨轮尺寸，这对生产组织和齿形研究造成一定影响。为解决上述问题，学者们引入激光切割技术用于带锯锯齿成形。采用激光切割方法加工齿形，不仅可以根据客户要求任意调整锯齿尺寸，而且能够解决连续式生产要求。其主要问题是切割后表面一层的硬度和组织将会产生变化，这可能会对带锯热处理后表层的性能带来影响(见图11)。
(a)锯齿高速钢表面
(b)锯条体弹簧钢表面
图11 激光切割后带锯表面组织
传统带锯的锯齿前刀面均垂直于两侧面。若直接采用该形状锯齿锯切，切削过程中的锯屑难以排出，对锯切效率、带锯寿命都将产生不利影响。为解决该问题，通常在后续分齿工序中使锯齿产生一定程度扭转变形，并使前刀面倾斜而形成刃倾角，从而引导锯屑从两侧排出。近年来，学者们开发出一种齿形，其锯齿前刀面呈倾斜状，能够引导锯屑从锯条两侧排出，减少锯切中的振动。但是，这种齿形无法通过铣削、磨削或者激光切割的方式加工形成，为此，学者开发出一种新的锯齿加工方式。该工艺先通过冲压方式加工形成齿沟，然后通过倒角砂轮将前刀面和齿沟磨削成倾斜状，从而形成所需的锯齿形状。
小结(1)带锯的使用者通常为制造型企业，随着企业管理精益化，要求不断降低带锯成本、不断提高锯切效率，部分客户(如加工大型模架的企业)对锯切的精度要求很高。锯切时不能出现锯斜，且锯切后需表面光滑平整，因此，带锯未来发展方向将会着重于提高锯切效率、延长使用寿命以及改善加工精度。除了需要根据不同客户需求设计有针对性的齿形外，还需要在焊接、热处理、表面加工以及带锯加工精度等多个方面进行深入研究，特别对激光焊、锯齿成形以及淬火和回火等关键工序进行研究。近年来，表面加工工艺在改善带锯性能方面的作用也开始得到重视。
(2)随着带锯制造企业的数量不断增多，带锯的竞争日趋激烈，价格不断下探，低成本的短流程连续化加工工艺也开始引起学者们关注。基于现有工艺，阻碍连续化生产方式推广的主要工序为激光焊后退火以及齿部成形两道工艺。在线式退火工艺研究及相关设备开发、采用激光切割或水切割等工艺替代铣齿或磨齿将会成为重点关注的领域，若能突破在线式生产工艺的瓶颈，同时引进在线检测技术，实现全工序连续化生产，将大幅降低带锯生产成本，改善产品稳定性。
(3)新材料在带锯中的应用也是未来需要重点关注的方向。目前带锯锯齿材料以传统高速钢为主，应用较普遍的为M42，也有部分品牌产品采用M51、M2等高速钢。近年来粉末高速钢(如Erasteel的ASP2042和ASP2051、Bohler的S390和S593等)材料在带锯中的应用开始得到重视，由于粉末高速钢材料兼具耐磨性、红硬性和韧性，有必要关注其在带锯中的应用，而对于锯条体材料，则需要探索兼具高强度、高韧性、高抗疲劳性并能够适用高温淬火的合金钢材料。
原载《工具技术》 作者：贾寓真
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