超低溫處理改善高速鋼刀具性能及機理研究

　　超低溫處理作為一種新工藝苗缩，70年代以來崭参，隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展相寇，在國外得到廣泛的研究和應(yīng)用慰于。國內(nèi)從80年代開始了該技術(shù)的研究。超低溫處理主要用于改善工件的性能，提高刀具的使用壽命婆赠。超低溫處理的一個不確定因素是绵脯，不同的刀具材料或者同一種刀具材料處于不同的熱處理狀態(tài)，其超低溫處理的效果是不同的休里。有的材料經(jīng)超低溫處理后蛆挫，能顯著改善刀具的性能和提高使用壽命，如高碳鉻模具鋼妙黍、硅刀具鋼璃吧、碳素工具鋼、鉻鉬熱模鋼捎霍、鎢鉬高速鋼等經(jīng)低溫處理后性能均能顯著改善忌颠；而有些材料經(jīng)超低溫處理后性能改善不明顯，如不銹鋼缨吸、鎳鉻鉬合金鋼敲非、普通碳素鋼、鑄鐵等源照。 

　　目前對超低溫處理作用機理解釋為：工件在超低溫處理過程中笋窍，內(nèi)部的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，同時伴隨著一些細(xì)小而彌散的碳化物析出锁销。也有人認(rèn)為项凉，除了上述情況外，在超低溫處理過程中赦牧，工件內(nèi)還發(fā)生了某種馬氏體的相轉(zhuǎn)變巧糖。 

　　W6Mo5Cr4V2鋼(以下簡稱W6鋼)刀具與陶瓷刀具以及硬質(zhì)合金刀具相比，具有通用性好胳瑟，成本低蜻蒋，易加工成型等優(yōu)點，但其紅硬性和耐磨性相對較差厢岂，使用壽命較短光督。為解決這一問題，我們對W6鋼冷擠壓沖頭和麻花鉆作了超低溫處理試驗塔粒，并用于生產(chǎn)實踐结借。結(jié)果表明，超低溫處理改善了W6鋼刀具的性能卒茬，提高了使用壽命船老。　　 

　　試驗材料與方法 

　　試驗工件為云南省楚雄活塞銷廠生產(chǎn)的W6高速鋼冷擠壓沖頭以及昆明手扶拖拉機廠用的高速鋼麻花鉆扬虚。 

　　對冷擠壓沖頭的超低溫處理采用兩種工藝努隙，一種是對經(jīng)淬火球恤、回火及磨削加工的成品件進(jìn)行處理，將沖頭分為5組荸镊，每組3件咽斧，直接浸泡在液氮中，分別保冷3天躬存、4天糯锦、5天、6天灶花、7天后值膝，取出在空氣中放至室溫，直接使用艰吏；另一種是對未經(jīng)磨削的半成品進(jìn)行超低溫處理并回火欺垛，磨削后投入使用。對W6高速鋼麻花鉆的處理同樣是分批直接浸入液氮中保冷涣累，時間分別為3天隆鹤、4天、5天蹦争，視麻花鉆直徑大小而定汪请。對經(jīng)超低溫處理和未經(jīng)處理的工件，在生產(chǎn)中做加工對比試驗瑞捂，并做相應(yīng)的性能試驗和電鏡組織分析贸左。　　 

　　試驗結(jié)果及分析  

　　生產(chǎn)使用結(jié)果    

　　未經(jīng)超低溫處理的W6沖頭每支可擠壓8 500只合格產(chǎn)品酷麦；經(jīng)超低溫處理并經(jīng)直接投入使用的沖頭可擠壓13 000～15 000只合格產(chǎn)品矿卑，最高的可擠壓28 500只，其中保冷5天的效果最佳贴铜。沖頭的平均壽命提高了1.5倍粪摘。經(jīng)超低溫處理后瀑晒，再回火绍坝、磨削后投入使用的沖頭，效果欠佳苔悦。 

　　未經(jīng)處理的麻花鉆每刃磨一次可鉆40～50孔轩褐；經(jīng)超低溫處理的f13 W6高速鋼麻花鉆，在相同的切削條件下(切削量為n=341r/min;f=0.1mm/r玖详，切削冷卻液為5%乳化液)把介，加工ZG45鋼精鑄件，麻花鉆每刃磨一次可鉆100～110孔蟋座。   

　　性能試驗結(jié)果    

　　對經(jīng)超低溫處理和未經(jīng)處理的W6鋼分別做抗彎強度(s<SUB>bb</SUB>)拗踢、沖擊韌性(a<SUB>kv</SUB>)脚牍、洛氏硬度(HRC)、紅硬性(600℃×4h HRC)試驗巢墅。試驗平均值見表1碗品。  

　　表1 超低溫處理對W6鋼性能的影響  

　　項目    室溫硬度    紅硬性(HRC)   沖擊韌性(akv)     sbb

　　(HRC)       660℃×4h       (J/cm<2)       (MPa) 

　　未經(jīng)超低   64.7        60.5            12.4         2 432.4

　　溫處理

　　經(jīng)超低溫   65.3        63.3            13.1         3 329.1 

　　處理 

　　從表1可以看出，W6鋼經(jīng)超低溫處理后美卒，室溫硬度略有提高芽嗓，但變化值不到HRC1，說明超低溫處理對室溫硬度的影響很小轿战，而紅硬性和抗彎強度提高較明顯班卖。   

　　電鏡掃描組織    

　　宏觀觀察W6高速鋼冷擠壓沖頭斷口，經(jīng)超低溫處理的沖頭载蜓，斷口組織較致密呆纤，未經(jīng)處理的沖頭，斷口組織較粗糙肄绢。將超低溫處理和未超低溫經(jīng)處理的W6鋼沖頭材料在掃描電鏡下做金相組織分析遏治，其掃描電鏡組織分別如圖1、圖2所示函强。由圖2可見鸵安，在超低溫處理的試件中，馬氏體已經(jīng)碎化反璃，超細(xì)碳化物明顯增多昵慌，且分布趨于均勻。   

　　結(jié)果分析 

　　生產(chǎn)實踐結(jié)果表明淮蜈，超低溫處理后斋攀，無論對W6鋼冷擠壓沖頭，還是W6鋼麻花鉆梧田，使用壽命均提高1倍以上淳蔼，這說明，超低溫處理改善了W6高速鋼的性能裁眯。作為刀具材料鹉梨，紅硬性是重要的性能指標(biāo)，我們測試的結(jié)果穿稳，W6鋼經(jīng)超低溫處理后存皂，紅硬性提高了約HRC2.8，說明超低溫處理增強了W6鋼的熱穩(wěn)定性逢艘。要提高熱穩(wěn)定性旦袋，材料的組織中必須有強化相產(chǎn)生。那么它改，這些強化相是什么?又是怎樣產(chǎn)生的?要了解超低溫處理的作用機理物轮，可從W6鋼的掃描電鏡組織中看出刃傻，經(jīng)超低溫處理后的組織，其晶粒尺寸變化了怖征，且在晶面属缚、晶界處分布的碳化物細(xì)化了，更明顯的是提高了碳化物的彌散度护狠。 

　　超低溫處理后隧鸠，材料組織中的晶粒尺寸變小，主要是因為馬氏體發(fā)生了碎化同蚂。高速鋼刀具使用前均需經(jīng)過淬火及3次回火懊玖，其組織為回火馬氏體和少量的殘余奧氏體。當(dāng)工件從室溫浸入到-196℃的液氮中時扔相，由于溫度變化較大力鹰，工件釋放大量熱量，同時體積縮小并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力厚遗。另外腺首，因奧氏體的比容最小，馬氏體比容最大黔攒，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時伴隨有體積的膨脹而產(chǎn)生組織應(yīng)力趁啸。馬氏體碎化的原因正是由于這兩種應(yīng)用的作用所致《蕉瑁可見不傅，馬氏體碎化導(dǎo)致晶粒尺寸減小，這是超低溫處理能提高材料熱穩(wěn)定性的原因之一赏胚。另一個原因是碳化物的增多访娶、細(xì)化和彌散分布。碳化物之所以增多是因為在超低溫處理過程中觉阅，一方面是由于殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為馬氏體而析出碳化物崖疤，另一方面由于馬氏體的碎化也會析出碳化物。碳化物的析出典勇，馬氏體的碎化和晶粒尺寸變小劫哼，晶界增多，都會使碳化物填充晶格間隙和沿晶界分布的機會增多痴柔。故超低溫處理后沦偎，碳化物更細(xì)化且分布更均勻。 

　　上述分析表明溅蓖，超低溫處理使W6鋼的彌散強化和固溶強化加強，故使得W6鋼的韌性攘调、紅硬性及抗彎強度均得到提高剥讼『咀福　　 

　　結(jié)論  

　　超低溫處理能改善高速鋼的性能。顯著提高韌性乞芳、紅硬性及抗彎強度铐儡。 

　　超低溫處理平均至少可提高高速鋼刀具使用壽命1～1.5倍。 

　　超低溫處理的作用機理是细抠，除少量殘余奧氏體的馬氏體化轉(zhuǎn)變外庆葱，基體組織的碎化及碳化物強化相的彌散均是改善材料性能的原因。

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