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。
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