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高速钢刀具深冷处理 |
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作者：江苏镇江拓普工具公司 赵步青 来源：CMJ 中国机械与金 |
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高速钢淬火回火後的金相组织
图1是20世纪40年代M‧Cohen等人对W18Cr4V（简称W18）钢在1,290℃奥氏体化的等温转变曲线，根据此图来讨论W18钢在淬火过程中过冷奥氏体的转变。其他高速钢钢种亦有相同的转变过程，等温转变的曲线形状也相似，仅仅转变的温度和范围有所不同。
图1W18Cr4V钢等温转变曲线（奥氏体化温度1,290℃）
从图1可以看出，经正常奥氏体化後，Ms点约210℃，Mf点约-100℃，转变量约92%，尚有8%的残留奥氏体（rR）。如果奥氏体化後迅速冷至室温，则rR量在20%～25%。W6Mo5Cr4V2（简称M2）的碳饱和度略高於W18钢，Ms点较低，约130℃，Mf亦低於前者，淬火後冷至室温的rR量25%～35%，HSS-E和HSS钢等温淬火的rR量可能达40%～50%。一般情况下，经过3～4次回火，每次回火终冷不可能达到0℃以下的温度，故在组织中或多或少地会保留一定数量的rR。从测得结果看，为5%或更少些。各类高速钢淬火後的金相组织为：淬火马氏体+rR+未溶碳化物。回火过程易发生的偏差，如加热温度和保温时间不足，尤其是冷却未达室温又进行下一次回火，都将增加rR量，回火合格程度分为3级，M2钢回火程度如图2所示。回火1级为充分，整个视场为黑色回火马氏体，分布着均匀弥散的碳化物；回火2级为一般，个别区域或碳化物堆集处有白色区存在，虽属合格组织，但rR比1级要多；回火3级为回火不足属不合格组织，较大部分有白色区存在，隐约可见淬火晶粒。正常回火的组织应为回火马氏体+微量的rR+碳化物。
高速钢刀具深冷处理的目的
古里亚耶夫在1937年就报道，采用冷处理来改善钢性能事例，其目的是使钢中的残留奥氏体转变成马氏体。回火组织稳定化。到了50年代，就有采用-78℃（乾冰）或更高一点的零下温度进行冷处理改善刀具性能的报道，70年代後，由於液N2成本下降，使得工业冷处理的终冷温度大大降低。现在，采用液N2为制冷剂可将终冷速度控制在-196℃以上的各个温度区，而且可控制降温速度，从相当於炉冷或空冷的速度直至将工件直接投入液N2“淬冷”。一般将-100℃～0℃的处理称作“冷处理”，将-100℃～-196℃的处理称为“深冷处理”。工业上常用-120℃～-140℃，不管是冷处理还是深冷处理，都是为了减少一点rR，提高硬度，稳定组织，最终达到提高刀具寿命之目的。
图2M2钢淬火回火程度级别图
（1——充分；2——一般；3——不足）
钢淬火冷至室温保存在组织中的奥氏体称为残留奥氏体（rR），rR存在於一切淬火钢中（低碳钢加热到一定温度在强烈的淬火介质中冷却亦有微量的rR）。前已述及，高速钢淬火後的金相组织为淬火马氏体+合金碳化物+rR，经过550～570℃×1h×3次回火後，大部分rR转变成回火马氏体和析出碳化物造成二次硬化，仍有约5%rR被保留下来，有没有必要把剩的rR部分消灭或全部消灭？事实表明，含5%rR以下的回火组织回火已经很充分了，热处理已达极致，有必要进行冷处理吗？奥氏体是C在r-Fe中的间隙固溶体，是钢组织中极软的相，其硬度只有200HBW左右，以此数值与高速钢刀具使用硬度65～66HRC相比後可以看出，过多的rR显然不会使刀具高硬度。日本学者饭岛一昭等人通过试验後认为：15%以下的rR不会使刀具硬度下降，但能提高钢的塑性及韧性。因此，用深冷处理来进一步降低rR含量对钢的韧性肯定是不利的。贵阳工具厂经过多次试验，证明深冷处理并不能提高刀具的寿命。哈尔滨有些工具厂把车刀放到-30℃～-40℃的寒天里自然冷处理，也不见车刀硬度和寿命的提高，於是人们觉得，宁可采取常规回火，保留5%左右的rR，对提高刀具综合力学性能有好处，也不主张采用深冷处理。高速钢刀具与超硬材料刀具相比，最大的优势就是韧性高一点，如果真的把rR消灭，本来就不高的韧性简直是向伤口上撒盐。
对於高速钢刀具经正常淬火回火後，保留5%左右的rR，我认为对於刀具的使用没有害处。
关於rR对耐磨性的影响有不同的见解。HSS钢刀具通常的使用硬度在65～66HRC，HSS-E钢刀具在66～67HRC。实践证明，在其他因素都相同的情况下，硬度高者磨损少，刀具的耐用度就高，以此判断，会使硬度降低的rR虽然是不受欢迎的，但是刀具的寿命历来不以硬度高低论英雄，过高的硬度导致脆大增，不光不会提高寿命，反而会折寿。
影响高速钢刀具的寿命因素是多方面的，不能片面地追求高硬度，我们的原则是在保证韧性的前提下力求高硬度，但不唯高硬度，试验证明，回火充分的刀具施以深冷处理，基本上不会增加硬度，更不会提高红硬性，反而会使韧性下降。国内有些工具如剃齿刀、小模数滚刀等应用深冷处理，目的是消除应力、稳定尺寸，因为两者是要以内径定心的，希望刀具在使用过程中，内孔不发生尺寸的变化。
从以上分析可知，高速钢刀具经正常淬火回火後，组织中还残留少量的奥氏体，对刀具的使用及综合性能无大碍，深冷处理是否适用？这个有争议的问题，有待大量的实践数据及实践应用去验证，但笔者持反对态度，国内数百家规模以上企业无人问津就是一个有力论据。所见报章的基本上是大学、研究所的科研成果或是实验室的产物，但到面上推广不行说明有问题。比如高速钢刀具回火工艺就是一个非常深刻的例子，所谓的回火新工艺有数条，但在大生产中应用的还是原始的550～570℃×1h×3次的成熟工艺。
高速钢刀具深冷处理工艺方法
虽然从相变机理讲深冷处理应放在淬火之後回火之前进行，但从防止组织应力过大，防止工件在深冷过程中开裂的角度考虑，一般不主张这样做。针对复杂程度和尺寸不同的刀具，有以下几种工艺方法：
(1) 淬火後先於350℃×1h低温回火，然後进行深冷处理，这里最接近淬火後进行深冷处理工的一种方法。
(2) 第一次回火後进行，这是从安全和效果两方面考虑都较为满意的一种方法，即550℃×1h回火空冷至室温，然後再深冷处理。
(3) 第一次回火冷到-80℃左右，第二次回火後冷到-135℃ ～ -196℃。虽然工艺相当复杂，但效果和安全性能都属上乘。
(4) 加工成半成品或成品後再去深冷处理，此法效果甚微，但是最安全最方便。
对高速钢刀具深冷处理的讨论
鉴於高速钢刀具深冷处理还是一个不成熟的热处理艺，现就该工艺能否提高刀具寿命等几个问题谈点意见，不妥请斧正。
深冷处理的机理
深冷处理是热处理淬火的延续。高速钢淬火组织有25%左右的rR，在随後的深冷处理中大部分转变为马氏体，这一组织转变主要发生在0～-80℃，-196℃深冷处理後仍有约1.5%rR。高速钢深冷过程发生的马氏体分解，是由於Fe的点阵常数缩小使过饱和碳引发点阵畸变增大，从而导致碳化物析出热力学驱动力增大。但由於低温下碳原子的扩散难度较大，故在-196℃超低温下不易发生马氏体分解。由-196℃向室温回升时，碳原子的扩散能力相对增强，在室温附近偏聚於孪晶界或其他晶体结构缺陷处，形成直径仅为2～6μm并与马氏体共格的超微纳米级碳化物，经分析确定该碳化物为M6C型。
深冷处理过程中发生了rR向马氏体转变以及马氏体分解和超微细碳化物析出的组织结构转变，使高速钢的强度、硬度等力学性能略有提高。
深冷处理提高了刀具的硬度及耐磨性
由於深冷处理使少量的rR转变成回火马氏体，加上析出纳米级分散的碳化物，这两种因素促使硬度略有上升（<0.5HRC），而不是很多资料讲的可提高1～2.5HRC。M2钢淬火後硬度为63HRC，经深冷处理後硬度上升到65.5HRC，不能说是深冷处理提高了硬度，而是高速钢固有的二次硬化特性，不经深处理，而经550℃×1h×3次常规回火，硬度照样达到65.5HRC。
随着硬度略有上升，耐磨性提高是自然的。
深冷处理不会提高钢的红硬性
红硬性是指钢抵抗高温软化的能力，它首先应该归功於M2C和MC型碳化物很强的抗聚集能力。在高碳钢和低合金钢淬火至室温，也可能得到大量的rR，在550℃左右的温度rR分解一般不会增加钢的硬度。这些钢中的rR通常在较低的温度下分解，而析出的Fe3C型碳化物在稍高一些的温度下就迅速聚集是发生软化的直接原因。在高速钢中，碳化物的析出成为非常细小的微粒和rR的分解二者联合引起了二次硬化，而碳化物一直保留其微细的尺寸，必然造就了红硬性。对具体钢而言，它只跟淬火加热温度及加热时间有关，具体地说，跟奥氏体的合金度、碳化物的溶解程度有关，跟随後的深冷处理几乎没有关系。如果淬火加热时碳化物溶解不好，再好的深冷处理都不会使红硬性提高。
在高速钢中，对红硬性影响最大的元素可能是W和Mo，W和Mo的原子尺寸比其他任何元素都要大得多，可以预期它们将会有较低的扩散速度，而必须承认为了使聚集进行下去，不但需要Cr和V的扩散，也同时需要W（或Mo）和C的扩散。像车刀、滚刀等需要红硬性特别高的刀具，工具厂都采用提高淬火温度的做法，从未听说深冷处理之举。
深冷处理对韧性的影响
阜新矿业学院试验结果：与常规淬火、回火态相比，高速钢经不同方法深冷处理，冲击韧性（αk）值提高8.8%～52%；河北工业大学认为：深冷处理提高高速钢韧度的幅度大於同样深冷处理条件下，强度的提高幅度，W18钢、M2钢冲击韧度最大提高幅度达57.7%和43%；上海交大对M2钢作深冷处理後指出：深冷处理试样的冲击韧性略有提高，未深冷处理者为23J/cm2，深冷处理者为23.5J cm2；上海机械制造工艺研究所试验结果则认为深冷处理对M2钢冲击韧性没有影响，不升不降。还有很多有关深冷处理对高速钢韧性影响的报道，没有反面意见，全是讲提高的。
笔者认为，深冷处理提高韧性的证据不足，理由不充分，按理讲，rR减少了，硬度上升了，韧性应该下降，怎麽会升高呢？搞高速钢刀具的同志都有这样的体会：要达到高硬度容易，欲使刀具在高硬度下保持高的韧性十分困难。所以，我们主张在确保韧性的前提下力求高硬度。我们迫切希望能见到刀具深冷处理提高硬度又不崩不断的报道。现实的情况是，不管是HSS还是HSS-E钢刀具，盐浴淬火回火後，最高硬度往往超过工艺标准，不得不提高回火温度将硬度降下来，确保韧性，牺牲硬度。
深冷处理能提高刀具寿命吗？
N‧Б‧ЛebNH指出，直接在淬火後或经过一次回火再在液N2中进行深冷的高速钢铣刀，其使用寿命提高44%～150%。M2钢制φ7mm直柄麻花钻经深冷处理寿命提高1倍，φ120mm×28mm齿轮粗铣刀、机用铰刀使用寿命提高50%以上，高速钢机用锯条经深冷处理也获得提高寿命的良好效果。还有很多深冷处理提高刀具寿命的实例，大多是单件或试样数据，无说服力。
A‧П•ΓyЛxeB等通过试验後指出，高速钢冷处理不会使钢得到特别高的切削性能，但是，冷处理是消除钢中rR的的方法，它所起的作用也和多次回火一样，不过，他们又指出，冷处理在以下两种情况下，能使切削性能提高：以一次回火代替多次回火，或以较低的温度淬火。
G‧A‧Roberts等人也认为冷处理不一定能提高切削性能，但为了矫正淬火过热组织和稳定尺寸，使用冷处理是合适的。
我们国内有些工具厂得出相反的结论，他们认为深冷处理不但不能提高刀具的寿命，反而使脆性增大。
可见，到目前为止，高速钢刀具深冷处理结论还不一致，这主要是由於在0℃以下产生的马氏体相变还无规律可循，另外，试验的方法不统一，所研究的钢种不普遍，深冷前的热处理工艺参数变数大，进行切削试验的条件差异性大，加之人为影响因素多，也是得不出相同的结论的原因。因此，难怪有人说“深冷处理还是一种尚未充分研究过的热处理方法”。
结论
1、高速钢刀具淬火经常规回火後，rR不超过5%，回火已很充分，没有必要进行深冷处理。回火不好经深冷处理，刀具寿命提高是热处理的过失，而不是深冷处理的功劳。
2、深冷处理对提高耐磨性有益，但对韧性不利，更不会提高红硬性，提高刀具寿命X倍不可信。
3、除成品深冷处理外，其他方法深冷处理很难实施，并且可能会出现开裂等弊病。
4、对尺寸精度要求特别高的精密刀具，成品刀具可进行深冷处理。
在成文写作过程中，得到上海工具厂张宏康教授级高工的指导，得到金华职业技术学院祁越老师及安徽嘉龙锋钢刀具有限公司的帮助与支持，在此感谢！(end)
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(6/11/2012) |
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