一種改善刀具壽命的新工藝方法：深冷處理

低溫深冷處理工藝是一種將材料或零部件置于-130～－190℃的低溫下，按一定的工藝進(jìn)行處理的過(guò)程。它不僅可以對(duì)黑色金屬、有色金屬、金屬合金和碳化物進(jìn)行處理，還能對(duì)非金屬材料進(jìn)行處理。深冷處理是對(duì)切削刀具材料進(jìn)行處理的有效工藝手段。

1 機(jī)理概述

深冷處理的機(jī)理如今有幾種不同的觀點(diǎn)，現(xiàn)存的理論也有幾種。物理學(xué)家對(duì)刀具深冷導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)變化的分析認(rèn)為，深冷改變了金屬的原子和分子的結(jié)構(gòu)。冶金專家認(rèn)為殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是問(wèn)題所在。但確切發(fā)生了什么變化尚待進(jìn)一步研究。

2 工藝方法

1) 使用設(shè)備 帶有計(jì)算機(jī)連續(xù)監(jiān)控并能自動(dòng)調(diào)節(jié)液氮進(jìn)入量、自動(dòng)升降溫的深冷處理箱。
2) 處理過(guò)程 處理過(guò)程由精確編制的降溫、超低溫保溫和升溫3個(gè)程序組成。

適當(dāng)緩慢的降溫隨之進(jìn)行最少24h的-190℃超低溫的保溫以及合理的升溫，3個(gè)過(guò)程合計(jì)需36～74h，通過(guò)這種合理的過(guò)程和精密的監(jiān)控可防止被處理工件的尺寸變化和“熱沖擊”的產(chǎn)生。

因 此，要進(jìn)行此項(xiàng)工作必須掌握好深冷工藝，并對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制；還要知道刀具材料的成分和熱處理的工藝過(guò)程。深冷處理不同于一般的表面處理，它可以使 被處理工具的全部材料性能都得到提高，這樣刀具經(jīng)過(guò)多次修磨后仍能保持一致的性能。深冷處理并不能代替熱處理工藝，它是提高經(jīng)熱處理后材料機(jī)械性能的一種 有效補(bǔ)充手段。

3 深冷處理后效果對(duì)比

硬質(zhì)合金刀具經(jīng)深冷處理后效果比較見(jiàn)附表。實(shí)驗(yàn)條件：切削試件為灰鑄鐵(HT250)；刀具材料為硬質(zhì)合金；深冷處理前、后切削參數(shù)相同。

經(jīng)過(guò)深冷處理后，材料穩(wěn)定性得到提高，有害應(yīng)力得到減小，刀具壽命有所提高。通過(guò)對(duì)灰鑄鐵零件的加工試驗(yàn)證實(shí)，以同樣的切削參數(shù)加工同一零件，從附表中可看出，經(jīng)過(guò)深冷處理的刀具的平均壽命明顯提高約1.53～8.4倍左右。

試 驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：若對(duì)刀具進(jìn)行深冷處理后，不在-200℃進(jìn)行4～5h的保溫，而將刀具在室溫中放置半個(gè)月左右，則刀具的壽命變得與未經(jīng)深冷處理時(shí)一 樣。其次，不能將刀具直接放到液氮中，這樣會(huì)使刀具遭到“熱沖擊”損害。另外，若原熱處理不合理也會(huì)造成深冷處理后效果甚微。劣質(zhì)的合金不可能通過(guò)深冷處 理來(lái)變成優(yōu)質(zhì)合金。

4 提高刀具性能的原因分析

由于溫度接近絕對(duì)零度時(shí)材料表現(xiàn)出的一種由無(wú)序向有序轉(zhuǎn)變的奇特現(xiàn)象，世 界各國(guó)近年來(lái)開(kāi)展的有關(guān)液氮溫度范圍超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)取得舉世矚目的成就，盡管對(duì)這類現(xiàn)象進(jìn)行解釋的理論尚未形成，超低溫對(duì)材料的影響尚未完全認(rèn)識(shí)，但 如何應(yīng)用這些已發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象來(lái)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，正在從試驗(yàn)室進(jìn)入工廠。對(duì)于深冷處理能提高刀具性能的原因分析如下：

1) 它使硬度較低的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^硬的、更穩(wěn)定的、耐磨性和抗熱性更高的馬氏體；
2) 通過(guò)超低溫處理，使被處理材料的晶格具有更加廣泛分布的硬度較高、粒度更細(xì)化的碳化物微粒；
3) 在金屬晶粒中可產(chǎn)生更均勻、更微小，且?guī)в懈竺芏鹊奈⑿〔牧辖M織；
4) 由于有附加微碳化物粒子和更細(xì)密的晶格，故導(dǎo)致了更密集的分子結(jié)構(gòu)，使材料內(nèi)部微小的空洞被大大減少；
5) 材料經(jīng)超低溫處理后內(nèi)部熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力大為降低，從而有效地減少了造成工具和刀具產(chǎn)生裂紋、崩刃的可能性。此外，由于刀具中的殘余應(yīng)力影響切削刃吸收動(dòng)能的能力，經(jīng)過(guò)超低溫處理的刀具不僅具有較高的抗磨性，而且其自身的殘余應(yīng)力的危害也比未經(jīng)處理的刀具大大降低；
6) 在被處理的硬質(zhì)合金中，由于其電子動(dòng)能的減少而使分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的組合。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行深冷處理，可以增強(qiáng)刀具材料的抗磨性、強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性，提高抗疲勞強(qiáng)度和消除內(nèi)應(yīng)力。由于提高了材料的穩(wěn)定性和機(jī)械性能，因此延長(zhǎng)了刀具使用壽命，減少了換刀、磨刀次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本。