高速钢刀具深冷处理

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高速钢淬火回火後的金相组织
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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。

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; e& L0 m  k/ O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。

: d# w5 |* h2 b4 k* n) t高速钢刀具深冷处理的目的
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: N- P4 G- b+ @  Q1 N; ?. o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。

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6 |+ }  U0 p% x8 d: o4 M0 @- ]5 \  Q3 c图2M2钢淬火回火程度级别图
& D8 E3 a4 v% p（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。
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- o4 L" r* a  r. Z& C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。
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! G3 ?0 o$ R8 N5 Z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。
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/ O- Q3 c% x1 ]高速钢刀具深冷处理工艺方法
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  Z5 a; t9 f1 I" M3 G+ Z: r9 J  }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：
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- m  q3 o4 ^' S, v(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。

9 X; `/ Y: _8 J/ n& ?3 f7 P; G8 ](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。
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(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
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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。
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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
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! \0 R9 Z) `4 K! `$ a6 x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。
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; `+ y  Q  U0 h" F8 A9 K( k! H8 {深冷处理不会提高钢的红硬性
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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。
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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。

, Q5 }+ v3 v+ [+ c深冷处理对韧性的影响

1 {9 G$ h2 S& N; p8 A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。

  |! X: N& R1 l0 B3 p! T: W2 H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？
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N&#8231;Б&#8231;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。
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A&#8231;П&#8226;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。

3 m+ C( w( p- ?, S0 K/ n  eG&#8231;A&#8231;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。
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6 ^3 {4 K6 q: L" F$ w3 H+ c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”。

3 G. e. ^( ], i8 {; I) |结论

. Y) r2 E5 Y& g0 E1、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。

# F7 t/ ^3 \- v( U2、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。
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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。