高速钢深冷处理技术的研究现状与发展趋势

高速钢深冷处理技术的研究现状与发展趋势

人类社会始于21世纪。随着高新技术的发展，机械工程技术进入了“快速、高效、智能、集成、环保”的新阶段。切割加工是机械工程技术中最重要的加工方法之一。绝大多数对尺寸精度、表面质量要求较高的零部件都要经过切削加工,切削加工技术(包括切削方法、刀具、加工工艺等)的水平对加工精度、产品质量、生产率和生产成本起着举足轻重的、有时甚至是决定性的作用。高速钢是制造刀具的主导材料之一,尤其我国高速钢刀具依然占有相当强势的份额,2005年产量超过8万吨,占全球产量的40%,生产高速钢刀具36.5亿件,销售收入109亿元。产量是日本的37.6倍,而单件均价只有日本的1/24。低端高速钢刀具生产过剩,资源消耗严重,效益低下,已成为我国工具行业面临的主要问题之一。因此,如何提高普通高速钢刀具的品质,研究其制造新工艺、新方法是工具行业技术进步的要求,尤其对我国建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。本文重点介绍国内外高速钢深冷处理技术的研究现状,提出深冷处理技术的研究热点和发展趋势。1工具钢使用说深冷处理又称超低温处理或超亚冷处理,它的处理温度为-100℃以下,是常规冷处理的延伸。也有文献表明,深冷处理是在-130℃或-160℃以下的处理温度。深冷处理指的是将被处理对象置于特定的、可控的低温环境中,使其材料的微观组织结构产生变化,从而达到提高或改善材料性能的一种技术。目前,深冷技术应用通常以液氮作为冷源,利用其相变(气化)吸热来获得低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一,无毒无味,因而深冷技术的应用对环境无害,属于绿色制造技术范畴。瑞士的钟表匠很早就知道把关键零部件埋在雪中以提高其耐磨性。一些经验丰富的工具制造者在使用工具钢之前,把它放入山上的雪洞中,数月后方取出可达到类似的效果。这是人类最早开始使用深冷处理技术。真正开始对深冷处理技术的研究在20世纪初,1939年,Α.Π.ΓУЛЯЕВ首先提出高速钢深冷处理,并在理论上提出了冷至-80℃的理论依据,但由于试验结果的不统一及当时测试手段的局限,使该项研究停滞不前。低温绝热技术的发展和液氮的广泛应用,为热处理工艺及相变理论研究推向更低温度创造了条件。美国从20世纪50年代开始进行深冷处理对金属性能影响的研究,主要应用对象是航空领域,70年代拓宽到了机械制造领域。1971年R.F.Barron发现深冷处理能大大提高五种工具钢的耐磨性,采用的方法就是把试件置于-84℃及-190℃的低温环境中保温20多个小时,得到的结果如表1所示,其机理是深冷处理不仅可以使残余奥氏体转化为马氏体,而且还可使马氏体析出弥散的碳化物,除材料D2外,深冷处理后进行的回火处理并不增加材料的耐磨性。进入20世纪80年代,各国对深冷技术的研究更加深入,1987年由Gray发起成立了国际深冷处理研究会,同时,出现了3XInstruments&Tolling、MaterialImprovement和Amecry等若干个专业化的深冷处理公司,开展深冷处理技术的应用研究和服务。诸如GeneralDynamics,GeneralMotors,GarretteTurbine,HughesAircraft,NorthAm.Rockwell,Steelcase,Motorola,IBM,ITTCanon等许多著名公司开始使用深冷处理技术,取得了很好的效果。为了满足生产需求,各国研制生产了许多专用的深冷处理设备,如英国BOC公司的Ellenite设备,可以均匀冷却,精确控温。Cosmos公司的CI系列电脑控制的深冷设备等。2拉伸残余土地的硬度和耐磨性各国对高速钢深冷处理工艺、机理研究的成果很多,比较有代表性的有:罗马尼亚I.Alexandru研究了淬火、回火、冷处理等工序之间的不同搭配,试验结果表明淬火后立即进行冷处理,淬火后回火再冷处理、淬火回火后冷处理再回火均有利于提高工具钢寿命。日本大和久重雄提出高速钢深冷处理机理的三点看法:(1)深冷处理可使残余奥氏体转化为马氏体;(2)晶粒细化;(3)有细小弥散的碳化物析出,并推荐如图1的深冷处理工艺曲线,即“冷处理急热法”,该方法是将工、模具淬火后,不立即进行冷处理,先在100℃×1h热水中回火,以避免冷处理裂纹的产生,再进行深冷处理,保温后取出放入热水中快速加热,然后按规定进行回火。斯洛文尼亚V.LESKOVSEK提出了反映高速钢硬度、残余奥氏体、碳化物和碳化物之间的平均距离对材料性能综合影响的断裂韧性KJC概念,并给出了一个计算的经验公式。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是弹性模量,单位是MPa,dp是碳化物的平均距离,单位是m,洛氏硬度的单位是HRC,fcarb和faust表示碳化物和残余奥氏体数量,KJC的单位是MPa/m。通过试验和计算得到了同样的结果,认为淬火后进行-196℃×1h的深冷处理硬度最高,KJC最小,增加一次回火硬度下降,KJC增大,两次回火和一次一样;回火后进行深冷处理硬度略有提高,KJC减小,再进行一次回火硬度基本不变。印度D.MohanLal等人研究了T1、M2和D3钢在不同深冷处理工艺下工具的耐磨性,认为淬火后直接进行深冷处理比经过回火处理再进行深冷处理工具的寿命会延长;对于回火处理后的深冷处理,温度越低效果越好;经过TiN涂层处理后在进行深冷处理的效果不理想,先进行低温处理,然后再进行涂层处理,比单独进行深冷处理工具寿命能再延长,经过第一次磨刀后,工具的寿命和深冷处理的一样。同时,还研究了由D2钢制成的单刃以及多刃切削刀具,经过淬火和随后的深冷处理后,产生的应力分布以及变形水平。采用ANASYS软件进行分析,得到了温度随时间变化的应力分布曲线,结果表明单刃切削刀具在1800秒后达到热平衡,而多刃刀具需要3600秒;单刃刀具的最大应变是0.342×10-3m,多刃刀具是0.546×10-3m;刀具表面的应力几乎都是压应力,这对于提高刀具的耐磨性有好处。伊朗R.Mahmudi等人研究了深冷处理对高速钢M2的机械性能和耐磨性的影响,认为不同的工艺参数,如奥氏体化、淬火和回火温度对M2工具钢的机械性能和耐磨性均有影响,较高的奥氏体化温度和回火温度,较低的淬火温度,将提高材料的硬度而降低冲击韧性。冷处理至-70℃,大部分残余奥氏体发生转变,硬度和耐磨性明显提高,同时材料的冲击韧性有所下降。在-196℃进行处理时硬度和耐磨性进一步改善,主要是因为残余奥氏体转变更彻底以及一些细小碳化物颗粒的析出。意大利A.Molinari等人也研究了深冷处理对高速钢M2的机械性能的影响,认为高速钢淬火或回火的深冷处理能提高它们的机械性能,尤其是增加了高速钢M2的硬度,耐磨性的提高是由于硬度提高的结果。对两次回火后的高速钢进行深冷处理,比淬火后直接进行深冷处理,高速钢机械性能更好。美国J.Y.Huang等人也认为对高速钢M2进行深冷处理不仅能促进碳化物的形成和增加马氏体基体中碳化物的数量,而且也能使碳化物的分布更均匀。P.Kelkar等人认为对M2进行深冷处理,除了会出现显著的残余奥氏体向马氏体的转化外,另外还有两个作用,一个是残余奥氏体向马氏体的转化将使位错密度增加;另一个是工件深冷处理后在室温下停留几周,碳原子集聚导致好的碳化物的析出。爱尔兰D.N.Collins研究了高速钢(ASP23)的深冷处理,认为深冷处理过程中包含着两种不同的现象或机理。机理1:残余奥氏体的转变。深冷处理提供了接近或低于有效Mf点的温度,组织中的残余奥氏体转变为马氏体,导致材料硬度上升,也使工件尺寸稳定,但降低了韧性;机理2:马氏体的低温条件化。在远低于马氏体的形成温度(如液氮温度)下连续冷却和低温下停留足够长的时间,导致在随后的回火过程中形成非常细小的碳化物颗粒,结果使材料抗磨性和韧性的提高,而对硬度影响不大。并且指出较低的奥氏体化温度、较低的冷处理温度和较长的冷处理时间,在200℃回火,可提高ASP23耐磨性。3深冷处理的应用国内关于高速钢深冷处理研究的文献报道最早见于徐祖耀院士,徐院士研究了高速钢在冷处理时冷却速度及加热速度以及室温和零下温度停留时间对马氏体相变的影响。认为在一般淬火条件下(淬油,分级淬火或等温淬火),在零下温度时以慢冷却及慢加热为宜,零下处理前钢件在室温下可以停留1小时,但不宜在零下温度(如-30℃)进行保温。从20世纪80年代开始,国内的一些科研机构开始高速钢深冷处理工艺方面的研究。李智超、马光锋和仲伟深等人研究了W18Cr4V钢的深冷处理工艺和深冷处理过程的组织变化,得到如下结果:(1)W18Cr4V钢淬火后或回火后施加-196℃深冷处理,红硬性、冲击韧性和抗弯强度得到明显提高,切削寿命均得到提高;(2)成品高速钢刀具只要进行深冷处理,切削性能就能得到改善;(3)残余奥氏体转变、微细碳化物弥散析出及基体组织细化是性能提高的内在原因。卞建春等人采用1280℃淬火+-196℃深冷处理+560℃回火1小时或1.5小时的热处理工艺,研究了W18Cr4V高速钢耐磨性和韧性及其机理,结果表明,耐磨性分别比常规工艺提高20%和76%,抗弯强度和挠度都有所增加。李彩云、程本培等对W6Mo5Cr4V2高速钢成品刀具低温(-196℃)强化机理进行了研究,认为经深冷处理后,碳化物的粒度和分布的均匀性是刀具耐磨性和使用寿命提高1-3倍的主要原因,而不是残余奥氏体向马氏体的转变,刀具强化不是由于硬度提高所致。彭匡鼎提出了钢铁材料在深冷处理中碳化物析出的可能机理,钢铁基质强化的物理机制,用热力学的吉布斯函数判据,证明适当的深冷处理可以使钢铁中马氏体转变完全或成分增加。夏筠等人开展了深冷处理的高速钢滚刀和氮化钛涂层的高速钢滚刀切削性能对比试验研究,得到的结论是,二者都可提高刀具的耐用度,一般涂层刀具提高了3~4倍,深冷处理刀具大约提高0.5~2倍,涂层刀具重磨后,刀具耐用度下降,而深冷处理的刀具仍与重磨前相同。刘青采用淬火+380℃回火+-196℃深冷处理+2次560℃回火工艺处理W6Mo5Cr4V2高速钢齿轮滚刀,使用寿命提高了36.8%~77.8%。尹延国采用低温处理技术对M2高速钢铣刀耐磨性进行了试验。顾彪、丛吉远对回火后W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢刀具进行-196℃控温和液氮浸泡式深冷处理,结果显示控温式深冷处理可以使高速钢相互矛盾的两项性能指标——韧性与硬度同时获得提高,晶粒细化是冲击韧性提高的主要原因,大量微细碳化物的弥散析出是其硬度获得少量提高的主要原因。冷培榆采用浸泡式深冷处理使W6Mo5Cr4V2丝锥寿命提高38%。董允、林晓聘研究了不同深冷处理工艺对W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2高速钢力学性能和刀具寿命的影响,并探讨了其机理,试验结果表明,深冷处理使高速钢的室温硬度及红硬性都获得较明显的改善,适当延长低温下保持时间有利于改善高速钢的室温硬度和红硬性,-196℃低温下保持时间相同时,多次脉冲深冷处理可使高速钢获得更高的硬度和红硬性,回火后进行深冷处理,硬度和红硬性也会得到改善,这对于高速钢成品刀具使用厂家具有很大意义;无论是淬火后立即进行深冷处理还是常规淬火回火后再深冷处理,高速钢的抗弯强度均得到不同程度的改善;淬火后进行-196℃×24h深冷处理后再回火,W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2两种高速钢抗弯强度较常规热处理分别提高17.6%和11.5%;进一步延长低温保持时间,抗弯强度不再明显提高;-196℃低温保持时间相同时,脉冲深冷处理后W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2两种高速钢的抗弯强度分别提高25%和20%,多次脉冲深冷处理作用效果远大于长时间缓冷处理。尽管淬火回火后再深冷处理也能使高速钢的抗弯强度有所改善,但效果低于淬火后立即进行深冷处理;深冷处理提高高速钢韧性的幅度大于同样深冷处理条件下强度的提高幅度,W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2冲击韧性最大提高幅度分别达57.7%和43%;深冷处理过程中发生了残留奥氏体向马氏体的转变、马氏体的分解和超微细碳化物的析出,这些组织结构变化是高速钢力学性能和刀具使用寿命改善的重要原因。曾志新等人对深冷处理状态下的切削机理进行了较为深入的探讨,对W12Mo3Cr4V3高速钢刀具进行了深冷处理前后刀具的耐用度、硬度和金相显微结构对比试验。李士燕等人对高速钢深冷处理机理提出了更加详细的解释,认为刀具材料的强度与红硬性马氏体与脱溶微细碳化物有关;深冷处理有弥散碳化物分布在马氏体的孪晶带上,其直径3~10nm,该碳化物的晶体结构为M6C型;深冷处理后马氏体晶格的轴比降低,证明马氏体发生了碳化物脱溶分解;残留奥氏体向马氏体的转变时存在孕育时间,转变首先发生在试块的边缘附近,然后向内部深入发展,在-196℃有明显的等温马氏体转变,同时还发现深冷后的激烈升温阶段也发生少量的马氏体转变,但转变速度较慢,转变量较少;深冷处理后的点缺陷(空位)密度有所上升。马柏生认为W6Mo5Cr4V2切削工具无论直接淬液氮+560℃一次回火,还是560℃一次回火+400℃一次回火+深冷处理,都能使切削寿命提高;经深冷处理后,随着回火次数的增加,硬度和耐磨性相应降低;陈绍甫采用类似的工艺,得到相同的结果。福州大学黄敏纯等人研究了不同冷处理温度对W18Cr4V钢机械性能的影响,结论是,随深冷处理温