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超硬高速鋼及普通高速鋼絲錐的使用壽命


1 引言 

機(jī)用絲錐傳統(tǒng)用材料以W6Mo5Cr4V2高速鋼居多，這一類鋼具有良好的紅硬性和耐磨性。但隨著對新材料研究的深入，對刃具材料提出了更高的要求，希望刃具的常溫和高溫力學(xué)性能得到顯著提高。為此在普通高速鋼的基礎(chǔ)上通過調(diào)整其化學(xué)成分，添加其他合金元素，制造出性能更加優(yōu)越的超硬高速鋼，如鈷高速鋼、鋁高速鋼在銑刀、鉆頭等方面得到了很好的應(yīng)用，使用壽命成倍提高，但在絲錐上的應(yīng)用研究較少。另外深冷處理亦對高速鋼刀具，如滾齒刀、銑刀、鉆頭等的使用壽命有不同程度的提高。因此作者研究了超硬高速鋼和普通高速鋼絲錐的使用壽命及深冷處理對普通高速鋼絲錐使用壽命影響。 

2 材料與試驗(yàn)方法 

試驗(yàn)材料 

試驗(yàn)用鋁高速鋼為成都工具研究所提供的W6Mo5Cr4V2Al，鈷高速鋼為M35(美國牌號)，普通高速鋼為W6Mo5Cr4V2，以上三種材料均由上海刃具廠有限公司進(jìn)行熱處理，加工成機(jī)用絲錐并進(jìn)行切削試驗(yàn)。深冷前后機(jī)用絲錐(W6Mo5Cr4V2 )的切削試驗(yàn)委托上海三強(qiáng)模具有限公司進(jìn)行。 

鈷高速鋼、鋁高速鋼與普通高速鋼的淬火 

淬火工藝如下：鈷高速鋼820℃ 預(yù)熱，1,240℃加熱，600℃分級后空冷；鋁高速鋼850℃預(yù)熱，1,200℃加熱保溫，550～600℃分級后空冷；普通高速鋼820℃預(yù)熱，1,190℃加熱，600℃分級后空冷(時(shí)間分別為預(yù)熱10min，加熱5min，分級5min)。淬火后分別用XJG-05型光學(xué)顯微鏡觀察組織，比較晶粒大小。 

紅硬性對比試驗(yàn) 

根據(jù)紅硬性試驗(yàn)方法閉將淬過火的普通高速鋼和鋁高速鋼試樣分別在600、625和650℃加熱保溫4h，然后空冷至室溫，測量硬度值，重復(fù)三次。 

絲錐切削性能對比試驗(yàn) 

將普通高速鋼與鋁高速鋼制成?6mm機(jī)用絲錐，根據(jù)GB/T969-1994規(guī)定的切削規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，切削在臺鉆上進(jìn)行，被加工材料為45鋼，硬度170HB，切削速度為5.3m/min(即280r/min)，切削深度8mm，冷卻液(乳化液)流量為5L/min。 

再將普通高速鋼與鈷高速鋼制成?8mm全磨制螺旋槽絲錐進(jìn)行切削試驗(yàn)，切削在Z305鉆床上進(jìn)行，被加工材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，硬度190HB，切削速度采用4.8m/min(即190r/min)，切削深度8mm，冷卻液流量為5L/min。 

深冷處理及切削試驗(yàn)比較 

將?6mm與?8mm各5支普通高速鋼絲錐放入-196℃液氮中進(jìn)行24h深冷處理，取出置于空氣中，與未進(jìn)行深冷處理的絲錐進(jìn)行切削對比試驗(yàn)。切削在Z535立式鉆床上進(jìn)行，被加工材料為Cr12MoV，硬度250HB，切削速度260r/min，切削深度30mm，冷卻液流量1L/min。用S-2700掃描電鏡觀察W6Mo5Cr4V2深冷前后的組織變化。 

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 

顯微組織 

鈷高速鋼晶粒最大(奧氏體晶粒度10級)，普通高速鋼晶粒次之(奧氏體晶粒度11級)，鋁高速鋼的晶粒最細(xì)小(奧氏體晶粒度12級)。鈷高速鋼的淬火組織為淬火馬氏體、碳化物及殘余奧氏體，晶粒大的原因與鈷的加入有關(guān)，與普通高速鋼相比鎢的含量減少了，而鉬的含量增加了，另外鈷在高速鋼中不形成碳化物，絕大部分溶于固溶體，鈷使萊氏體共晶的熔化溫度提高，淬火溫度相應(yīng)升高，易使晶粒發(fā)生粗化現(xiàn)象。鋁高速鋼的淬火組織為隱針馬氏體＋殘余奧氏體以及少量共晶碳化物。根據(jù)郭耕三所著《高速鋼及其熱處理》(機(jī)械工業(yè)出版社1985出版)，鋁高速鋼在淬火狀態(tài)出現(xiàn)新的碳化物相，即g-VC相，這是一種含鋁或鉻的碳化物相，它在晶粒內(nèi)部彌散析出，亦可沉積于M6C上，但含鋁量不宜過高，若含量超過4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)則形成含鋁的碳化鐵，質(zhì)硬而脆。 

紅硬性 

由表可見，在同樣溫度時(shí)鋁高速鋼的平均硬度要高于普通高速鋼。

表  普通高速鋼和鋁高速鋼紅硬性(HRC) 

鋼種 回火溫度/℃ 測量值 平均值
普通高速鋼 600 58.5 59.5 60.0 59.5 60.0 59.5
625 56.0 56.0 55.5 56.0 56.5 56.0
650 48.0 42.5 46.5 46.5 47.5 47.2
鋁高速鋼 600 61.5 62.0 62.0 62.0 61.5 61.8
625 63.0 63.5 63.5 64.0 63.5 63.5
650 52.5 53 52.5 52.5 52.5 52.5


使用壽命 

?6mm普通高速鋼絲錐平均切削1,126個(gè)孔(5個(gè)絲錐分別為1,124、1,140、1,092、1,106、1,168) ，而鋁高速鋼絲錐平均切削1,400 個(gè)孔(5個(gè)絲錐分別為1,410、1,396、1,382、1,428、1,386) ，后者比前者切削壽命提高24%。這是因?yàn)殇X高速鋼中鋁能提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，同時(shí)鋁的化合物在鋼中起“釘扎”作用。鋁的加入增加了高速鋼中碳化物的析出量，提高了鋼的抗回火性和紅硬性，故鋼的常溫、高溫硬度和耐磨性均能提高，強(qiáng)度和韌度也都比較高。另外，鋁的加入使刀具切削時(shí)不產(chǎn)生鋼屑粘刀現(xiàn)象，從而提高了生產(chǎn)效率閉。 

?8mm普通高速鋼絲錐平均切削壽命為188 個(gè)孔(3個(gè)絲錐分別為196、180、188) ，鈷高速鋼絲錐切削壽命達(dá)到406個(gè)孔(3個(gè)絲錐分別為404、376、440)，是前者的2.16倍。切削完后觀察發(fā)現(xiàn)前者刃部有磨損，后者基本沒有磨損。因?yàn)楦咚黉撝屑尤脞捒梢源龠M(jìn)回火時(shí)從馬氏體中析出鎢、鉬碳化物，提高彌散硬化效果，并提高熱穩(wěn)定性，故能提高常溫、高溫硬度及耐磨性。增加含鈷量，同時(shí)還可以改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦因數(shù)。因此含鈷高速鋼與普通高速鋼相比使用壽命大大提高了。 

深冷處理前后組織與切削壽命比較 

深冷處理前(即淬火＋三次回火)碳化物顆粒的平均直徑約為1.4μm ，深冷處理后碳化物顆粒平均直徑約為1.0μm ，顆粒直徑大約下降30%，而且彌散均勻分布，析出的碳化物的顆粒明顯增多。 

?6mm高速鋼絲錐深冷處理前平均加工45.2個(gè)孔(5個(gè)絲錐分別為45、38、50、45、48)，深冷處理后平均加工62.2個(gè)孔(5個(gè)絲錐分別為67、72、54、60、58)，壽命提高38%。?8mm絲錐在深冷前可加工27.8個(gè)孔(5個(gè)絲錐分別為20、26、30、28、30)，而深冷處理后為40.4孔，是前者的1.45倍，可見深冷處理能夠較大地提高絲錐的切削壽命。 

高速鋼淬火后的組織為高碳高合金馬氏體、未溶碳化物及大量的殘余奧氏體，在560℃回火過程中馬氏體中析出大量彌散細(xì)小的碳化物，回火冷卻過程中部分殘余奧氏體發(fā)生二次淬火，轉(zhuǎn)變?yōu)?二次)馬氏體，在第二次回火中又從馬氏體中析出大量彌散細(xì)小的碳化物，同時(shí)殘余奧氏體繼續(xù)發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變，這樣經(jīng)過三次回火后，殘余奧氏體含量(體積分?jǐn)?shù))由25%～30%下降到1.5%，整個(gè)組織為回火馬氏體基體上分布著大量彌散細(xì)小均勻的碳化物及極少量的殘余奧氏體。 

將淬火與三次回火的絲錐放到-196℃液氮中，碳原子擴(kuò)散困難，升至室溫過程中，碳原子擴(kuò)散加快；回火馬氏體中含碳量為0.2%～0.25%，鐵素體含碳量低于0.008%?；鼗瘃R氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，仍處于一定的過飽和狀態(tài)，進(jìn)一步分解析出超微細(xì)碳化物，微細(xì)碳化物的析出阻止因溫度上升而引起的組織長大和碳化物粗化，而殘余奧氏體數(shù)量較少(約1.5%)，據(jù)研究深冷處理前后殘余奧氏體量變化不大，因此可認(rèn)為奧氏體在整個(gè)深冷過程中基本沒有變化。這樣深冷后的組織應(yīng)為回火馬氏體基體上分布著原來的碳化物(三次回火后析出的)和深冷后馬氏體中析出的超微細(xì)碳化物，以及極少量的殘余奧氏體。因?yàn)橛谐⒓?xì)碳化物的彌散析出，導(dǎo)致硬度、強(qiáng)度、韌度、紅硬性、耐磨性均相應(yīng)得到提高。 

4 經(jīng)濟(jì)效益對比 

普通高速鋼目前價(jià)格為4.8萬元/t，鋁高速鋼價(jià)格為5.76萬元/t，是前者的1.2倍，?6mm絲錐原材料成本為0.9元/支，產(chǎn)品售價(jià)為6.8元/支，使用鋁高速鋼材料，原材料的成本變?yōu)?.1元/支，其他生產(chǎn)流程一樣，產(chǎn)品售價(jià)為7.0元/支，比前者高約3%，壽命提高24%，這樣同樣加工相同數(shù)量的螺紋孔，可以減少絲錐用量，節(jié)省換裝時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。 

普通高速鋼絲錐進(jìn)行深冷處理所需成本包括30L的液氮罐，一次可放?6 mm的絲錐200支，處理周期24h，一罐可用14d，共可處理2800支，液氮的成本為5 元/L，一罐150元，每支成本0.05元，考慮到其他成本，每支成本最多增加0.10元，即處理后售價(jià)提高不到1.5%，而使用壽命可提高38%～45%，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 

5 結(jié)論 

鋁高速鋼紅硬性比普通高速鋼有顯著提高，鋁高速鋼絲錐比普通高速鋼絲錐使用壽命提高24%。 

鈷高速鋼絲錐與普通高速鋼絲錐相比使用壽命提高1倍以上。 
對普通高速鋼絲錐成品直接進(jìn)行深冷處理，可提高絲錐的切削壽命，效果明顯，易于操作，工藝簡單可行，成本低。

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