改善刀具寿命的新工艺方法

刘洪良一

低温深冷处理工艺是一种将材料或零部件置于－130～－190℃的低温下，按一定的工艺进行处理的过程。它不仅可以对黑色金属、有色金属、金属合金和碳化物进行处理，还能对非金属材料进行处理。深冷处理是对切削刀具材料进行处理的有效工艺手段。
% K$ w' l0 V4 }% l( l" z　　1 机理概述
　　深冷处理的机理如今有几种不同的观点，现存的理论也有几种。物理学家对刀具深冷导致金属结构变化的分析认为，深冷改变了金属的原子和分子的结构。冶金专家认为残余奥氏体转变为马氏体是问题所在。但确切发生了什么变化尚待进一步研究。
　　2 工艺方法
' i* o/ K; x" s　　1） 使用设备 带有计算机连续监控并能自动调节液氮进入量、自动升降温的深冷处理箱。
1 W! G' `3 e! ~, H　　2） 处理过程 处理过程由精确编制的降温、超低温保温和升温3个程序组成。
　　适当缓慢的降温随之进行最少24h的－190℃超低温的保温以及合理的升温，3个过程合计需36～74h，通过这种合理的过程和精密的监控可防止被处理工件的尺寸变化和“热冲击”的产生。
6 _  V" ?- j5 j4 q* X9 ]1 E! o6 |　　因此，要进行此项工作必须掌握好深冷工艺，并对工艺过程进行严格控制；还要知道刀具材料的成分和热处理的工艺过程。深冷处理不同于一般的表面处理，它可以使被处理工具的全部材料性能都得到提高，这样刀具经过多次修磨后仍能保持一致的性能。深冷处理并不能代替热处理工艺，它是提高经热处理后材料机械性能的一种有效补充手段。
　　3 深冷处理后效果对比
　　实验条件：切削试件为灰铸铁（HT250）；刀具材料为硬质合金；深冷处理前、后切削参数相同。
0 W: z" g' x' l) O+ e, }) E& j9 X　　经过深冷处理后，材料稳定性得到提高，有害应力得到减小，刀具寿命有所提高。通过对灰铸铁零件的加工试验证实，以同样的切削参数加工同一零件，从附表中可看出，经过深冷处理的刀具的平均寿命明显提高约1.53～8.4倍左右。
　　试验中也发现以下问题：若对刀具进行深冷处理后，不在-200℃进行4～5h的保温，而将刀具在室温中放置半个月左右，则刀具的寿命变得与未经深冷处理时一样。其次，不能将刀具直接放到液氮中，这样会使刀具遭到“热冲击”损害。另外，若原热处理不合理也会造成深冷处理后效果甚微。劣质的合金不可能通过深冷处理来变成优质合金。
　　4 提高刀具性能的原因分析
& m3 ^) t$ u; i# s! l( K　　由于温度接近绝对零度时材料表现出的一种由无序向有序转变的奇特现象，世界各国近年来开展的有关液氮温度范围超导材料的研究已经取得举世瞩目的成就，尽管对这类现象进行解释的理论尚未形成，超低温对材料的影响尚未完全认识，但如何应用这些已发现的物理现象来改进产品质量、降低成本，正在从试验室进入工厂。对于深冷处理能提高刀具性能的原因分析如下：
: }2 o: D) C, n: ^$ M. ~　　1） 它使硬度较低的奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和抗热性更高的马氏体；
9 b& Q+ j- P4 Y% l& O6 G　　2） 通过超低温处理，使被处理材料的晶格具有更加广泛分布的硬度较高、粒度更细化的碳化物微粒；
# Z& ?: [  v) L0 G3 l+ j　　3） 在金属晶粒中可产生更均匀、更微小，且带有更大密度的微小材料组织；
　　4） 由于有附加微碳化物粒子和更细密的晶格，故导致了更密集的分子结构，使材料内部微小的空洞被大大减少；
9 n3 `9 u7 i6 P4 C5 N9 g: F" K　　5） 材料经超低温处理后内部热应力和机械应力大为降低，从而有效地减少了造成工具和刀具产生裂纹、崩刃的可能性。此外，由于刀具中的残余应力影响切削刃吸收动能的能力，经过超低温处理的刀具不仅具有较高的抗磨性，而且其自身的残余应力的危害也比未经处理的刀具大大降低；
　　6） 在被处理的硬质合金中，由于其电子动能的减少而使分子结构产生新的组合。
　　5 结论
　　通过对刀具进行深冷处理，可以增强刀具材料的抗磨性、强度、韧性和抗冲击性，提高抗疲劳强度和消除内应力。由于提高了材料的稳定性和机械性能，因此延长了刀具使用寿命，少了换刀、磨刀次数，降低了生产成本。阿特拉斯空压机配件
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