高速鋼深冷處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

高速鋼深冷處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

人類社會始于21世紀(jì)。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械工程技術(shù)進(jìn)入了“快速、高效、智能、集成、環(huán)保”的新階段。切割加工是機(jī)械工程技術(shù)中最重要的加工方法之一。絕大多數(shù)對尺寸精度、表面質(zhì)量要求較高的零部件都要經(jīng)過切削加工,切削加工技術(shù)(包括切削方法、刀具、加工工藝等)的水平對加工精度、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本起著舉足輕重的、有時甚至是決定性的作用。高速鋼是制造刀具的主導(dǎo)材料之一,尤其我國高速鋼刀具依然占有相當(dāng)強(qiáng)勢的份額,2005年產(chǎn)量超過8萬噸,占全球產(chǎn)量的40%,生產(chǎn)高速鋼刀具36.5億件,銷售收入109億元。產(chǎn)量是日本的37.6倍,而單件均價只有日本的1/24。低端高速鋼刀具生產(chǎn)過剩,資源消耗嚴(yán)重,效益低下,已成為我國工具行業(yè)面臨的主要問題之一。因此,如何提高普通高速鋼刀具的品質(zhì),研究其制造新工藝、新方法是工具行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的要求,尤其對我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。本文重點(diǎn)介紹國內(nèi)外高速鋼深冷處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀,提出深冷處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。1工具鋼使用說深冷處理又稱超低溫處理或超亞冷處理,它的處理溫度為-100℃以下,是常規(guī)冷處理的延伸。也有文獻(xiàn)表明,深冷處理是在-130℃或-160℃以下的處理溫度。深冷處理指的是將被處理對象置于特定的、可控的低溫環(huán)境中,使其材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化,從而達(dá)到提高或改善材料性能的一種技術(shù)。目前,深冷技術(shù)應(yīng)用通常以液氮作為冷源,利用其相變(氣化)吸熱來獲得低溫環(huán)境。氮?dú)馐谴髿庵械淖钪饕煞葜?無毒無味,因而深冷技術(shù)的應(yīng)用對環(huán)境無害,屬于綠色制造技術(shù)范疇。瑞士的鐘表匠很早就知道把關(guān)鍵零部件埋在雪中以提高其耐磨性。一些經(jīng)驗(yàn)豐富的工具制造者在使用工具鋼之前,把它放入山上的雪洞中,數(shù)月后方取出可達(dá)到類似的效果。這是人類最早開始使用深冷處理技術(shù)。真正開始對深冷處理技術(shù)的研究在20世紀(jì)初,1939年,Α.Π.ΓУЛЯЕВ首先提出高速鋼深冷處理,并在理論上提出了冷至-80℃的理論依據(jù),但由于試驗(yàn)結(jié)果的不統(tǒng)一及當(dāng)時測試手段的局限,使該項(xiàng)研究停滯不前。低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展和液氮的廣泛應(yīng)用,為熱處理工藝及相變理論研究推向更低溫度創(chuàng)造了條件。美國從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行深冷處理對金屬性能影響的研究,主要應(yīng)用對象是航空領(lǐng)域,70年代拓寬到了機(jī)械制造領(lǐng)域。1971年R.F.Barron發(fā)現(xiàn)深冷處理能大大提高五種工具鋼的耐磨性,采用的方法就是把試件置于-84℃及-190℃的低溫環(huán)境中保溫20多個小時,得到的結(jié)果如表1所示,其機(jī)理是深冷處理不僅可以使殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體,而且還可使馬氏體析出彌散的碳化物,除材料D2外,深冷處理后進(jìn)行的回火處理并不增加材料的耐磨性。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,各國對深冷技術(shù)的研究更加深入,1987年由Gray發(fā)起成立了國際深冷處理研究會,同時,出現(xiàn)了3XInstruments&Tolling、MaterialImprovement和Amecry等若干個專業(yè)化的深冷處理公司,開展深冷處理技術(shù)的應(yīng)用研究和服務(wù)。諸如GeneralDynamics,GeneralMotors,GarretteTurbine,HughesAircraft,NorthAm.Rockwell,Steelcase,Motorola,IBM,ITTCanon等許多著名公司開始使用深冷處理技術(shù),取得了很好的效果。為了滿足生產(chǎn)需求,各國研制生產(chǎn)了許多專用的深冷處理設(shè)備,如英國BOC公司的Ellenite設(shè)備,可以均勻冷卻,精確控溫。Cosmos公司的CI系列電腦控制的深冷設(shè)備等。2拉伸殘余土地的硬度和耐磨性各國對高速鋼深冷處理工藝、機(jī)理研究的成果很多,比較有代表性的有:羅馬尼亞I.Alexandru研究了淬火、回火、冷處理等工序之間的不同搭配,試驗(yàn)結(jié)果表明淬火后立即進(jìn)行冷處理,淬火后回火再冷處理、淬火回火后冷處理再回火均有利于提高工具鋼壽命。日本大和久重雄提出高速鋼深冷處理機(jī)理的三點(diǎn)看法:(1)深冷處理可使殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體;(2)晶粒細(xì)化;(3)有細(xì)小彌散的碳化物析出,并推薦如圖1的深冷處理工藝曲線,即“冷處理急熱法”,該方法是將工、模具淬火后,不立即進(jìn)行冷處理,先在100℃×1h熱水中回火,以避免冷處理裂紋的產(chǎn)生,再進(jìn)行深冷處理,保溫后取出放入熱水中快速加熱,然后按規(guī)定進(jìn)行回火。斯洛文尼亞V.LESKOVSEK提出了反映高速鋼硬度、殘余奧氏體、碳化物和碳化物之間的平均距離對材料性能綜合影響的斷裂韌性KJC概念,并給出了一個計算的經(jīng)驗(yàn)公式。KJC=1.363×(HRCHRC?53)×[E×dp??????√×(fcarb)?(16)×(1+faust)]ΚJC=1.363×(ΗRCΗRC-53)×[E×dp×(fcarb)-(16)×(1+faust)](1-1)式中E是彈性模量,單位是MPa,dp是碳化物的平均距離,單位是m,洛氏硬度的單位是HRC,fcarb和faust表示碳化物和殘余奧氏體數(shù)量,KJC的單位是MPa/m。通過試驗(yàn)和計算得到了同樣的結(jié)果,認(rèn)為淬火后進(jìn)行-196℃×1h的深冷處理硬度最高,KJC最小,增加一次回火硬度下降,KJC增大,兩次回火和一次一樣;回火后進(jìn)行深冷處理硬度略有提高,KJC減小,再進(jìn)行一次回火硬度基本不變。印度D.MohanLal等人研究了T1、M2和D3鋼在不同深冷處理工藝下工具的耐磨性,認(rèn)為淬火后直接進(jìn)行深冷處理比經(jīng)過回火處理再進(jìn)行深冷處理工具的壽命會延長;對于回火處理后的深冷處理,溫度越低效果越好;經(jīng)過TiN涂層處理后在進(jìn)行深冷處理的效果不理想,先進(jìn)行低溫處理,然后再進(jìn)行涂層處理,比單獨(dú)進(jìn)行深冷處理工具壽命能再延長,經(jīng)過第一次磨刀后,工具的壽命和深冷處理的一樣。同時,還研究了由D2鋼制成的單刃以及多刃切削刀具,經(jīng)過淬火和隨后的深冷處理后,產(chǎn)生的應(yīng)力分布以及變形水平。采用ANASYS軟件進(jìn)行分析,得到了溫度隨時間變化的應(yīng)力分布曲線,結(jié)果表明單刃切削刀具在1800秒后達(dá)到熱平衡,而多刃刀具需要3600秒;單刃刀具的最大應(yīng)變是0.342×10-3m,多刃刀具是0.546×10-3m;刀具表面的應(yīng)力幾乎都是壓應(yīng)力,這對于提高刀具的耐磨性有好處。伊朗R.Mahmudi等人研究了深冷處理對高速鋼M2的機(jī)械性能和耐磨性的影響,認(rèn)為不同的工藝參數(shù),如奧氏體化、淬火和回火溫度對M2工具鋼的機(jī)械性能和耐磨性均有影響,較高的奧氏體化溫度和回火溫度,較低的淬火溫度,將提高材料的硬度而降低沖擊韌性。冷處理至-70℃,大部分殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,硬度和耐磨性明顯提高,同時材料的沖擊韌性有所下降。在-196℃進(jìn)行處理時硬度和耐磨性進(jìn)一步改善,主要是因?yàn)闅堄鄪W氏體轉(zhuǎn)變更徹底以及一些細(xì)小碳化物顆粒的析出。意大利A.Molinari等人也研究了深冷處理對高速鋼M2的機(jī)械性能的影響,認(rèn)為高速鋼淬火或回火的深冷處理能提高它們的機(jī)械性能,尤其是增加了高速鋼M2的硬度,耐磨性的提高是由于硬度提高的結(jié)果。對兩次回火后的高速鋼進(jìn)行深冷處理,比淬火后直接進(jìn)行深冷處理,高速鋼機(jī)械性能更好。美國J.Y.Huang等人也認(rèn)為對高速鋼M2進(jìn)行深冷處理不僅能促進(jìn)碳化物的形成和增加馬氏體基體中碳化物的數(shù)量,而且也能使碳化物的分布更均勻。P.Kelkar等人認(rèn)為對M2進(jìn)行深冷處理,除了會出現(xiàn)顯著的殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)化外,另外還有兩個作用,一個是殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)化將使位錯密度增加;另一個是工件深冷處理后在室溫下停留幾周,碳原子集聚導(dǎo)致好的碳化物的析出。愛爾蘭D.N.Collins研究了高速鋼(ASP23)的深冷處理,認(rèn)為深冷處理過程中包含著兩種不同的現(xiàn)象或機(jī)理。機(jī)理1:殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。深冷處理提供了接近或低于有效Mf點(diǎn)的溫度,組織中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,導(dǎo)致材料硬度上升,也使工件尺寸穩(wěn)定,但降低了韌性;機(jī)理2:馬氏體的低溫條件化。在遠(yuǎn)低于馬氏體的形成溫度(如液氮溫度)下連續(xù)冷卻和低溫下停留足夠長的時間,導(dǎo)致在隨后的回火過程中形成非常細(xì)小的碳化物顆粒,結(jié)果使材料抗磨性和韌性的提高,而對硬度影響不大。并且指出較低的奧氏體化溫度、較低的冷處理溫度和較長的冷處理時間,在200℃回火,可提高ASP23耐磨性。3深冷處理的應(yīng)用國內(nèi)關(guān)于高速鋼深冷處理研究的文獻(xiàn)報道最早見于徐祖耀院士,徐院士研究了高速鋼在冷處理時冷卻速度及加熱速度以及室溫和零下溫度停留時間對馬氏體相變的影響。認(rèn)為在一般淬火條件下(淬油,分級淬火或等溫淬火),在零下溫度時以慢冷卻及慢加熱為宜,零下處理前鋼件在室溫下可以停留1小時,但不宜在零下溫度(如-30℃)進(jìn)行保溫。從20世紀(jì)80年代開始,國內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)開始高速鋼深冷處理工藝方面的研究。李智超、馬光鋒和仲偉深等人研究了W18Cr4V鋼的深冷處理工藝和深冷處理過程的組織變化,得到如下結(jié)果:(1)W18Cr4V鋼淬火后或回火后施加-196℃深冷處理,紅硬性、沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度得到明顯提高,切削壽命均得到提高;(2)成品高速鋼刀具只要進(jìn)行深冷處理,切削性能就能得到改善;(3)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變、微細(xì)碳化物彌散析出及基體組織細(xì)化是性能提高的內(nèi)在原因。卞建春等人采用1280℃淬火+-196℃深冷處理+560℃回火1小時或1.5小時的熱處理工藝,研究了W18Cr4V高速鋼耐磨性和韌性及其機(jī)理,結(jié)果表明,耐磨性分別比常規(guī)工藝提高20%和76%,抗彎強(qiáng)度和撓度都有所增加。李彩云、程本培等對W6Mo5Cr4V2高速鋼成品刀具低溫(-196℃)強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了研究,認(rèn)為經(jīng)深冷處理后,碳化物的粒度和分布的均勻性是刀具耐磨性和使用壽命提高1-3倍的主要原因,而不是殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,刀具強(qiáng)化不是由于硬度提高所致。彭匡鼎提出了鋼鐵材料在深冷處理中碳化物析出的可能機(jī)理,鋼鐵基質(zhì)強(qiáng)化的物理機(jī)制,用熱力學(xué)的吉布斯函數(shù)判據(jù),證明適當(dāng)?shù)纳罾涮幚砜梢允逛撹F中馬氏體轉(zhuǎn)變完全或成分增加。夏筠等人開展了深冷處理的高速鋼滾刀和氮化鈦涂層的高速鋼滾刀切削性能對比試驗(yàn)研究,得到的結(jié)論是,二者都可提高刀具的耐用度,一般涂層刀具提高了3~4倍,深冷處理刀具大約提高0.5~2倍,涂層刀具重磨后,刀具耐用度下降,而深冷處理的刀具仍與重磨前相同。劉青采用淬火+380℃回火+-196℃深冷處理+2次560℃回火工藝處理W6Mo5Cr4V2高速鋼齒輪滾刀,使用壽命提高了36.8%~77.8%。尹延國采用低溫處理技術(shù)對M2高速鋼銑刀耐磨性進(jìn)行了試驗(yàn)。顧彪、叢吉遠(yuǎn)對回火后W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速鋼刀具進(jìn)行-196℃控溫和液氮浸泡式深冷處理,結(jié)果顯示控溫式深冷處理可以使高速鋼相互矛盾的兩項(xiàng)性能指標(biāo)——韌性與硬度同時獲得提高,晶粒細(xì)化是沖擊韌性提高的主要原因,大量微細(xì)碳化物的彌散析出是其硬度獲得少量提高的主要原因。冷培榆采用浸泡式深冷處理使W6Mo5Cr4V2絲錐壽命提高38%。董允、林曉聘研究了不同深冷處理工藝對W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速鋼力學(xué)性能和刀具壽命的影響,并探討了其機(jī)理,試驗(yàn)結(jié)果表明,深冷處理使高速鋼的室溫硬度及紅硬性都獲得較明顯的改善,適當(dāng)延長低溫下保持時間有利于改善高速鋼的室溫硬度和紅硬性,-196℃低溫下保持時間相同時,多次脈沖深冷處理可使高速鋼獲得更高的硬度和紅硬性,回火后進(jìn)行深冷處理,硬度和紅硬性也會得到改善,這對于高速鋼成品刀具使用廠家具有很大意義;無論是淬火后立即進(jìn)行深冷處理還是常規(guī)淬火回火后再深冷處理,高速鋼的抗彎強(qiáng)度均得到不同程度的改善;淬火后進(jìn)行-196℃×24h深冷處理后再回火,W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩種高速鋼抗彎強(qiáng)度較常規(guī)熱處理分別提高17.6%和11.5%;進(jìn)一步延長低溫保持時間,抗彎強(qiáng)度不再明顯提高;-196℃低溫保持時間相同時,脈沖深冷處理后W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2兩種高速鋼的抗彎強(qiáng)度分別提高25%和20%,多次脈沖深冷處理作用效果遠(yuǎn)大于長時間緩冷處理。盡管淬火回火后再深冷處理也能使高速鋼的抗彎強(qiáng)度有所改善,但效果低于淬火后立即進(jìn)行深冷處理;深冷處理提高高速鋼韌性的幅度大于同樣深冷處理?xiàng)l件下強(qiáng)度的提高幅度,W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2沖擊韌性最大提高幅度分別達(dá)57.7%和43%;深冷處理過程中發(fā)生了殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變、馬氏體的分解和超微細(xì)碳化物的析出,這些組織結(jié)構(gòu)變化是高速鋼力學(xué)性能和刀具使用壽命改善的重要原因。曾志新等人對深冷處理狀態(tài)下的切削機(jī)理進(jìn)行了較為深入的探討,對W12Mo3Cr4V3高速鋼刀具進(jìn)行了深冷處理前后刀具的耐用度、硬度和金相顯微結(jié)構(gòu)對比試驗(yàn)。李士燕等人對高速鋼深冷處理機(jī)理提出了更加詳細(xì)的解釋,認(rèn)為刀具材料的強(qiáng)度與紅硬性馬氏體與脫溶微細(xì)碳化物有關(guān);深冷處理有彌散碳化物分布在馬氏體的孿晶帶上,其直徑3~10nm,該碳化物的晶體結(jié)構(gòu)為M6C型;深冷處理后馬氏體晶格的軸比降低,證明馬氏體發(fā)生了碳化物脫溶分解;殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變時存在孕育時間,轉(zhuǎn)變首先發(fā)生在試塊的邊緣附近,然后向內(nèi)部深入發(fā)展,在-196℃有明顯的等溫馬氏體轉(zhuǎn)變,同時還發(fā)現(xiàn)深冷后的激烈升溫階段也發(fā)生少量的馬氏體轉(zhuǎn)變,但轉(zhuǎn)變速度較慢,轉(zhuǎn)變量較少;深冷處理后的點(diǎn)缺陷(空位)密度有所上升。馬柏生認(rèn)為W6Mo5Cr4V2切削工具無論直接淬液氮+560℃一次回火,還是560℃一次回火+400℃一次回火+深冷處理,都能使切削壽命提高;經(jīng)深冷處理后,隨著回火次數(shù)的增加,硬度和耐磨性相應(yīng)降低;陳紹甫采用類似的工藝,得到相同的結(jié)果。福州大學(xué)黃敏純等人研究了不同冷處理溫度對W18Cr4V鋼機(jī)械性能的影響,結(jié)論是,隨深冷處理溫