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超低温处理改善高速钢刀具性能及机理研究

超低温处理作为一种新工艺，70年代以来，随着低温绝热技术的发展，在国外得到广泛的研究和应用。国内从80年代开始了该技术的研究。超低温处理主要用于改善工件的性能，提高刀具的使用寿命。超低温处理的一虽然其中并没有明确工程塑料及复合材料的用量个不确定因素是，不同的刀具材料或者同一种刀具材料处于不同的热处理状态，其超低温处理的效果是不同的。有的材料经超低温处理后，能显著改善刀具的性能和提高使用寿命，如高碳铬模具钢、硅刀具钢、碳素工具钢、铬钼热模钢、钨钼高速钢等经低温处理后性能均能显著改善；而有些材料经超低温处理后性能改善不明显，如不锈钢、镍铬钼合金钢、普通碳素钢、铸铁等。

目前对超低温处理作用机理解释为：工件在超低温处理过程中，内部的残余奥氏体转变成马氏体，同时伴随着一些细小而弥散的碳化物析出。也有人认为，除了上述情况外，在超低温处理过程中，工件内还发生了某种马氏体的相转变。

W6Mo5Cr4V2钢(以下简称W6钢)刀具与陶瓷刀具以及硬质合金刀具相比，具有通用性好，成本低，易加工成型等优点，但其红硬性和耐磨性相对较差，使用寿命较短。为解决这一问题，我们对W6钢冷挤压冲头和麻花钻作了超低温处理试验，并用于生产实践。结果表明，超低温处理改善了W6钢刀具的性能，提高了使用寿命。

试验材料与方法

试验工件为云南省楚雄活塞销厂生产的W6材料伸长率超过1000%的可以选用行程1000或是1200mm高速钢冷挤压冲头以及昆明手扶拖拉机厂用的高速钢麻花钻。

对冷挤压冲头的超低温处理采用两种工艺，一种是对经淬火、回火及磨削加工的成品件进行处理，将冲头分为5组，每组3件，直接浸泡在液氮中，分别保冷3天、4天、5天、6天、7天后，取出在空气中放至室温，直接使用；另一种是对未经磨削的半成品进行超低温处理并回火，磨削后投入使用。对W6高速钢麻花钻的处理同样是分批直接浸入液氮中保冷，时间分别为3天、4天、5天，视麻花钻直径大小而定。对经超低温处理和未经处理的工件，在生产中做加工对比试验，并做相应的性能试验和电镜组织分析。

试验结果及分析

1) 生产使旋盖机用结果

未经超低温处理的W6冲头每支可挤压8 500只合格产品；经超低温处理并经直接投入使用的冲头可挤压13 000～15 000只合格产品，最高的可挤压28 500只，其中保冷5天的效果最佳。冲头的平均寿命提高了1.5倍。经超低温处理后，再回火、磨削后投入使用的冲头，效果欠佳。

未经处理的麻花钻每刃磨一次可钻40～50孔；经超低温处理的φ13 W6高速钢麻花钻，在相同的切削条件下(切削量为n=341r/min；f=0.1mm/r，切削冷却液为5%乳化液)，加工ZG45钢精铸件，麻花钻每刃磨一次可钻100～110孔。

2) 性能试验结果

对经超低温处理和未经处理的W6钢分别做抗弯强度(sbb)、冲击韧性(akv)、洛氏硬度(HRC)、红硬性(600℃×4h HRC)试验。试验平均值见表1。表1 超低温处理对W6钢性能的影响

项目室温硬度

(HRC)红硬性(HRC)

660℃×4h冲击韧性(akv)

(J/cm2)sbb

(MPa)未经超低温处理

经超低温处理64.7

65.360.5

63.312.4

13.12 432.4

3 329.1

从表1可以看出，W6钢经超低温处理广州后，室温硬度略有提高，但变化值不到HRC1，说明超低温处理对室温硬度的影响很小，而红硬性和抗弯强度提高较明显。

3) 电镜扫描组织

宏观观察W6高速钢冷挤压冲头断口，经超低温处理的冲头，断口组织较致密，未经处理的冲头，断口组织较粗糙。将超低温处理和未超低温经处理的W6钢价格实惠操作简单冲头材料在扫描电镜下做金相组织分析，其扫描电镜组织分别如图1、图2所示。由图2可见，在超低温处理的试件中，马氏体已经碎化，超细碳化物明显增多，且分布趋于均匀。

图1未经超低温处理的组织 3 000× 图2经超低温处理的组织 3 000×

结果分析

生产实践结果表明，超低温处理后，无论对W6钢冷挤压冲头，还是W6钢麻花钻，使用寿命均提高1倍以上，这说明，超低温处理改善了W6高速钢的性能。作为刀具材料，红硬性是重要的性能指标，我们测试的结果，W6钢经超低温处理后，红硬性提高了约HRC2.8，说明超低温处理增强了W6钢的热稳定性。要提高热稳定性，材料的组织中必须有强化相产生。那么，这些强化相是什么?又是怎样产生的?要了解超低温处理的作用机理，可从W6钢的扫描电镜组织中看出，经超低温处理后的组织，其晶粒尺寸变化了，且在晶面、晶界处分布的碳化物细化了，更明显的是提高了碳化物的弥散度。

超低温处理后，材料组织中的晶粒尺寸变小，主要是因为马氏体发生了碎化。高速钢刀具使用前均需经过淬火及3次回火，其组织为回火马氏体和少量的残余奥氏体。当工件从室温浸入到-196℃的液氮中时，由于温度变化较大，工件释放大量热量，同时体积缩小并产生内应力。另外，因奥氏体的比容最小，马氏体比容最大，残余奥氏体转变成马氏体时伴随有体积的膨胀而产生组织应力。马氏体碎化的原因正是由于这两种应用的作用所致。可见，马氏体碎化导致晶粒尺寸减小，这是超低温处理能提高材料热稳定性的原因之一。另一个原因是碳化物的增多、细化和弥散分布。碳化物之所以增多是因为在超低温处理过程中，一方面是由于残余奥篮子模具氏体进一步转化为马氏体而析出碳化物，另一方面由于马氏体的碎化也会析出碳化物。碳化物的析出，马氏体的碎化和晶粒尺寸变小，晶界增多，都会使碳化物填充晶格间隙和沿晶界分布的机会增多。故超低温处理后，碳化物更细化且分布更均匀。

上述分析表明，超低温处理使W6钢的弥散强化和固溶强化加强，故使得W6钢的韧性、红硬性及抗弯强度均得到提高。

结论

超低温处理能改善高速钢的性能。显著提高韧性、红硬性及抗弯强度。

超低温处理平均至少可提高高速钢刀具使用寿命1～1.5倍。

超低温处理的作用机理是，除少量残余奥氏体的马氏体化转变外，基体组织的碎化及碳化物强化相的弥散均是改善材料性能的原因。

原载:《新技术新工艺》1999年第2期(end)