閻紅娟 徐宏海 羅學(xué)科

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

自1965年深冷處理應(yīng)用于改善工模具的性能以來，大量的試驗(yàn)研究表明深冷處理能夠明顯改善材料的顯微組織，提高材料的力學(xué)性能，尤其是耐磨性［1-2］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于刀具深冷處理研究處于探索階段，不同材料刀具的具體深冷處理機(jī)理和工藝是該技術(shù)進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域的瓶頸。因此分析深冷處理前后材料性能的變化，探索深冷處理因素對(duì)深冷處理效果的影響成為深冷處理研究的重點(diǎn)。

本文采用正交試驗(yàn)方法對(duì)YT15深冷處理工藝進(jìn)行研究，考慮各種因素(如冷卻速率、深冷溫度、深冷保溫時(shí)間和回火溫度等)對(duì)深冷處理效果的影響，通過分析經(jīng)各種不同深冷工藝處理后硬質(zhì)合金車刀的性能，確定影響YT15深冷處理效果的各因素的主次關(guān)系，為合理制定硬質(zhì)合金深冷處理工藝提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 車刀參數(shù)

車刀材料選用為YT15，幾何參數(shù)：主偏角60°，副偏角 30°，前角 15°，后角 6°，副后角 6°。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

影響深冷處理效果的因素很多，其中深冷處理工藝參數(shù)中冷卻速度、深冷溫度、深冷保溫時(shí)間以及回火溫度是主要因素［3］。為確定各因素對(duì)深冷處理后力學(xué)性能影響的主次關(guān)系，以洛氏硬度(HRA)、后刀面磨損量VB等性能數(shù)據(jù)作為考查指標(biāo)，采用多指標(biāo)多因素的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在不考慮交互作用的情況下分析試驗(yàn)結(jié)果。本試驗(yàn)采用4因素3水平(表1)正交設(shè)計(jì)，選用L9(34)型正交表安排實(shí)驗(yàn)。

1.3 深冷實(shí)驗(yàn)

采用SLX-250型微機(jī)控制深冷箱對(duì)刀片進(jìn)行深冷實(shí)驗(yàn)，冷卻介質(zhì)為液氮。除正交試驗(yàn)表1中的因素外，其他因素在9次深冷試驗(yàn)中設(shè)為常值，其中深冷后加熱速度為2℃/min，回火時(shí)間為1 h，回火后冷卻速度為2℃/min。

表1 因素水平表

1.4 硬度實(shí)驗(yàn)

使用TH300洛氏硬度計(jì)測(cè)量每次深冷前后的刀具硬度值，具體數(shù)值見表2。

1.5 車削實(shí)驗(yàn)

在CK40數(shù)控車床上進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，工件材料為45鋼，工件平均硬度為90.2 HRB。切削用量：進(jìn)給量f=0.25 mm/r，切削速度v=70 m/min，切削深度ap=1.5 mm。圖1為加工2000 mm后使用SEM觀察后各實(shí)驗(yàn)刀具后刀面磨損情況。

表2 深冷前后硬度對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 刀具磨損對(duì)比實(shí)驗(yàn)

以后刀面磨損量VB=0.5 mm作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。未經(jīng)深冷處理的車刀車削加工4200 mm后，后刀面磨損量達(dá)到0.451 mm，因此以車削加工4200 mm對(duì)比刀具后刀面磨損量。使用SEM測(cè)量車削加工4200 mm時(shí)刀片的后刀面磨損量VB，并將其與深冷處理前后刀片硬度增加值填入正交試驗(yàn)表中，并進(jìn)行極差分析，如表3所示。

從表3中可以看出，經(jīng)深冷處理后刀具硬度提高了0.234～0.733 HRA；深冷處理的后刀面磨損量VB為深冷前刀具的27.68%～77.43%。經(jīng)深冷處理工藝2處理后的刀具后刀面磨損量最小。利用極差分析深冷工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，得到RB＞RA＞RD＞RC，因此深冷溫度對(duì)刀具性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度，最后是深冷保溫時(shí)間。在目前實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)于材料硬度，最佳深冷工藝為：A3B1C3D2；對(duì)于刀具磨損量，最佳深冷處理工藝為：A1B2C2D2。最佳工藝中，只有深冷后回火溫度的最優(yōu)溫度相同。表3中數(shù)據(jù)顯示，硬度的提高較大時(shí)，對(duì)耐磨性的改善并非最好。如工藝7中，深冷處理后刀具的硬度提高最大，而刀具后刀面磨損量并非最小。因此深冷處理過程中材料硬度的提高并不是提高刀具耐磨性的主要原因?？紤]到在實(shí)際生產(chǎn)中，磨損量越小，刀具耐用度越好，因此以刀具磨損量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行硬質(zhì)合金刀片深冷處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，最佳深冷處理工藝為：冷卻速度為2℃/min，深冷處理溫度為-150℃，深冷保溫時(shí)間為2 h，深冷回火溫度為140℃。

表3 深冷處理前后正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

硬質(zhì)合金 YT15的主要成分為 WC(79%)、TiC(15%)和粘結(jié)相Co(6%)。使用德國(guó)布魯克D8 Ad-vaice X射線衍射儀對(duì)WC、TiC和粘結(jié)相Co的晶格常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果見表4。

表4 WC、TiC和Co的晶格常數(shù)

從表4中可知，WC和TiC的晶格常數(shù)在深冷前后差別不明顯。在未經(jīng)深冷的刀片中有面心六方的Co(α-Co)和密排立方的Co(ε-Co)，而在深冷后的刀片中只有密排六方的Co(ε-Co)，據(jù)此經(jīng)深冷處理后，硬質(zhì)合金中金屬Co發(fā)生了多型性馬氏體轉(zhuǎn)變。因此深冷處理提高YT15刀具耐磨性的主要原因是深冷處理促使粘結(jié)相Co發(fā)生了多型性馬氏體轉(zhuǎn)變，使α-Co完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Co。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)使用正交試驗(yàn)研究了深冷處理工藝參數(shù)對(duì)YT15硬質(zhì)合金刀片性能的影響，結(jié)果表明，深冷溫度對(duì)刀片性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度，最后是深冷保溫時(shí)間。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行硬質(zhì)合金刀片深冷處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，最佳深冷處理工藝：冷卻速度為2℃/min，深冷處理溫度為-150℃，深冷保溫時(shí)間為2 h，深冷回火溫度為140℃。

(2)X射線衍射儀測(cè)量結(jié)果表明，WC和TiC的晶格常數(shù)變化不明顯，粘結(jié)相Co發(fā)生了多型性馬氏體轉(zhuǎn)變。深冷處理促使α-Co完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Co，這是提高高速鋼硬度和耐磨性的重要原因。

［1］閻紅娟，徐宏海，王洪艷，等.深冷處理對(duì)W4Mo3Cr4VSi鉆頭性能影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009(4)：72-73.

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