CN113924182A - 用于锯链的切割部件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于锯链的切割构件(11)以及制造其的方法。根据本发明的切割构件具有由不易破坏钢合金制成的支撑部件(16)和由高速钢制成的切割部件(17),所述切割部件(17)沿着焊接连接部(18)焊接至支撑部件(16),其中支撑部件(16)的钢合金是具有以下组成的(规格以重量%计)的工具钢:碳(C)0.4至1.0硅(Si)最高达1.8锰(Mn)最高达0.6铬(Cr)4.5至12钼(Mo)最高达3钒(V)最高达2铁(Fe)和因熔融产生的伴生元素以及杂质作为余量,并且由于在高于高速钢的奥氏体化温度的合适温度下硬化,处于淬火和回火状态下的支撑部件(16)的钢合金的硬度高于600HV且拉伸强度大于2000MPa。
Description
本发明涉及一种用于锯链的切割构件、一种配备有所述切割构件的用于机动链锯的锯链以及一种用于制造这种切割构件的方法。
机动链锯是具有封闭连接链条的锯,所述封闭连接的链条提供有作为切割或分离手段的切削刃,所述连接链条在纵向延伸的导轨上旋转。连接链条通常包括传动链节(drive links)、交替布置在左手边和右手边上的切割构件并且任选地(optionally)还包括互连链节(interlinks)。锯链的各个链节通过螺栓或铆钉来可移动地连接至彼此。
锯链通常由内燃机或电动机驱动,所述内燃机或电动机驱动布置在导轨一侧并与锯链的传动链节以传力方式相互作用的小齿轮。
切割构件通常包括切割头和深度限制器,所述深度限制器以齿状方式在上游形成。切割头包括机械锯切功能所需的齿刀。齿刀通常形成为具有顶部切削刃和中部切削刃的弯曲布置的半凿齿(half-chisel teeth),或形成为具有从顶部切削刃和中部切削刃的锋利边缘过渡(shard-edged transition)的全凿齿(full-chisel teeth)。在这两种设计中,齿顶用于改进木材切削,相比之下,中部切削刃横向分离待切割材料。此处,切削厚度由顶部切削刃和深度限制器之间的距离确定。
设计为没有弯曲的切割头并且没有深度限制器的切割构件也是已知的。例如,在国际专利申请WO2013/127542 A1或欧洲专利申请EP 1 083 031 B1中描述了这种替代切割构件。
通常,用于机动链锯的、尤其是木工链锯的锯链的链节由低合金化的可热处理钢制成。然而,这种锯链的切削刃保持力很小,因此需要频繁地重新磨锐,在这些锯链的情况下,重新磨锐可以由有经验的用户进行。在耐磨性、抗疲劳性、坚固性和改进的低温韧性方面的使用寿命的改进是从现有技术中已知。因此,已经尝试通过至少部分涂布单个切割齿,例如镀硬铬,来提高切割齿的耐磨性。然而,从生态的角度而言,单个齿的镀硬铬认为是不利的。此外,切割构件由低合金化的淬火并回火钢制成,其中切割头由碳化合金板制成并且通过焊铜以牢固结合的方式连接。例如,这种实施方案描述于欧洲专利申请EP2052821B1中。此情况下,由细粒碳化钨制成的(例如由钴固定在一起的)碳化合金板在数量方面最为重要。
通过使用由材料复合物制成的锯链获得了相当大的进步。在这些锯链的情况下,锯链的切割构件由两种符合相应要求的材料组成,这两种材料通过激光或电子辐射连接以形成材料复合物。对于支撑部件,使用不易破坏的(unbreakable)、具有成本效益的钢合金,对于切割部件,使用弹性高速钢合金,其焊接至支撑部件。
这种锯链描述于例如欧洲专利申请EP 0 592 389 B1或德国专利申请DE4303004C2或DE 10 2010 011 837 A1中。其中描述的锯链链节由材料复合物条带冲压而成,所述材料复合物条带例如由具有成本效益的铁素体钢带构成,作为支撑部件,在所述支撑部件上焊接有以高度耐磨的高速钢丝或钢带形式的切割部件。然后切割构件以高速钢淬火和回火所需的参数来固化和回火。
使用常规市售材料复合物条带,通过对切割部件实施淬火和回火过程,能够获得高速钢的非常高的耐磨性,然而支撑部件所获得的的拉伸强度仅为大约1700MPa。支撑部件的这种强度值不足以用在锯链中。因此,尽管切割部件具有优异的耐磨性,但是由于支撑材料的拉伸强度不够,不能使用由常规材料复合物制成的锯链链节。此外,对所使用的高速钢合金必须使用相应的高奥氏体化温度,然而,这已经对支撑合金产生晶粒粗化或破坏作用。
因此,本发明所要解决的技术问题在于,提供由材料复合物条带制成的用于锯链的切割构件,所述材料复合物条带具有由耐磨高速钢制成的切割部件和由拉伸强度高且更具成本效益的材料制成的支撑部件。特别关注支撑材料的淬火和回火能力,其对于淬火和回火来说允许一方面具有足够高耐磨性的高速钢,另一方面,经淬火和回火的支撑部件具有高拉伸强度和对必要的热处理的潜力。
这一技术问题通过具有本申请权利要求1的特征的用于锯链的切割构件解决。根据本发明的切割构件的有利改进是从属权利要求的主题。
根据本发明,令人惊讶地发现,可以由材料复合物条带制造用于锯链的切割构件,所述材料复合物条带一方面包括耐磨高速钢,且另一方面包括具有相应优化性能的钢材料用于支撑部件,其中,处于淬火和回火状态下的支撑部件的钢材料的硬度大于600HV,且拉伸强度大于2000MPa。
使用本发明的切割构件,支撑材料现还能够实现增加的拉伸强度的要求,这体现于因切割部件使用高速钢而使得锯链的使用寿命更长。
本发明所考虑的在于完成如下任务:提供一种承受增加的负载的支撑材料,并且选择一种热处理,所述热处理并非优化切割部件意义上的,而是优化切割部件和支撑部件的组合意义上。为此,根据本发明,选择一种并非针对双金属固化所需的通常温度设计的支撑材料。令人惊讶地发现,在高于高速钢的奥氏体化温度但低于高速钢完全硬化所需的温度的温度下,可以实现支撑材料的期望硬度超过600HV且拉伸强度超过2000兆帕。因此,与常规高速钢固化相比,固化在稍微较低的温度下进行,其中任选地接受切割部件的高速钢的亚固化以优化切割部件和支撑部件的组合。
根据本发明,本发明的切割构件的支撑部件的钢合金是工具钢。令人惊讶的是,已发现,在高速钢淬火和回火所需的条件下,特定的工具钢合金可以获得超过600HV的硬度值和超过2000MPa的拉伸强度。因此,这种钢合金特别适合用于本发明的用于切割构件的材料复合物条带的支撑部件。
迄今为止,使用的低合金化的钢合金的耐磨性或强度值太低,略高合金化的冷功能化钢在热负荷下会失效;尤其是在硬木领域或需要更高强度的切割时。
本文发现的支撑部件的工具钢合金具有以下组成(规格以重量%计):
优选地,支撑部件的钢合金具有以下组成(规格以重量%计):
本发明的切割构件可用在用于标准运行的汽油链锯的锯链中、用于以电动或电池运行的链锯或以替代性驱动系统运行的链锯的锯链中。
所得锯链的使用寿命比由碳钢制成的传统链条的使用寿命长许多倍,因此特别适用于机器中使用。一方面,在收割机操作中砍伐树木的情况下,较高的耐磨性对磨料杂质(例如采伐区域的沙子或土壤)产生的摩擦具有非常积极的影响,另一方面,在硬木领域以及原木锯在锯材和托盘行业中的进一步加工中,例如用于木材包装的精确修整。
随着使用高速钢作为切割材料现已变得可能,不仅可以提高切割构件的耐磨性并因此提高切割构件的切削韧性,而且,由于更高的齿硬度,锯链的切割性能链能够以几何变化相应增加。此外,由于较低的磨损进程,切割部件在切削刃处产生的切割力显著降低,这尤其在电池供电链锯的情况下明显提高操作性能。
由于支撑部件的高强度钢合金,深度限制器在本发明的切割构件中与现有技术已知的切割构件相比具有增加的耐磨性。特别有利地,深度限制器可以在其与切割材料的接触区域上由高速钢形成,以便额外地提高耐磨性。
使用本发明的锯链,还可以切割存在金属异物例如钉子、螺钉或夹子的切割材料。因此,本发明的锯链也特别适用于拆除工作、建筑和采矿工程或通常的恶劣应用。
根据一个优选的实施方案,处于淬火和回火状态的支撑部件的钢合金具有630HV至750HV的硬度和2100MPa至2500MPa的抗拉强度。
优选地,用于切割部件的高速钢也进行优化,以使其淬火和回火可以在一方面确保切割部件的高耐磨性且另一方面不会对支撑部件的疲劳强度产生不利影响的温度下进行。特别优选地,本发明的切割构件的切割部件使用高速钢,所述高速钢具有以下组成(规格以重量%计):
通常,锯链的切割构件的切割部件和支撑部件具有相同的厚度,特别是在其由双金属制成时。根据本发明的变型,高速钢切割部件和任选地存在的由高功能钢制成的深度限制器可以具有比支撑部件更小的厚度。切割部件的厚度可以是例如支撑部件厚度的40-90%,优选50-80%。切割部件的较小厚度具有的优点在于,制造成本因与昂贵的高速钢相关的材料节约而降低,这对于尺寸更大的切割构件特别有效果。此外,切割部件的弯曲能力增加,从而可以实现更小的曲率半径。
本发明还涉及一种用于机动链锯的锯链,包括本发明的上述切割构件或传动构件以及任选地还包括互连链节,其通过螺栓或铆钉彼此可移动地连接。
本发明还涉及本发明的锯链在原木锯、联合收割机、木材包装锯、电池供电链锯和用于拆除的链锯或在恶劣工作环境中的链锯中的用途。
最后,本发明还涉及一种用于制造本发明的切割构件的方法,其中,由高速钢制成的至少一个第一中央扁平带材在其两个带边缘上沿着由可淬火和回火的不易破坏的钢合金制成的第二扁平带材或第三扁平带材通过焊缝彼此焊接,形成材料复合物条带。切割构件从复合材料移除,移除的方式为使得切割构件的支撑部件由第二扁平带材或第三扁平带材构成且切割部件由第一扁平带材构成。移除优选通过冲出或切出切割构件坯料来执行。在相应的再成形步骤之后,将切割构件加热、冷却并且任选地回火数次,以在高于高速钢的奥氏体化温度的温度下固化。此处,该温度高于高速钢的奥氏体化温度,优选超过1000℃,且特别优选该温度在1050℃至1200℃的范围内。为了达到所需的功能硬度或耐磨性,切割部件任选地在500℃-600℃下进行多次回火。最后以固有已知的方式部分地研磨或锐化切割构件。
第二扁平带材和第三扁平带材由可淬火和回火的本发明钢合金构成。第二扁平带材和第三扁平带材优选由相同的合金构成。
深度限制器可由第二扁平带材或第三扁平带材构成。然而,优选地,切割构件坯料从材料复合物条带移除的方式为,深度限制器至少部分地由高速钢制成的扁平带材组成。
扁平带材通常具有相同的厚度。如果根据本发明的切割构件的上述变型,切割部件的厚度设计为小于支撑部件的厚度,则优选地已经选择具有相应厚度的带材。在本发明的方法的变型中,由高速钢制成的第一扁平带材具有比第二扁平带材和第三扁平带材具有更小的厚度。优选地,第一扁平带材的厚度为第二扁平带材和第三扁平带材厚度的40-90%,特别优选50-80%。当焊接不同厚度的带材时,焊缝上会出现不同的台阶,这些台阶可以在适当的后处理步骤中变平,例如借助平滑辊变平。替代地或附加地,较厚的第二带材和第三带材的折边可进行倒角以形成更一致地过渡。
下面参考附图中描绘的优选实施方式来更详细地解释本发明。
附图中示出了:
图1为锯链的切口(cut-out)的侧视图;
图2示出图1锯链的切割部件的一个实施方案,所述切割部件由材料复合物和焊缝构成;
图3是本发明的切割构件的切割齿的截面图;
图4为具有示意性描绘的冲压坯料的材料复合物;
图5为图4材料复合物沿V-V线的截面图;
图6为材料复合物一个变型对应于图5的截面图,其中高速钢具有较小的厚度d2;
图7为固化温度和回火温度对切割材料硬度的影响的图;
图8为本发明的切削刃和现有技术的切削刃的渐进磨损的比较记录;和
图9为定量测量磨损值随加工值变化的图。
图1示出锯链的侧视图,在欧洲专利申请EP 0 592 389B1中通过示例进行了更详细的解释。通篇用附图标记10标示的锯链具有一系列切割构件11和传动构件12。切割构件11与对应链节13一起通过铆钉14连接至传动链节。此外,在所描绘的示例中,传动链节还通过互连链节15通过铆钉14相互连接。每个切割构件11均具有由结构钢制成的支撑部件16和由高速钢制成的切割部件17。支撑部件16和切割部件17沿焊缝18彼此连接。切割构件11具有深度限制器20,在图1的实施方案中,深度限制器20完全由支撑部件16的不易破坏的钢合金构成。
图2示出本发明的切割构件11的实施方案的三维视图。图2实施方式的切割构件11基本上对应于图1的锯链的切割构件11。支撑部件16由工具钢制成并且通过焊缝18连接至由高速钢制成的切割部件17。切割部分17包括切割齿19,并且与图1的变型不同的是,深度限制器20的至少一部分区域由切割部件17形成。由于切割齿的使用寿命明显提高,深度限制器尤其也经历增加的磨损。然而,由于在本发明的该实施方案中,深度限制器也由高速钢制成,所以这可以很好地承受增加的磨损。切割部件和支撑部件的厚度在图2中用d1和d2标记。
图3示出了切割齿19区域中的切割构件的横截面。该横截面图尤其示出,当从支撑部件16过渡到切割部件17时焊缝18的位置和形状。还描绘了切割齿19的切割齿外侧22上的根部缝的较小焊缝宽度和切割齿19的张力减小的切割齿内侧21上的较大焊缝宽度或顶部轨道(upper track)。
图4示出用于制造本发明的锯链的切割构件的材料复合物条带30。材料复合物条带通过激光或电子束焊接设备制造,且在移除切割构件毛坯和随后的再成型时通过有针对性地定位复合物条带,来布置焊缝路线,布置方式为使得根部缝的较小焊缝厚度位于接下来的切割齿19的外侧22上,并且具有可能的咬边或可能的焊缝槽的较大焊缝宽度或上部轨道位于拉伸减少的切割齿的内侧21上,所述拉伸减少的切割齿在切割齿再成型时产生。这可以很容易地看出,特别是在图3的横截面图中。
如图4可以看出的,材料复合物条带30包括由高速钢制成的第一中央扁平带材31,在第一中央扁平带材31的两个带边缘上沿第二扁平带材或第三扁平带材32、33沿焊接线18焊接。示意性地表示的冲压轮廓34、35以这样的方式布置:接下来的切割构件11的支撑部件16在由工具钢制成的第二扁平带材和第三扁平带材32、33中,而切割部件17布置在由高速钢制成的第一中央扁平带材31的区域中。可以看出,可以通过在扁平高速钢带31的两侧有针对性地布置冲压轮廓(punch contour)来使由材料复合物条带制成的左切割构件和右切割构件分开,切割构件11具有特别低的材料损耗。在这一实施方案中,冲压轮廓34、35以这样的方式布置:深度限制器20完全位于第二带材和第三条带材32、33的区域中(即如图1中实施的),不具有高速钢。然而也可以看出,图2的实施方案能够通过有针对性地选择冲压轮廓34、35的几何形状实施,其中深度限制器20的尖端伸入由高速钢制成的第一带材中。
扁平带材可以具有相同或不同的厚度。在本上下文中,“厚度”是指垂直于其延伸平面的带材的尺寸。在图5中,描绘了沿图4中的线V-V的横截面。在该变型中,带材31、32、33具有相同的厚度d。在该变型中,焊缝18上没有台阶。
在图6所示的替代性实施方案中,由高速钢制成的第一扁平带材31’的厚度d2小于扁平带材32’、33’的厚度d1。在该变型中,焊缝18'上出现台阶,所述台阶可通过后处理步骤变整平。为了减小初始厚度差异,如图6所示,带材32、33的与焊缝18’相邻的折边36’、37’可以进行倒角。
比较试验
以下比较试验描述了其中切割构件由本发明的材料复合物构成的锯链的有利用途。
1.热处理
通过在本发明的材料复合物中使用高速钢实现了比常规碳钢更好的磨损性能(参见下文第2项描述的磨损试验)。然而,使用这种高速钢又需要提高奥氏体化温度。因此,根据本发明的材料复合物在合适的支撑条带的材料方面的改进具有重要意义。因此,进行了热处理试验,其中样品在盐浴中固化然后回火两次。随后测定硬度和拉伸强度。
固化温度或回火温度对所述性能的影响汇总于下表1中。可以看出,无论热处理如何,本发明的支撑材料的强度值高于常规碳钢的强度值。
表1:在盐浴(高达10分钟的盐浴固化)中进行短期热处理后固化温度和回火温度对不同支撑条带材料的拉伸强度和硬度的影响。
此外,还进行的热处理试验是,样品在不同温度下在真空烘箱中固化然后在550℃下回火两次。随后也测定了硬度和拉伸强度。固化温度或回火温度对拉伸强度和硬度的影响汇总于下表2中。
表2:真空中下长期热处理后(真空固化超过60分钟)固化温度和回火温度对本发明的支撑条带的拉伸强度和硬度的影响。
2.耐磨性
为了评价本发明的材料复合物的耐磨性,对所谓的木材切削轻质板进行了机加工试验。这种板由长条刨光的云杉或松木制成,其中这些纤维由水泥粘合。这种磨损试验模拟了极其实际的情况,这些情况与经常发生的木材中的磨料污染(例如沙子)特别相关,或者与在砍伐区域因土壤而造成的磨损污染特别相关。
通常,高速钢的磨损性能与其硬度和韧性相关。这两种特性的最佳组合通过使高速钢在比二次固化最大值稍高的温度下固化和回火获得。二次固化势能(secondarycuring potential)由固化温度和保持时间决定。因此,通过合适地选择不同硬化技术(盐浴固化或真空固化)的这些参数,可以设定相同的硬度。例如,图5示出本发明材料复合物的切割材料的固化-回火曲线,其中本发明的材料复合物一方面在真空中固化,另一方面在盐浴中固化。结果表明,无论采用何种固化技术,切割材料中均可以实现同等的硬度,因此可以预期具有同等的耐磨性。
对于这样的试验,由本发明的材料复合物的切割材料制成的刨木刀(wood planeknife)具体由高速钢切割部件(组成(按重量%计)为:0.75%C、0.3%Si、0.25%Mn、4%Cr、5%Mo、1%V、1%W、8%Co)和工具钢支撑部件(组成(按重量%计)为:0.55%C、1%Si、0.4%Mn、8%Cr,0.5%Mo、0.5%V)以47度的切割角度制成。这些刨木刀已与几何上对应的由锯切行业中常用的63NiNb4级传统碳钢制成的刨木刀进行了比较。磨损进程的评估通过在定义的加工路径(LW)之后测量切削几何形状来进行。
图8代表性地显示了切削刃的连续磨损。图8中的部分描述a)、b)和c)的示出在磨损试验开始之前(LW=0毫米或加工路径为6,000毫米和24,000毫米),由碳钢制成的传统木刨刀的磨损情况。图8中的部分描述d)、e)和f)示出采用本发明的切削刃由高速钢构成的刨木刀的相应结果。显然,常规碳钢切削刃上的磨损明显高于本发明材料复合物的高速钢。
为了定量化磨损进程,已测量几何表面损失已被测量并使几何表面损失应用于整个加工路径。图9描述了由碳钢63NiNb4制成的切削刃或由本发明材料复合物的切割材料制成的切削刃的相应的结果(作为加工路径函数的定量测量的磨损)。数据可以很容易地通过回归线再现,磨损率可以从回归线的斜率确定。因此,对于碳钢63NiNb4,磨损率为2.8304μm2/mm,而对于本发明材料复合物的高速钢,出现0.481μm2/mm的磨损率。该评估表明,使用由本发明的材料复合物制成的切割构件是特别有利的。
Claims (16)
2.根据权利要求1所述的切割构件,其特征在于,处于淬火和回火状态下的支撑部件(16)的钢合金的硬度为630HV至750HV且拉伸强度为2100MPa至2500MPa。
5.根据权利要求1至4任一项所述的切割构件,其特征在于,所述支撑部件(16)的钢材料与所述切割部件(17)的高速钢形成材料复合物,所述材料复合物采用激光或电子辐射经由焊缝(18)焊接,其中所述焊缝位于所述切割构件(11)负载较小的区域。
6.根据权利要求1至5任一项所述的切割部件,其特征在于,所述焊缝(18)几何上较窄的底部轨道布置在所述切割构件(11)的外侧(22),且所述焊缝(18)的顶部轨道布置在切割构件(11)的内侧(21)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的切割构件,其特征在于,所述切割构件(11)具有深度限制器(20),所述深度限制器(20)至少部分地由高速钢组成。
8.根据权利要求1至7任一项所述的切割构件,其特征在于,所述切割部件(17)的厚度小于所述支撑部件(16)的厚度。
9.一种用于机动链锯的锯链,包括传动链节(12)、根据权利要求1至8任一项所述的切割构件(11)和任选的互连链节(15),其通过螺栓或铆钉(14)相互可移动地连接。
10.制造权利要求1至8任一项所述的切割构件的方法,其中,
使由高速钢制成的至少一条第一扁平带材(31)以其两个带边缘上沿着第二扁平带材(32)或第三扁平带材(33)设置,所述第二扁平带材(32)或第三扁平带材(33)由可淬火和回火的不易破坏的钢合金制成;
第一扁平带材、第二扁平带材、第三扁平带材(31、32、33)沿带边缘通过焊缝(18)焊接,以形成材料复合带材(30);
使切割构件(11)从所述材料复合带材(30)移除,移除方式为使得切割构件(11)的支撑部件(16)由第二扁平带材或第三扁平带料(32、33)构成,且切割构件(11)的切割部件(17)由第一扁平带材(31)构成;
并且
为了硬化,加热切割构件(11)至高于高速钢的奥氏体化温度的温度,再次冷却并且任选地回火数次。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述高于高速钢的奥氏体化温度的温度大于1000℃。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述高于高速钢的奥氏体化温度的温度为1050℃至1200℃。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,所述高于高速钢的奥氏体化温度的温度为1100℃至1160℃。
14.根据权利要求9至13任一项所述的方法,其特征在于,切割构件在500℃至600℃的温度下回火。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,切割构件在520℃至560℃的温度下回火。
16.根据权利要求10至15任一项所述的方法,其特征在于,第一扁平带材(31)的厚度小于第二扁平带材和第三扁平带材(32、33)的厚度。
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