超硬高速钢及普通高速钢丝锥的使用寿命

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1 引言
* q' K& m6 y* C# A- e. v4 g7 ^机用丝锥传统用材料以W6Mo5Cr4V2高速钢居多，这一类钢具有良好的红硬性和耐磨性。但随着对新材料研究的深入，对刃具材料提出了更高的要求，希望刃具的常温和高温力学性能得到显著提高。为此在普通高速钢的基础上通过调整其化学成分，添加其他合金元素，制造出性能更加优越的超硬高速钢，如钴高速钢、铝高速钢在铣刀、钻头等方面得到了很好的应用，使用寿命成倍提高，但在丝锥上的应用研究较少。另外深冷处理亦对高速钢刀具，如滚齿刀、铣刀、钻头等的使用寿命有不同程度的提高。因此作者研究了超硬高速钢和普通高速钢丝锥的使用寿命及深冷处理对普通高速钢丝锥使用寿命影响。
% z+ Y+ e( ~# F4 }8 G8 H2 材料与试验方法
4 R: b. i) U1 f  h+ H% f' l; ?试验材料
7 I& X1 Z. H2 {试验用铝高速钢为成都工具研究所提供的W6Mo5Cr4V2Al，钴高速钢为M35(美国牌号)，普通高速钢为W6Mo5Cr4V2，以上三种材料均由上海刃具厂有限公司进行热处理，加工成机用丝锥并进行切削试验。深冷前后机用丝锥(W6Mo5Cr4V2 )的切削试验委托上海三强模具有限公司进行。
钴高速钢、铝高速钢与普通高速钢的淬火
" R& z7 q8 t  `* C) }) n4 ~0 b淬火工艺如下：钴高速钢820℃ 预热，1,240℃加热，600℃分级后空冷；铝高速钢850℃预热，1,200℃加热保温，550～600℃分级后空冷；普通高速钢820℃预热，1,190℃加热，600℃分级后空冷(时间分别为预热10min，加热5min，分级5min)。淬火后分别用XJG-05型光学显微镜观察组织，比较晶粒大小。
红硬性对比试验
根据红硬性试验方法闭将淬过火的普通高速钢和铝高速钢试样分别在600、625和650℃加热保温4h，然后空冷至室温，测量硬度值，重复三次。
丝锥切削性能对比试验
& E; m1 W$ Z# ]) {7 P9 V将普通高速钢与铝高速钢制成Ø6mm机用丝锥，根据GB/T969-1994规定的切削规范进行试验，切削在台钻上进行，被加工材料为45钢，硬度170HB，切削速度为5.3m/min(即280r/min)，切削深度8mm，冷却液(乳化液)流量为5L/min。
1 W) J' h& M  `2 n) g再将普通高速钢与钴高速钢制成Ø8mm全磨制螺旋槽丝锥进行切削试验，切削在Z305钻床上进行，被加工材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，硬度190HB，切削速度采用4.8m/min(即190r/min)，切削深度8mm，冷却液流量为5L/min。
深冷处理及切削试验比较
% n/ i' H1 N* ~2 u3 E( i7 u将Ø6mm与Ø8mm各5支普通高速钢丝锥放入-196℃液氮中进行24h深冷处理，取出置于空气中，与未进行深冷处理的丝锥进行切削对比试验。切削在Z535立式钻床上进行，被加工材料为Cr12MoV，硬度250HB，切削速度260r/min，切削深度30mm，冷却液流量1L/min。用S-2700扫描电镜观察W6Mo5Cr4V2深冷前后的组织变化。
: l4 _. d% M7 C+ V6 G3 试验结果与分析
# v& h4 @* A) v4 G$ j显微组织
4 \6 f% v3 p7 B9 T  ^# m钴高速钢晶粒最大(奥氏体晶粒度10级)，普通高速钢晶粒次之(奥氏体晶粒度11级)，铝高速钢的晶粒最细小(奥氏体晶粒度12级)。钴高速钢的淬火组织为淬火马氏体、碳化物及残余奥氏体，晶粒大的原因与钴的加入有关，与普通高速钢相比钨的含量减少了，而钼的含量增加了，另外钴在高速钢中不形成碳化物，绝大部分溶于固溶体，钴使莱氏体共晶的熔化温度提高，淬火温度相应升高，易使晶粒发生粗化现象。铝高速钢的淬火组织为隐针马氏体＋残余奥氏体以及少量共晶碳化物。根据郭耕三所著《高速钢及其热处理》(机械工业出版社1985出版)，铝高速钢在淬火状态出现新的碳化物相，即g-VC相，这是一种含铝或铬的碳化物相，它在晶粒内部弥散析出，亦可沉积于M6C上，但含铝量不宜过高，若含量超过4%(质量分数)时则形成含铝的碳化铁，质硬而脆。
$ @3 B: ^- \5 [$ G+ ^* {红硬性
由表可见，在同样温度时铝高速钢的平均硬度要高于普通高速钢。
- `3 v- [! U# k5 r3 u5 A. w表  普通高速钢和铝高速钢红硬性(HRC)
9 D  \1 W. _. d+ M7 u; r4 S- E! p) y钢种
回火温度/℃
3 I3 c- M; o# y4 X; u测量值
( ?0 z( O8 X4 i* c6 D8 M5 R平均值
5 c/ C. r& S: k2 D- r7 c3 I普通高速钢
( F2 g' Z+ ^2 x9 M3 j7 p600
0 @' C- v- _# |. Y) U5 A58.5
59.5
60.0
( |1 o& L, y( Z" e: D1 i8 X+ r& t' S59.5
60.0
3 O  D. U% \+ L3 F, _59.5
8 p2 m  Z/ `2 _6 ~  O2 j625
56.0
56.0
55.5
/ E9 W) u* b) l3 t, F2 _56.0
56.5
" _; Y/ M! s1 r, X56.0
650
48.0
42.5
46.5
# a* b' z) d0 \" R2 x: b" o46.5
0 I' v8 H* d, C& N47.5
47.2
  V7 ]6 P' C: w铝高速钢
" a2 i  U6 C/ m' E; D600
  Y2 a& j8 O' z- X$ j' m7 |8 f61.5
62.0
62.0
8 K$ o/ J4 b* ^2 m- \9 p62.0
61.5
61.8
" w# q' c5 ]2 ]* N625
5 a9 j( b; Q0 _6 d, f63.0
63.5
$ d4 q* h1 t0 M/ f63.5
64.0
63.5
' I- H. T9 g" y2 X" k3 m' X63.5
650
9 Q* Z, v' B! I2 D5 v7 R52.5
; t7 j' _7 `4 d9 T: U. y53
7 {' M( J* m& }3 n. E4 R; C8 }; g52.5
52.5
3 `* ]( P! ~( v7 Z% G52.5
52.5
& x7 ]* ?7 m+ L3 P/ d使用寿命
Ø6mm普通高速钢丝锥平均切削1,126个孔(5个丝锥分别为1,124、1,140、1,092、1,106、1,168) ，而铝高速钢丝锥平均切削1,400 个孔(5个丝锥分别为1,410、1,396、1,382、1,428、1,386) ，后者比前者切削寿命提高24%。这是因为铝高速钢中铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，产生固溶强化，同时铝的化合物在钢中起“钉扎”作用。铝的加入增加了高速钢中碳化物的析出量，提高了钢的抗回火性和红硬性，故钢的常温、高温硬度和耐磨性均能提高，强度和韧度也都比较高。另外，铝的加入使刀具切削时不产生钢屑粘刀现象，从而提高了生产效率闭。
$ M; k9 X& Z( E! `9 o2 O1 y; E/ PØ8mm普通高速钢丝锥平均切削寿命为188 个孔(3个丝锥分别为196、180、188) ，钴高速钢丝锥切削寿命达到406个孔(3个丝锥分别为404、376、440)，是前者的2.16倍。切削完后观察发现前者刃部有磨损，后者基本没有磨损。因为高速钢中加入钴可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化物，提高弥散硬化效果，并提高热稳定性，故能提高常温、高温硬度及耐磨性。增加含钴量，同时还可以改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦因数。因此含钴高速钢与普通高速钢相比使用寿命大大提高了。
" _) S! W+ _* A, v深冷处理前后组织与切削寿命比较
3 r( u2 }/ X9 E2 J+ l深冷处理前(即淬火＋三次回火)碳化物颗粒的平均直径约为1.4µm ，深冷处理后碳化物颗粒平均直径约为1.0µm ，颗粒直径大约下降30%，而且弥散均匀分布，析出的碳化物的颗粒明显增多。
1 }0 n. E8 P) dØ6mm高速钢丝锥深冷处理前平均加工45.2个孔(5个丝锥分别为45、38、50、45、48)，深冷处理后平均加工62.2个孔(5个丝锥分别为67、72、54、60、58)，寿命提高38%。Ø8mm丝锥在深冷前可加工27.8个孔(5个丝锥分别为20、26、30、28、30)，而深冷处理后为40.4孔，是前者的1.45倍，可见深冷处理能够较大地提高丝锥的切削寿命。
! N! W$ `7 x, v- c2 j' |  [高速钢淬火后的组织为高碳高合金马氏体、未溶碳化物及大量的残余奥氏体，在560℃回火过程中马氏体中析出大量弥散细小的碳化物，回火冷却过程中部分残余奥氏体发生二次淬火，转变为(二次)马氏体，在第二次回火中又从马氏体中析出大量弥散细小的碳化物，同时残余奥氏体继续发生向马氏体的转变，这样经过三次回火后，残余奥氏体含量(体积分数)由25%～30%下降到1.5%，整个组织为回火马氏体基体上分布着大量弥散细小均匀的碳化物及极少量的残余奥氏体。
0 M9 x' o! C: u' Z9 u4 ~将淬火与三次回火的丝锥放到-196℃液氮中，碳原子扩散困难，升至室温过程中，碳原子扩散加快；回火马氏体中含碳量为0.2%～0.25%，铁素体含碳量低于0.008%。回火马氏体处于不稳定状态，仍处于一定的过饱和状态，进一步分解析出超微细碳化物，微细碳化物的析出阻止因温度上升而引起的组织长大和碳化物粗化，而残余奥氏体数量较少(约1.5%)，据研究深冷处理前后残余奥氏体量变化不大，因此可认为奥氏体在整个深冷过程中基本没有变化。这样深冷后的组织应为回火马氏体基体上分布着原来的碳化物(三次回火后析出的)和深冷后马氏体中析出的超微细碳化物，以及极少量的残余奥氏体。因为有超微细碳化物的弥散析出，导致硬度、强度、韧度、红硬性、耐磨性均相应得到提高。
/ s1 I2 K) D7 e2 b) j9 ^3 s4 经济效益对比
) s- j) M3 c: y8 P普通高速钢目前价格为4.8万元/t，铝高速钢价格为5.76万元/t，是前者的1.2倍，Ø6mm丝锥原材料成本为0.9元/支，产品售价为6.8元/支，使用铝高速钢材料，原材料的成本变为1.1元/支，其他生产流程一样，产品售价为7.0元/支，比前者高约3%，寿命提高24%，这样同样加工相同数量的螺纹孔，可以减少丝锥用量，节省换装时间，降低生产成本，提高经济效益。
普通高速钢丝锥进行深冷处理所需成本包括30L的液氮罐，一次可放Ø6 mm的丝锥200支，处理周期24h，一罐可用14d，共可处理2800支，液氮的成本为5 元/L，一罐150元，每支成本0.05元，考虑到其他成本，每支成本最多增加0.10元，即处理后售价提高不到1.5%，而使用寿命可提高38%～45%，具有很好的经济效益。
5 结论
' l0 c) n' l5 @8 I铝高速钢红硬性比普通高速钢有显著提高，铝高速钢丝锥比普通高速钢丝锥使用寿命提高24%。
钴高速钢丝锥与普通高速钢丝锥相比使用寿命提高1倍以上。
& E2 \; G8 X: x' p6 j对普通高速钢丝锥成品直接进行深冷处理，可提高丝锥的切削寿命，效果明显，易于操作，工艺简单可行，成本低。
6 O( n  U. _* g2 q文章关键词： 钢材 丝锥