超低溫處理改善高速鋼刀具性能.doc

超低溫處理改善高速鋼刀具性能 作者：編輯：admin發(fā)布時(shí)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(lái)，隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)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(gè)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(lái)，隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)外得到廣泛的研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)從80年代開(kāi)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(gè)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(duì)超低溫處理作用機(jī)理解釋為：工件在超低溫處理過(guò)程中，內(nèi)部的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，同時(shí)伴隨著一些細(xì)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(guò)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(jiǎn)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(diǎn)，但其紅硬性和耐磨性相對(duì)較差，使用壽命較短。為解決這一問(wèn)題，我們對(duì)W6鋼冷擠壓沖頭和麻花鉆作了超低溫處理試驗(yàn)，并用于生產(chǎn)實(shí)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(yàn)材料與方法試驗(yàn)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(jī)廠用的高速鋼麻花鉆。對(duì)冷擠壓沖頭的超低溫處理采用兩種工藝，一種是對(duì)經(jīng)淬火、回火及磨削加工的成品件進(jìn)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(duì)未經(jīng)磨削的半成品進(jìn)行超低溫處理并回火，磨削后投入使用。對(duì)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(shí)間分別為3天、4天、5天，視麻花鉆直徑大小而定。對(duì)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(duì)比試驗(yàn)，并做相應(yīng)的性能試驗(yàn)和電鏡組織分析。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對(duì)經(jīng)超低溫處理和未經(jīng)處理的W6鋼分別做抗彎強(qiáng)度(sbb)、沖擊韌性(akv)、洛氏硬度(HRC)、紅硬性(6004hHRC)試驗(yàn)。試驗(yàn)平均值見(jiàn)表1。表1超低溫處理對(duì)W6鋼性能的影響項(xiàng)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(shuō)明超低溫處理對(duì)室溫硬度的影響很小，而紅硬性和抗彎強(qiáng)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(jiàn)，在超低溫處理的試件中，馬氏體已經(jīng)碎化，超細(xì)碳化物明顯增多，且分布趨于均勻。結(jié)果分析生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果表明，超低溫處理后，無(wú)論對(duì)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(shuō)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(cè)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(shuō)明超低溫處理增強(qiáng)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(qiáng)化相產(chǎn)生。那么，這些強(qiáng)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(jī)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(xì)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?yàn)轳R氏體發(fā)生了碎化。高速鋼刀具使用前均需經(jīng)過(guò)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(shí)，由于溫度變化較大，工件釋放大量熱量，同時(shí)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(shí)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?？梢?jiàn)，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(gè)原因是碳化物的增多、細(xì)化和彌散分布。碳化物之所以增多是因?yàn)樵诔蜏靥幚磉^(guò)程中，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，另一方面由于馬氏體的碎化也會(huì)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(huì)使碳化物填充晶格間隙和沿晶界分布的機(jī)會(huì)增多。故超低溫處理后，碳化物更細(xì)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(qiáng)化和固溶強(qiáng)化加強(qiáng)，故使得W6鋼的韌性、紅硬性及抗彎強(qiáng)