（机械制造及其自动化专业论文）基于深冷处理的钻头磨损规律及其寿命研究.pdf

北方工业人学硕士学位论文 摘要 本课题采用微机控制的刀具深冷处理装置对高速钢w 9 m 0 3 c r “、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 和 w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头进行深冷处理；根据刀具的使用条件，通过金属切削实验，比较了深 冷处理刀具和未经深冷处理钻头的耐用度、硬度和粗糙度。研究了深冷处理前后钻头的 磨损规律、后刀面磨损形貌、以及金相组织变化。 研究结果表明，经过深冷处理，w 9 m 0 3 c r 4 v 钻头硬度增加量为0 4 1 5 ， w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钻头硬度增加量为1 4 ，w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头硬度增加量为1 2 1 - 5 ； w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钻头表面粗糙度减少量为o 0 4 0 1 1 ，w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头表面粗糙度减少 量为o 2 o 6 ；在相同的切削工艺下，深冷处理后的钻头耐磨性增强，并绘制出了不 同规格w 9 m 0 3 c r 4 v 、w 6 5 c r 4 v 2 和w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头的深冷处理前后的磨损曲线；通过 对钻头后刀面磨损形貌的观察结果发现，深冷处理后的钻头后刀面磨损程度明显轻于未 经深冷处理的；利用扫描电镜，观察了深冷处理前后钻头试样的金相组织变化，结果表 明，深冷后的试样析出了大量碳化物颗粒。 深冷处理可以改变刀具材料的微观组织结构，增强刀具材料的耐磨损性能；并在一 定程度上提高刀具材料的硬度，降低刀具的表面粗糙度。 深冷处理使部分残余奥氏体转变为马氏体，且析出了大量的碳化物颗粒。析出弥散 分布细小碳化物颗粒能提高抗磨损能力，也使得高速钢的硬度有所增加，所以深冷处理 能提高高速钢钻头的耐磨性，延长钻头的使用寿命。 关键词：深冷处理；刀具磨损；高速钢钻头 北方工业大学硕士学位论文 s t u d y o n w e a r r e g u l a d 锣a n d l i f e o f t i l e “l l b a u s e do nc r ) ，o g 面c 仃e a 恤e n t a b s 仃a c t h lt b i s p a p h s s ( 1 1 i 曲s p i 潮s 呋岣嘶w 9 m 0 3 c “v ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 锄d w 4 m 0 3 c r 4 v s iw e r e 仃翰t e di n l c m 舡a _ l a w 船n p e r a t u 他唧】i p m e n t；1 j l 忧 r e s j s t a l l c e ，h 血螂s 即u g h n e s so fm ec i ) r o g e n i c 删趿d 叩g 觚cl 】1 1 删d r i l l sw 鼬 c o m p a r e dm t h es a m em e t a l c 嘣i l l g 训m o 衄t h e w e 盯r 鹤i s t m c e ，n a n km 咄l o g y ，踞w d l a sc h a l l g e si nm el i l i 凹d s m 蚓咖o f 捅n sw e r er e s r c 嘲b e 胁锄d 蛆盯c 炉g e l l i c 协e a 呦n t h er e s l l l t ss h a wl l l 甜 m e r 哪，o g e l l i c 呦n n 饥t ，w 9 m 0 3 c r 4 vi 1 1 c 托a s e di nm e1 1 a r d n 铭so f o 4 1 5 ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2i n 锄强s 。di i l 1 eh 鲫d l l e s so f1 4 ，w 4 m 0 3 c r 4 v s ii i l 凹e a s 。di nt l l e h a r d n e s so f1 2 1 5 ；s 曲c e 枷出1 e s sr e d u 商o no f w 6 m 0 5 c r 4 v 2w 勰0 0 4 o 11 ，飘碰啪 r o 咄l e s s 耐u 商o no fw 4 m 0 3 c r 4 v s iw a s0 2t do 6 ：i nt 量l es 锄e 锄t 血gp r o c e 蹶a f t e r 吐圯 c f y o g 碰c 订拄n e n tm e 姗1w e a rr e s i s t a l l c e 抽c r 瞄s e d ，a l l dt om a po u t 氇ed i 丘缸t s p l e c i 丘c a t i o l l so fw 蛛幻3 c r 4 v ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2a n dw 4 m 0 3 c r 4 v s i ；b c 6 ) r ea i l d 艘盯1 1 1 e d 唧c o l d 骶嘣m 锄t ，也ew e a rc u r v et l l 唧g ht l l er i g h tn a t l km 饼p h o l o g yw 雒0 _ b s e r v e d t h e r e s i l l t ss h o wt h a ta f l 盯m e 哪g e i l i c 订咖e n t ，t 1 1 ef l a i l l 【w e 暂w a so b v i o u s l yl i g h t e rt l l a i lt l l e l m 虹e a t 酣t o o l s b yt i l eu o f s c a i ：l n i n ge i e c 七r o nm j c r o s c o p e ，m ea m h o f 0 b s e f w 5 dt 峙c l 觚窖c si n t l l e 砸c r o s 臼加eb e f o r e 雒l da f i e rt h ed o e pc o l d 仃l 珈印匕t 1 1 er 镐u s h o w o dt 量l a tm e c r y o 鲫i cs 锄1 p l ep r e c i p i t a _ c e da1 a r g cm m i b 盯o f 础i d ep 枷d 姻 c 巧d g c i l i c 仃e a n l l e n tc a nc h a n g em e 血c r o - s 劬c t u r eo ft 0 0 lm a t e d a l ，e f l l l 锄c ew e a r 代s i s t a ：吡o fm e 铷lm a c 甜a l s ，t 0ac e r t a i l l 翩托n t ，i i l l p i o 、，em et 0 0 lm a t e f i a l sk 曲e 蟠，a n d r e d u c et i l eg 曲c em u g h n e s s c i y o g 肌i c 协搿h n e mm a d eap a r to f r e s i d u a la l l s t 砌t eb 姗l em a r 删晚a n dp r e c i p i 乜t e d al 越g en 硼曲盯o fc a r b i d ep 删c l 峨l ed i 豌s i o no f 锄a l lc a i b i d e 眇i p i 枷0 np a 撕d e sc 锄 i 1 1 c r e a s ew e 肝r e s i s t a t 曲i l i 戗b u ta l s o 硫糯m eh a i d i l e 嚣o f l l i 曲- s p e e ds t 。d ，田，o g 砸c 订l 船l e l l tc a ni m p r o v et l l ew e a rr c s i s t a i l c co f l l i 咖s p e e ds t i 赫l lb 咄锄de ，【锄dt h el i f eo f t h e t 0 0 1 k e y w o r d s ： c r y o g 印_ i ct m a 缸l 锄t c u 蛐g 咖1w e 盯；h i 咖s p e e ds t i 湖d r 珊 2 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭左王 些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名溉字日期五碑钼汨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 友王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权韭左王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 窿确t 驾 签字日期矽略年月汨 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 刍孚磊国 签字日期协彤年阳2 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 早在1 0 0 多年前，瑞士的一些钟表匠就有很好的钟表制造经验。为了提高钟表中关 键零部件的耐磨性，钟表匠们把做好的零件放入山上的雪洞中，数月后方取出这些零件 装配于钟表上，从而达到了提高钟表使用寿命的目的。现在看来，他们在不自觉之中已 经运用了冷处理工艺。当然，这种冷处理工艺在目前来讲，是比较粗糙的。 在2 0 世纪的前5 0 年，除空气制氧实现工业化，低温技术尚处于开发初期，主要研 究都在实验室中进行。例如，氢和氦的液化、绝热退磁制冷、低温超导等。5 0 年代末， 低温技术迅速发展，如天然气、氢、氦等液化和贮运都达到工业化规模玮4 冷机、高温超 导等技术进入尖用阶段。低温技术也已拓展，并派生出低温电子学、低温化学、低温生 物和医疗及器官保存、低温燃料、低温材料和空问低温技术等分支。 低温技术在航空领域的应用最初主要表现在低温制冷装置在航天器中的使用，以及 利用液氧在化学火箭中作氧化剂，液氢作燃料及核动力火箭中的推进剂，液氮作预冷和 清洗低温推进剂火箭等。后来，为了提高飞行器中高压容器的安全性及一些关键零部件 的尺寸稳定性，研究者们开始尝试用低温技术对部分零部件进行处理，并取得良好效 果。 8 0 年代初，出现的低温医疗工程，其主要研究目标是：探索生物组织细胞在低温下 生存特性，人的血液、皮肤、各种组织器官、疫苗等在低温下长期贮存的方法及机理； 研究冷冻医疗器械( 电子冷冻枪、冷刀、治疗肿瘤的低温超导装置等) 并应用于外科临床 治疗上，等等。 随着低温技术的迅速发展，研究者注意到低温处理技术也能对工模具钢及工业中其 他一些常用材料的性能改善产生显著效果，于是低温技术在机械、材料领域中的应用研 究也开始了。 深冷也叫深度冷冻，辞海中对深冷的定义为低于一1 0 0 的温度，工业中则常指 低于一1 3 0 的温度。目前在工业中般把在一8 0 附近温度的冷处理叫做普通冷处理，而 把低于一1 3 0 以下的冷处理叫做深冷处理。 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。深冷处理也常称为深度冷 冻、超低温处理等，它是低温技术的一个分支，实验室和工业中通常是利用干冰或液氮 相变来获得低温，处理温度可低至一7 8 或一1 9 6 ，被处理材料在此低温环境下保温，结 果由于微观组织结构发生了有益改变，在宏观上表现为材料机械力学性能的提高，从而 北方，t 业大学硕士学位论文 改善了材料的机械性能。深冷处理过程中需要严格控制温度的升降速率以满足加工要 求。深冷处理原理涉及到极其广泛的科学技术领域，包括材料学、物理学、热力学及一 些实验科学等，深冷处理技术的出现为低温学在工业中的实际应用和发展开辟了又一个 广阔的研究领域。 现代低温工程技术的发展概况由表1 1 大致可以看出研究范围和地区分布。 表1 1 最近几次美国低温工程会议论文内容及论文数 论文内容 1 9 9 l1 9 9 31 9 9 51 9 9 7 空间低温过程 4 31 81 62 6 发电和运输 51 1 7 超导磁体 5 04 l5 8 f 低温电子学 51 01 31 1 低温生物 o21 38 低温燃料1651 3 小型制冷机 2 64 l6 64 9 传热和物性 1 42 81 85 2 氦低温工程691 l1 3 大型制冷机 2 54 02 81 9 低温装备 3 93 73 l7 5 低温仪器 1 51 82 6，1 9 其它 1 87 43 84 0 总数 2 4 73 2 53 4 0 f 目前，在冷处理技术上所作的研究，主要也是利用液氮或干冰做冷源。而对于深冷 处理则主要采用的冷源是液氮，这是由于液氮是制氧工业的副产品，来源较广，冷冻温 度低，价格便宜，易于贮存、运输，化学性能稳定，不腐蚀零件，不会爆炸，无毒性， 对环境不会造成危害。因而，从此角度来讲，深冷处理技术属于绿色加工技术范畴，这 符合二十一世纪先进制造技术的发展潮流。 1 1 深冷处理技术的研究进展 1 1 1 国外深冷处理技术研究状况 美国从1 9 6 5 年开始进行低温处理方法的研究，主要应用对象是航空领域。例如，用 r1 于提高航天火箭用压力容器的安全性“；另外，据美国i n f a c ( 1 kh s 叽】m e i l t e df 咖 2 - 北方工业大学硕士学位论文 缸g e 嬲，伽c a 9 0 ) 研究表明，直升机传动齿轮用材料s a e ，a m e ，6 2 6 5 h 合金经深冷处理 后，微观结构能显著得到改善，齿轮的几何稳定性得到提高，并且减小了使用时的噪音 r1 “。8 0 年代拓宽到了机械制造领域，比如，工模具钢等。美国a h e c h 特殊钢铁公司采 用的“深冷拉丝工艺”，已获得专利产品一s u s 3 0 2 弹簧。通过该工艺控制的弹簧抗扭强度 高，使单圈允许变形量增大，在一定负荷下使弹簧圈数减少1 3 ，重量减轻6 0 9 6 ，可代用 较贵重的1 7 c r - 1 7 n i 不锈钢，从而使成本大大降低。美国路易斯安娜工业学院机械系 在8 0 年代初期，初步探讨了低温处理技术对钢的耐磨性的影响机理，方法就是把试件置 于一8 4 及一1 9 6 的低温环境中进行处理，结果表明，深冷处理可以明显改善试验材料的 rj 1 机械性能“。；美国一家生产钛合金零件的工厂采用经深冷处理的m - 4 2 麻花钻头，使刀具 的使用量减少了6 3 ；据美国j a i i i e st o o lm a c h i n ea n de 1 1 9 i n e e r i n g 公司最近的研究结 果，使用深冷处理后不同工件的效果改善极为明显，部分结果列于如表1 2 所示。 德国、俄罗斯、日本等国也开展了深冷处理技术的研究，部分研究结果表明：刀具和 工具材料经过深冷处理后，其使用寿命可提高约卜6 倍，而其成本仅提高1 5 左右。 表1 2 经过深冷处理与未经过深冷处理的刀具加丁的零件数 处理前的平均处理后的平均寿 项目增加 寿命 命 用4 1 4 0 钢、1 0 9 5 钢做刀具1 0 0 个零件2 0 0 0 个零件2 0 0 用c 1 0 2 0 钢刀具进行钻孔1 8 l o 个零件8 6 2 0 个零件 4 7 6 用a 1 l i 一3 8 做刀片6 0 小时 9 2 8 小时1 5 4 6 9 6 高速钢端铣刀 2 0 0 个工件4 8 0 个工件2 4 0 1 1 2 国内深冷处理技术研究状况 2 0 世纪9 0 年代，国内也开始了深冷处理工艺的应用研究。刘承杰等对s a e 4 9 2 0 渗碳钢 进行了深冷处理试验，研究结果表明：深冷处理可促使残留奥氏体向马氏体转变，淬火马 氏体回火后析出高度弥散的超细碳化物，降低摩擦系数，提高疲劳抗力、耐腐蚀性、耐 r 1 磨性等”；哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的姜传海等研究了低温循环过程对 s i c w 6 0 6 1 a 1 复合材料残余应力的影响，研究结果表明，通过室温一降温一升温到室温这 r d l 样的过程可以降低复合材料的残余应力“。：长沙电力学院动力系的陈荐等研究了低温处 理对a 1 ：m s i o 以卜1 0 s i 复合材料断裂性能的影响，结果表明，由于复合材料纤维及基体 3 北方工业大学硕士学位论文 残余应力的变化，处理后，复合材料的断裂强度有所下降，而延长率及断裂韧度有大幅 度提高引。 在国内，既有一些高校和研究所在从事深冷处理工艺的研究，也有部分工厂，企业 从事低温处理技术的探讨。江苏五菱柴油机公司的闻平等人认为，采用深冷工艺装配凸 轮轴套等薄壁零件后，可取消较薄壁零件内孔工序，能达到降本增效，杜绝薄壁零件在 装配时剥离及运转时跟转的现象，保证油道通畅，稳定产品质量掣。 韶关工具厂近几年来一直在尝试使用低温处理技术，比如他们对细长杆或薄壁件进 行一次回火后，紧接着就置入干冰箱内，保持2 0 分钟，接着再进行二次回火，目的是去 除细长杆或薄壁件的内应力，稳定尺寸，有时他们也会把深冷处理工序安排在热处理之 后，也即是在淬火态下对工件进行深冷处理，最后再对工件进行少许的精加工；另外， 韶关工具厂也对部分剃齿刀进行深冷处理，原因是这种刀具在加工后齿根应力大，使用 时容易掉齿，而经过深冷处理后此种刀具的使用寿命提高约3 0 ，硬度提高约0 5 hr c ， 但具体的深冷处理工艺仍需要进一步的探索。 佛山市火花塞厂测定在深冷处理后可以抑制下贝氏体转变，显著提高c r l 2 m o v 钢的硬 度和耐磨性”1 。华南理工大学的胡华南、曾志新等人在开展有关深冷切削的国家自然科 学基金课题研究时，采用液氮作为冷源，对深冷处理状态下的切削机理进行了较为深入 的探讨，结果表明，低温切削( 主要指用液氮或液态c o ：或其他低温液体作为切削液) 在切 削过程中可以很好的冷却工件和刀具，改善切削过程，提高表面质量，而且不必使用切 削液，同时也可保持现场环境清洁。并在此基础上进一步探讨了微机控制的深冷处理工 艺及装置。 目前，国内深冷处理的研究多是在实验室中进行，诸多材料或成品刀具的深冷处理 机理尚缺少系统的、深入的探索，因而难以对工业生产起到实际的指导作用，与此项技 术的产业化目标更有很大距离，而且，国内一般是材料学方面的人员从事深冷处理技术 的研究，对成品刀具的深冷处理工艺探索还不够全面；同时，国内在进行深冷处理研究 时，所使用的实验装置常存在缺陷，不能很好的控制深冷处理时温度的升降速率，导致 刀具材料深冷处理的实际效果受损，影响研究人员客观的分析深冷处理机理与技术，所 以也阻碍了对具体刀具材料的深冷处理工艺的进一步探索。 1 2 深冷处理设备 深冷处理有的采用压缩空气来制冷，如杭州制氧机研究所的大型轧辊深冷设备和航 空航天部青云仪器厂的空气涡轮深冷机等。最常用深冷设备都采用液氮制冷。天津市热 d 北方工业人学硕士学位论文 处理研究所于1 9 8 9 年研制的液氮气化型深冷箱温度调节范围为常温至一1 8 0 。华中理工 大学于1 9 9 3 年研制的嵌套式深冷设备采用了双重制冷方式，即外层箱机械制冷至一1 8 2 4 ，内层箱采用液氮制冷至一1 5 0 。中科院低温技术实验中心于1 9 9 6 年研制的深井式冷 处理设备最低工作温度为一l o o 。升、降温速率为可调节和自动控制。在美国六七十年 代出现了许多液氮气体法的深冷设备如宝钢双频淬火车间引进的轧辊深冷设备和b o c 公司 的e 1 l e n i t e 设备等。8 0 年代以来出现了电脑控制升降温和处理飞机机翼的大型深冷设备 的液氮深冷设备，如c o s m s 公司的c i 系列“4 。 1 - 3 深冷处理工艺 通常深冷处理以液氮( 一1 9 6 ) 为制冷剂，根据使用液氮的方法不同，又可分为液体 法和气体法。液体法的处理温度可达一1 5 0 。但具有热冲击性容易造成某些材料的低温 下的脆性断裂。而气体法的处理温度可达到一1 9 6 ，由于没有热冲击的缺点被普遍采 用。气体深冷法又称作干式深冷法。不过也有将高速钢工件从高温直接淬入液氮中，认 为在工件周围易产生气膜而不会发生快速冷却条件( 冷却速度慢于淬入油中) ，因而不会 引起开裂。 深冷处理工艺的研究中，人们对深冷处理升降温速度、保温时间、冷却次数及工艺 顺序等也进行了较多的研究删删刚如3 司”。 1 4 深冷处理在钢铁材料中的前景展望 首先深冷处理作为一种具有积极应用前景的材料处理工艺在金属材料中的应用已取 得一定成效，而且有些成效是比较显著的，这一点已有了共识。但深冷处理技术还是一 门比较年轻的科学，目前国内外报道主要还是工艺性方面的研究占多数，而对于机理方 面的研究很少。材料的微观分析不是一件容易的事，它受到种种条件的限制，但是，如 果没有深入的机理分析探讨，就没有办法把握住深冷处理对该材料性能影响的真正规 律，这样材料性能的波动就会很大。其次，深冷处理只是材料常规热处理的一种延续， 所以材料最终性能的好坏不单取决于深冷处理的工艺，还有热处理以及热处理与深冷处 理之间相互搭配的工艺。所以也增加了深冷处理技术稳定使用的难度。有关钢铁材料的 深冷处理工艺问题已经有所研究，但有关深冷处理对钢铁材料的组织和性能的影响，还 处于研究初期阶段。另外，深冷处理对钢铁材料的作用机理问题还存在诸多争议和需要 进一步研究的地方。总之深冷处理技术在挖掘传统材料的潜能中是一种很有用的技术， 应该引起材料工作者的重视。但是深冷处理技术还很年轻，有大量的研究工作要做，该 方面的研究一旦有所突破将会给深冷处理在钢铁材料上的应用带来更大发展。 5 北方工业大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的内容和意义 1 5 1 本课题研究的主要内容 深冷处理在国内仍是有待于进一步研究的技术领域。尽管国外在2 0 世纪6 0 年代后期 就开始从事低温处理技术的研究工作，但从现有资料的结果中来看，仍有很多地方存在 疑问，而且对深冷处理技术机理的探讨也是很少的。并且，国外的低温处理研究机构或 低温处理企业对具体的深冷处理工艺报导的相当少。总之，从目前的研究结果来看，国 内的研究者对刀具材料的深低温处理技术的研究还不系统、不完善。针对目前国内对高 速钢钻头深冷处理的研究起步晚、牌号少的特点，实验研究在选材上与以上研究不同的 是选择了三种牌号w 9 m 0 3 c r “、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 、w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头进行深冷处理，实验采用 对三种材料经过两次深冷工艺的处理，对深冷处理前后同种材料同一规格的钻头，在相 同的切削方案下进行钻削实验，并对深冷处理前后的钻头试样进行硬度测试，比较它们 的粗糙度，研究显微组织结构和后刀面磨损形貌的变化情况，绘制磨损曲线，研究深冷 处理前后钻头的磨损规律，分析探讨高速钢的深冷处理作用机理。 1 5 2 本课题研究的意义 金属切削加工是机械制造业中最主要的加工方法之一。所谓金属切削加工是指在金 属切削机床上使用金属切削刀具从工件表面上切除多余的( 或预留的) 金属，从而获得在 形状、尺寸精度及表面质量等方面都符合预定要求的加工。切削刀具的性能对加工精 度、质量、生产率和生产成本起着重要的有时甚至是决定性的作用。 高质、高效、低耗是目前机械制造业的发展方向。提高刀具材料的耐磨性和稳定性 可延长刀具使用寿命，减少或避免刀具破损，从而起到提高切削用量、减少辅助工时、 降低生产成本的效果。据有关资料表明：刀具费用占制造成本2 4 4 ，但它却占制造 成本里边2 0 的机床费用和3 8 的人工费用。 因此，国内外一直都非常重视刀具材料的处理方法与工艺的研究。比如，优化热处 理工艺参数，应用渗硼，渗碳，气体、离子渗氮、碳氮共渗等表面强化工艺技术。近几 十年来，航空航天、汽车等行业使用材料的性能不断提高，轻质强韧材料的使用日渐增 多，加工难度日益增大。同时，机床制造业的发展，使数控机床和加工中心的加工能力 获得极大提高，并不断向高速、高效率加工发展，从而对刀具材料提出了更高的要求。 使得刀具材料必须能适应高效加工、硬加工、干式加工、超精密加工和新型难加工材料 的加工；同时，还要具有耐磨性好，破损敏感性小，材质、稳定性好。 6 北方工业大学硕士学位论文 我国机械制造业每年消耗大量的刀具，其中高档次的数控机床、加工中心用刀具几 乎完全依赖进口，而国产刀具的耐用度水平较低则是其主要原因之一。我国有各类切削 机床4 0 0 万台，如能将目前使用的刀具寿命提高哪怕只是5 0 ，都将产生巨大的经济效益 和社会效益。 低温处理即是一种符合现代加工要求、能改善和增强刀具及材料服役性能的技术。 它能使被处理材料从表面到内部组织结构发生变化，性能得到增强，制作出的刀具不会 因重磨而使其内部结构组织发生变化，从而提高了刀具的耐磨性和使用寿命。 因此，深冷处理技术的研究成果将对提高我国工具行业的技术水平，提高机械制造 业的综合竞争力有着深远意义。具有极其广阔的应用前景。 本课题的研究也将为深冷处理技术在工模具、要求高耐磨性零件( 如齿轮、链轮、 轴承、衬套、导套等) 等领域的应用打下良好的基础。因而，深冷处理技术的研究具有 重要的理论和现实意义。 7 一 北方工业大学硕士学位论文 2 实验内容 高速钢是一种含多量碳( c ) 、钨( w ) 、钼( m o ) 、铬( c r ) 、钒( v ) 等元素的高合金钢，热 处理后具有高热硬性。当切削温度高达6 0 0 以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀 具切削速度可达每分钟6 0 米以上，而得其名。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢 具有较高的热稳定性；其强度和韧性也是现有刀具材料中最高的( 其抗弯强度是硬质合金 的2 3 倍，韧性是硬质合金的9 1 0 倍) ，具有一定的硬度和耐磨性，切削性能可满足一 般加工要求，刀具制造工艺简单，刃磨容易，可以加工从有色金属到高温合金的广泛的 工件材料，因而，高速钢刀具在实际工业生产中获得了广泛的应用。 高速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为熔炼高速 钢及粉末冶金高速钢。 普通高速钢可满足一般需求。常见的普通高速钢有两种，钨系高速钢和钨钼系高速 钢。钨系高速钢：典型牌号为w 1 8 c r 4 v ，热处理硬度可达6 3 6 6 h r c ，抗弯强度可达 3 5 0 0 m p a ，可磨性好。钨钼系高速钢：典型牌号为w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，目前正在取代钨系高速 钢，具有碳化物细小分布均匀，耐磨性高，成本低等一系列优点。热处理硬度l 司上，抗 弯强度达4 7 0 0 m p a ，韧性及热塑性比w 1 8 c r 4 v 提高5 0 。常用于制造各种工具，例如钻头、 丝锥、铣刀、铰刀、拉刀、齿轮刀具等，可以满足加工一般工程材料的要求。只是它的 脱碳敏感性稍强。另一牌号的普通高速钢为w 9 3 c r 4 v ，这是中国近几年发展起来的新品 种。强度及热塑性略高于w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，硬度为h r c 6 3 6 4 ，与韧性相配合，容易轧制、锻 造，热处理工艺范围宽，脱碳敏感性小，成本更低。这三个牌号的普通高速钢在中国市 场的比例分别为：w 1 8 c r “，1 6 5 ；w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，6 9 ；w 9 m 0 3 c r 4 v ，1 1 。 所以本论文选取w 9 m 0 3 c r 4 v 、w 4 m 0 3 c r 4 v s i 、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 三种高速钢钻头作为试验材 料，观测它们深冷处理前后在耐磨性、硬度、粗糙度等机械物理性能方面的变化，并研 究高速钢刀具的深冷变化机理。力求在试验取得成功后能给实际工业生产带来帮助。 2 1 实验材料 实验材料是由北京北量瑞科机械工具有限公司提供的同一批次的w 9 m 0 3 c r “高速钢麻 花钻和同一批次的w 4 m 0 3 c r 4 v s i 高速钢麻花钻以及哈尔滨桂量量具刃具有限责任公司提供 的w 6 5 c r “2 高速钢麻花钻。材料的成分如表2 1 所示 8 北方r t 业大学硕士学位论文 表2 1 删0 3 c r 4 v 化学成分( 质量分数) 成分 c胃m o c rv 其他 含量 0 8 48 7 02 7 84 0 31 3 7 表2 2w 4 l 1 0 3 c r 4 v s i 化学成分( 质量分数) 成分 cwm oc rv 其他 含量 o 9 3 4 ，0 0 3 0 04 1 01 5 0 表2 3w 6 5 c r “2化学成分( 质量分数) 成分c wm oc rv 其他 含蜀 o 踮6 1 05 0 04 1 02 0 0 2 - 2 实验设备 ( 1 ) s l x 一2 5 0 液氮深冷箱，用于对麻花钻进行深冷处理； ( 2 ) t h 一3 0 0 洛氏硬度计，用于测试试样的硬度； ( 3 ) d k 7 7 2 5 线切割机床，切割金相试样； ( 4 ) k y k y e m 3 2 0 0 扫描电子显微镜，用于试样的断口形貌分析； ( 5 ) p g 一2 c 抛光机，用于试样的抛光处理； ( 6 ) 5 0 3 2 数控立式升降台铣床，用于切削实验； ( 7 ) b s 2 2 4 s 的力1 分之一电子天平，用于测量钻头的重量； ( 8 ) t r 2 4 0 便携式粗糙度计，测量钻头表面的粗糙度。每个钻头测三次，取其平均 值。 9 北方工业大学硕士学位论文 2 3 试样的制备 硬度试样：卡在线切割机床上，先自钻尖处切下，然后自断面处延伸1 8 啪，再切 下，线切割速度控制在l o 3 4 步秒。如图2 1 所示： 图2 1 ( 注：截下的部分即为硬度试样) 金相试样：将硬度试样依次在2 0 0 # 、8 0 0 # 、3 0 0 0 # 砂纸上进行研磨，磨好后 用p g 一2 c 型抛光机对试样进行抛光，用浓度为4 的硝酸酒精溶液进行腐蚀，将腐蚀好 的试样用吹风机吹干，最后在扫描电镜下观察其显微组织并照相。 s e m 试样：将钻削实验后的钻头自钻尖处切下5 m 长，放在扫描电镜下观察。 2 4 深冷处理工艺及切削方案 深冷工艺1 ：从室温下快速冷却到一1 8 0 ，保温2 小时，然后在8 0 分钟内升到1 8 0 ，保温一个小时，最后降到常温2 0 。工艺曲线见图2 2 ： 图2 2 深冷_ t 艺1 1 0 北方工业大学硕士学位论文 深冷工艺2 ：自室温下1 小时内降到一1 9 0 ，保温3 个小时，然后在2 小时内升到1 8 0 ，保温3 0 i n i n ，最后在4 0 i n i n 内降到常温。工艺曲线见图2 3 ： 温度，) ( 2 ) 切削实验： 图2 3 深冷工艺2 北方工业大学硕士学位论文 表2 4 切削实验方案 规格 刀具编号 材质 深冷深冷 切削实验方案深冷工艺序号 m m 日u 后 工件材料：2 0 1 不锈钢、厚度 5 #1 # 、2 0 m 、迸给量f _ 2 0 啪m i n 、干 巾8 5 6 #2 #式钻削、主轴转速 1 2 0 0 r m i n 、孔深1 0 m m 工件材料：4 5 # 钢、厚度 3 # l # 2 0 m 、进给量f = 1 0 0 m m m i n w 9 m 0 3 c r “m 1 4 5 4 #2 # 加切削液、主轴转速5 5 0 r m i n 孔深3 0 m 1 工件材料：a 3 钢、厚度2 0 m 、 1 # 、4 # 进给量f 2 6 4 0 m m m i n 、加切削 巾1 8 5 2 #5 #液、主轴转速4 1 5 r m i n 孔深2 0 m 工件材料：a 3 钢、厚度2 0 i i n 、 o # 3 # 进给量f _ 1 9 晰i n 、加切削 w 6 m 0 5 c r 4 v 2m 8 1 #4 # 液、主轴转速9 5 5 r m i n 2 #5 # 孔深2 0 砌 工件材料：a 3 钢、厚度2 0 m 、 l #3 # 进给量f _ 1 5 0 删m i n 、加切削 中l o 2 #4 #液、主轴转速7 6 4 r m i n 2 孔深2 0 哪 w 4 m 0 3 c r 4 v s i 工件材料：a 3 钢、厚度2 0 i i i n 、 1 #3 #进给量f - 1 4 0 m m i n 、加切削 m 1 4 2 # 6 # 液、主轴转速5 4 6 r m i n 孔深2 0 i 衄 1 2 北方【业大学硕士学伉论文 3 实验研究结果及其理论分析 3 1 深冷处理对w 9 m 0 3 c r 4 v 、w 6 帖5 c r 4 v 2 、w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头显微组织的 影响： 马氏体是一种较易被腐蚀的组织，腐蚀后颜色较深，在光学显微镜下星黑色或灰 色，高速钢中的马氏体腐蚀后一般为黑色针状。残余奥氏体和碳化物都是不易被腐蚀的 组织，因而在显微镜下呈自色。以下各图为高速钢刀具深冷处理前后的金相照片。 3 1 1w 9 m 0 3 c r 4 v 钻头显微组织的观察结果 幽3 1 中8 5 未经深冷处理显微组织图3 2 中8 5 深冷处理后显微组织 图3 3 中1 4 5 朱经深冷处理显微组织 图3 4 中1 4 5 深冷处理后显微组织 1 3 北方 业大学硕十学位论文 图3 5 中坞5 朱经深冷处理显微组织图36 巾1 8 5 深冷处理后显微组织 3 1 2w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钻头显微组织的观察结果 图3 7 中8 未经深冷处理显微组织x 2 0 0 0图3 8中8 深冷处理后显微组织x 2 0 0 0 1 4 北方t = 业大学硕士学位论文 幽3 9 中8 未经深冷处理显微组织x 4 0 0 0图3 1 0 中8 深冷处理后显微组织x 4 0 0 0 3 1 3w 4 m 0 3 0 r 4 v s i 钻头显微组织的观察结果 图3 1 l 中1 0 未经深冷处理显微组织x 2 0 0 0 图3 ，1 20 1 0 深冷处理后显微组织x 2 0 0 0 图3 1 3 中1 0 未经深冷处理显微组织x 4 0 0 0 1 5 一图3 1 4 中1 0 深冷处理后显微组织。4 0 0 0 北方：业人学硕二e 学位论文 图3 1 5m 1 4 未经深冷处理显微组织x 2 0 0 0图3 1 6 中1 4 深冷处理后显微组织x 2 0 0 0 图3 1 7 中1 4 未经深冷处理显微组织x 4 0 0 0 图3 1 8m 1 4 深冷处理后显微组织x 4 0 0 0 从经过深冷处理和未经过深冷处理的w 9 m 0 3 c r 4 v 钻头金相显微组织照片对比可知，深 冷处理后的高速钢钻头其微观组织中析出大量的、分布均匀细小弥散的碳化物颗粒； 对于w 6 m 0 5 c r 4 v 2 以及w 4 m 0 3 c r 4 v si 深冷处理前后微观组织图片来看，由于腐蚀时间较短， 图片不是很清晰，深冷前后微观组织图片上都存有白色的残余奥氏体和碳化物，但是细 细比较，可以辨别出未经深冷处理的高速钢刀具其微观组织中的黑色片状或灰色针状马 氏体组织数量相对较少，且粒度较粗大；经过深冷处理的高速钢刀具材料其微观组织 一1 6 北方工业大学硕十学位论文 中，黑色针状马氏体增多，分布趋于均匀。因而，有理由认为，深冷处理在一定程度上 可促使高速钢中残余奥氏体向马氏体转变，而细化、均布组织组织、析出的细碳小化 物，增强了高速钢刀具的耐磨性，并提高其硬度。 综合以上图片可归纳出这样的结论：碳化物的分布状态、颗粒大小、形状、大块碳 化物的堆集等对高速钢的韧性、耐磨性有较大影响。深冷处理致使马氏体，特别是含碳 量较高区域，再度析出大量的细小而弥散的碳化物颗拉，这种碳化物弥散而又均匀分布 的微观组织是高速钢韧性和耐磨性提高的内因。从而使刀具使用寿命成倍地提高。 3 2 深冷处理对w 9 m 0 3 c r 4 v 、w 6 m 0 5 c 1 4 v 2 、w 轨幻3 c r 4 v s i 钻头硬度的影响 从表3 1 可以看出，三种材料经深冷处理后，室温硬度略有提高，w 9 m 0 3 c r 4 v 钻头增 加量为o 4 1 5 ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钻头增加量为1 4 ，w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头增加量为1 2 1 5 ， 变化不大，说明深冷处理对室温硬度的影响很小。从机理上来讲，硬度的提高乃是工件 内部微观结构发生变化的结果。 表3 1 深冷处理前后钻头硬度变化数据表 钻 平 变 规格头深冷前 深冷后 材质均均化 m 序硬度h r c 值 硬度h l c 值量 号 l6 5 46 5 66 4 86 4 36 5 o6 5 66 5 4 6 5 76 5 3 6 5 5+ o 5 8 5 26 5 06 5 66 6 86 4 7 6 5 46 5 86 5 9 6 7 o 6 5 66 6 2+ o 8 16 2 66 5 86 5 56 3 06 4 26 4 46 4 5 6 4 36 6 06 4 8+ o 6 1 0 5 26 2 o6 2 86 2 6 6 3 86 2 86 3 26 3 o6 3 26 6 96 4 z+ 1 4 w 9 l 1 0 3 c r 4 v 15 9 66 0 45 9 65 9 4 5 9 ，86 0 45 9 8 6 1 66 2 26 1 0+ 1 2 1 2 5 25 9 46 l _ 4 加05 9 o6 0 o6 0 o5 9 56 1 ，26 0 86 0 4+ 0 4 l6 3 16 1 66 2 ，86 3 56 2 86 4 16 3 96 4 56 4 76 4 ，3+ 1 5 1 4 5 26 0 46 2 26 0 36 l _ l6 1 o6 1 66 2 5 6 2 6 6 1 46 2 0+ 1 o 16 1 86 2 86 0 26 0 86 1 46 2 66 3 26 2 56 3 o6 2 8+ 1 4 w 6 m 0 5 c r 4 v 28 26 3 66 2 46 3 06 3 16 3 o6 3 ，96 4 76 4 8 6 4 o6 4 4+ l - 4 l5 9 95 9 96 0 2 6 1 56 0 46 0 56 1 96 2 ，o6 1 56 1 5+ 1 1 1 0 25 5 95 6 o5 6 2 5 5 55 5 95 7 15 6 45 7 85 8 15 7 4+ 1 5 w 4 m 0 3 c r 4 v s i l5 5 1 5 5 65 5 7 5 5 75 5 55 6 65 6 55 7 25 6 6 5 6 7 + 1 2 1 4 25 4 2 5 3 5 5 4 25 5 65 4 45 5 15 5 2 5 5 75 6 4 5 5 6+ 1 2 1 7 北方丁业大学硕士学位论文 3 3 深冷处理对w 9 m 0 3 c v 、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 、w 4 m 0 3 c r 4 v s i 钻头耐磨性能的 影响 3 0 2 5 西 2 0 萎1 5 口l o 0 - 一6 号刀jl p1 号刀l l：兰卫。基 u儿jz u：j ( j1 u 钻彳l 深压m m 图3 1 9w 9 3 c r 4 v 西81 号、2 号希f 6 号刀具深冷处理前后磨损曲线 备注：6 号刀具未经深冷处理，1 、2 号刀具经过深冷处理，工件材料：2 叭不锈钢， 厚度20 i l 】i n ：干式钻削；进给量f = 2o i i l m m i n ：主轴转速1 2 0 0 r m i n ，l 号刀具在钻第5 个 孔时报废，第5 孔切削深度约2 3 唧，2 号刀具在钻第3 个孔时报废，第3 孔切削深度约 5 7 哪，5 号刀具在钻第一个孔时报废，受切削热刀具变形。 3 0 2 5 毒2 0 蠢，j 叠1 0 ” 5 0 + 3 号刀其l ! ! ! 曼型基j 0 5i o1 52 02 5 钻孔个数个 图3 2 0w 9 m 0 3 c r 4 vm 1 4 ，5 1 号和3 号刀具深冷前后磨损曲线 一1 8 北方j i ：业大学硕士学位论文 备注：3 号刀具未经深冷处理，1 号刀具经过深冷处理切削同一工件，工件材料： 4 5 # 钢厚度2 0 f 【n ：进给量f = 1 0 0 珊i n ；加切削液；主轴转速5 5 0 r m i n ；孔深3 0 m ， 2 # 和4 # 刀具报废，受切削热刀具变形。 48 钻孔个数个 + l 号刀具 + 5 号刀具 图3 2 1w 9 m 0 3 c r 4 v 中1 8 ，51 号和5 号刀具深冷前后磨损曲线 备注：其中1 号未经深冷处理，5 号深冷处理切削同一工件，工件材料：a 3 钢； 厚度2 0 f i 【i ；进给量f = 6 4 0 m m i n ；加切削液；主轴转速4 1 5 r m i n ；孔深2 0 唧，1 号刀具 在第四次钻孔时崩刃，5 号刀具在第三次切削时出现崩刃现象比较严重。 一1 9 赫历垢加5 o 北方t 业大学硕士学位论文 048 1 21 6 钻孔个数个 | + 2 弓川其 - 一4 弓刀 图3 2 2w 9 3 c r 4 v 中1 8 52 号和4 号刀具深冷前后磨损曲