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超低溫處理改善高速鋼刀具性能 作者:編輯:admin發(fā)布時間:2006-5-26內(nèi)容摘要:超低溫處理作為一種新工藝,70年代以來,隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展,在國外得到廣泛的研究和應(yīng)用。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。超低溫處理的一個不確定因素是,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。有的材料經(jīng)超低溫處理后,能顯著改善刀具的性能超低溫處理作為一種新工藝,70年代以來,隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展,在國外得到廣泛的研究和應(yīng)用。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。超低溫處理的一個不確定因素是,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。有的材料經(jīng)超低溫處理后,能顯著改善刀具的性能和提高使用壽命,如高碳鉻模具鋼、硅刀具鋼、碳素工具鋼、鉻鉬熱模鋼、鎢鉬高速鋼等經(jīng)低溫處理后性能均能顯著改善;而有些材料經(jīng)超低溫處理后性能改善不明顯,如不銹鋼、鎳鉻鉬合金鋼、普通碳素鋼、鑄鐵等。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,內(nèi)部的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體,同時伴隨著一些細小而彌散的碳化物析出。也有人認(rèn)為,除了上述情況外,在超低溫處理過程中,工件內(nèi)還發(fā)生了某種馬氏體的相轉(zhuǎn)變。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,成本低,易加工成型等優(yōu)點,但其紅硬性和耐磨性相對較差,使用壽命較短。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,并用于生產(chǎn)實踐。結(jié)果表明,超低溫處理改善了W6鋼刀具的性能,提高了使用壽命。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。對冷擠壓沖頭的超低溫處理采用兩種工藝,一種是對經(jīng)淬火、回火及磨削加工的成品件進行處理,將沖頭分為5組,每組3件,直接浸泡在液氮中,分別保冷3天、4天、5天、6天、7天后,取出在空氣中放至室溫,直接使用;另一種是對未經(jīng)磨削的半成品進行超低溫處理并回火,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,時間分別為3天、4天、5天,視麻花鉆直徑大小而定。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,并做相應(yīng)的性能試驗和電鏡組織分析。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8500只合格產(chǎn)品;經(jīng)超低溫處理并經(jīng)直接投入使用的沖頭可擠壓1300015000只合格產(chǎn)品,最高的可擠壓28500只,其中保冷5天的效果最佳。沖頭的平均壽命提高了1.5倍。經(jīng)超低溫處理后,再回火、磨削后投入使用的沖頭,效果欠佳。未經(jīng)處理的麻花鉆每刃磨一次可鉆4050孔;經(jīng)超低溫處理的f13W6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,切削冷卻液為5%乳化液),加工ZG45鋼精鑄件,麻花鉆每刃磨一次可鉆100110孔。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(sbb)、沖擊韌性(akv)、洛氏硬度(HRC)、紅硬性(6004hHRC)試驗。試驗平均值見表1。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)6604h(J/cm2)(MPa)未經(jīng)超低64.760.512.42432.4溫處理經(jīng)超低溫65.363.313.13329.1處理從表1可以看出,W6鋼經(jīng)超低溫處理后,室溫硬度略有提高,但變化值不到HRC1,說明超低溫處理對室溫硬度的影響很小,而紅硬性和抗彎強度提高較明顯。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,斷口組織較致密,未經(jīng)處理的沖頭,斷口組織較粗糙。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,其掃描電鏡組織分別如圖1、圖2所示。由圖2可見,在超低溫處理的試件中,馬氏體已經(jīng)碎化,超細碳化物明顯增多,且分布趨于均勻。結(jié)果分析生產(chǎn)實踐結(jié)果表明,超低溫處理后,無論對W6鋼冷擠壓沖頭,還是W6鋼麻花鉆,使用壽命均提高1倍以上,這說明,超低溫處理改善了W6高速鋼的性能。作為刀具材料,紅硬性是重要的性能指標(biāo),我們測試的結(jié)果,W6鋼經(jīng)超低溫處理后,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。要提高熱穩(wěn)定性,材料的組織中必須有強化相產(chǎn)生。那么,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,可從W6鋼的掃描電鏡組織中看出,經(jīng)超低溫處理后的組織,其晶粒尺寸變化了,且在晶面、晶界處分布的碳化物細化了,更明顯的是提高了碳化物的彌散度。超低溫處理后,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。高速鋼刀具使用前均需經(jīng)過淬火及3次回火,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,由于溫度變化較大,工件釋放大量熱量,同時體積縮小并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。另外,因奧氏體的比容最小,馬氏體比容最大,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。馬氏體碎化的原因正是由于這兩種應(yīng)用的作用所致。可見,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。另一個原因是碳化物的增多、細化和彌散分布。碳化物之所以增多是因為在超低溫處理過程中,一方面是由于殘余奧氏體進一步轉(zhuǎn)化為馬氏體而析出碳化物,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,馬氏體的碎化和晶粒尺寸變小,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。故超低溫處理后,碳化物更細化且分布更均勻。上述分析表明,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、紅硬性及抗彎強
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