深冷處理工藝對(duì)絲錐壽命的影響

閆獻(xiàn)國(guó)， 陳 峙， 蘭東生

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西太原 030024）

0 引言

M2Al 高速鋼作為鋁高速鋼的一種，它的宏觀性能優(yōu)于普通高速鋼，表現(xiàn)在沖擊韌性、耐磨性、硬度、紅硬性等方面。深冷處理作為傳統(tǒng)熱處理的擴(kuò)展，能夠改善材料組織和性能。 它不僅能提高材料的尺寸穩(wěn)定性、減少變形，還可以提高材料的耐磨性等， 而且操作方便簡(jiǎn)單、 無污染、成本低[1-3]。深冷處理工藝能夠有效的提高高速鋼的機(jī)械性能，并降低晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷密度。研究表明深冷處理工藝能夠起到細(xì)化微觀組織結(jié)構(gòu)， 且能促使碳化物析出、細(xì)化并使其均勻分布，從而起到材料改性的作用[4-6]。本文通過設(shè)計(jì)M2Al 高速鋼絲錐的不同深冷處理工藝，探究深冷處理工藝對(duì)絲錐壽命的影響。

1 試驗(yàn)方法

本文選用高速鋼絲錐材料為M2Al 高速鋼，其主要化學(xué)成分見表1。表2 和圖1 為高速鋼試樣熱處理方案具體工藝路線， 即一組常規(guī)熱處理工藝組和三組不同深冷溫度的深冷處理工藝組，分別標(biāo)記為1、2、3、4 組。 其中第1組為常規(guī)工藝組即對(duì)比組， 第2、3、4 組分別對(duì)應(yīng)深冷溫度為-80℃、-120℃和-160℃工藝組。 另外將某工具廠提供的3 支成品絲錐作為5 號(hào)組。 在第1、2、3、4 組中，每組3 支絲錐。

圖1 熱處理和深冷處理工藝流程Fig.1 Heat treatment and deep cooling process flow

表1 M2Al 各成分占比（Wt%）Tab.1 Ratio of M2Al components（Wt%）

表2 熱處理工藝安排表Tab.2 Heat treatment process schedule

2 不同工藝絲錐攻絲試驗(yàn)

對(duì)五組絲錐進(jìn)行加工內(nèi)螺紋試驗(yàn)， 每組絲錐選取三支。將每一組絲錐攻絲一定數(shù)量孔后，利用內(nèi)螺紋綜合測(cè)量?jī)x（型號(hào)為GJ-5S）對(duì)孔的內(nèi)螺紋進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)孔測(cè)量五次取其平均值。

攻絲試驗(yàn)采用的材料為304 不銹鋼， 尺寸240mm×320mm×12mm，硬度為16HRC，試驗(yàn)采用螺旋槽M8 高速鋼絲錐，精度P2，前角8°，后角2°，切削速度為9m/min，通孔加工，冷卻液為日本SKS 金牌不銹鋼攻絲油，所加工的內(nèi)螺紋公差帶為6H。

2.1 結(jié)果分析

圖2 五組絲錐攻絲后內(nèi)螺紋偏差示值曲線Fig.2 Deviation curve of internal thread after tapping of five sets of taps

的孔數(shù)最小，壽命最短；第2 組絲錐攻絲孔數(shù)稍微比未深冷的加工的多； 第3 組的絲錐在整個(gè)攻絲過程的偏差示值曲線要低于第四組，加工孔數(shù)少于第四組，壽命低于第4 組。 基于偏差情況可獲得五組絲錐的極限攻孔數(shù)量結(jié)果圖，如圖3 所示。 經(jīng)過4 號(hào)組工藝處理的絲錐壽命是對(duì)比組1 號(hào)組壽命的1.6 倍，2 號(hào)組絲錐是1 號(hào)組壽命的1.3 倍，3 號(hào)組是2 號(hào)組平均壽命的1.1 倍，1 號(hào)組與5 號(hào)組壽命相當(dāng)。試驗(yàn)表明，深冷處理可以有效的提高絲錐的使用壽命，其中壽命最高的4 號(hào)組工藝為：3 次循環(huán)深冷，每次深冷6h，深冷溫度為-160℃的工藝組合，其中淬火溫度1200℃，回火溫度550℃，回火3 次每次1h。

圖3 不同工藝組的絲錐壽命圖Fig.3 Tap life diagram of different process groups

2.2 耐磨性機(jī)理分析

有大量研究表明， 深冷處理后的高速鋼耐磨性提升主要有兩個(gè)原因： 一方面是在深冷處理后高速鋼中的殘余奧氏體減少，其轉(zhuǎn)變成了馬氏體。這是由于在低溫下促使高速鋼中的殘余奧氏體變?yōu)轳R氏體， 相變強(qiáng)化的能力得到了釋放。另一方面是大量二次細(xì)小碳化物的析出，并且分布均勻。這是由于馬氏體在低溫下形狀尺寸減小，鐵原子的晶格常數(shù)減小，碳原子的析出能力變大。在深冷處理過程中碳原子轉(zhuǎn)移能力很弱，不容易轉(zhuǎn)移位置，高速鋼中淬火馬氏體處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)， 因而在馬氏體上析出大量彌散的碳化物顆粒。 而且對(duì)于M2Al 高速鋼，由于在材料內(nèi)部添加了Al 元素，從而可以提高其表面碳化物的析出數(shù)量， 這就使得材料的抗回火性能和紅硬性能提高，因此高速鋼的硬度和耐磨性都有明顯提升。本文將通過統(tǒng)計(jì)碳化物的尺寸與數(shù)量來推測(cè)材料耐磨性。 因1號(hào)組與5 號(hào)組工藝接近，耐磨性也基本一致。分別對(duì)1、2、3、4 號(hào)組進(jìn)行采樣， 采用ImageJ 軟件對(duì)四組試樣的SEM圖進(jìn)行碳化物分析。 碳化物的分類按照其尺寸大小來區(qū)分，分為一次碳化物與二次碳化物。一次碳化物的尺寸大于5μm。 二次碳化物又分為大二次碳化物與小二次碳化物，大二次碳化物的尺寸介于2μm 與5μm 之間，小二次碳化物尺寸介于0.1μm 與1μm 之間。 圖4 為四組工藝處理的試樣金相組織的SEM 圖，圖中呈白色物質(zhì)均為碳化物。尺寸較大的碳化物分布在馬氏體晶界處，而尺寸較小碳化物則彌散于馬氏體上。 尺寸大的碳化物的形狀大部分為樹葉形，較小的彌散碳化物接近于圓形。將掃描電子顯微鏡拍攝的試樣微觀結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入ImageJ 軟件中進(jìn)行分析處理， 可以得到碳化物顆粒的數(shù)量以及尺寸等詳細(xì)信息，表3 為四組試樣碳化物統(tǒng)計(jì)表。且碳化物顆粒為細(xì)小顆粒。

表3 四組試樣碳化物統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Carbide statistics of four groups of samples

圖4 試樣金相組織的SEM 圖Fig.4 SEM chart of metallographic structure of samples treated by four groups of processes

圖4（a）中的一次碳化物相比于其他三張圖比較多，并且分布在晶界處。 碳化物的平均尺寸高達(dá)1.982μm，遠(yuǎn)高于其他三張圖。 并且一次碳化物為總碳化物數(shù)目的5.7%，大二次碳化物為45%，小二次碳化物占49.3%。圖4（b）中的碳化物與第一組相比數(shù)目增多，而且平均尺寸也比圖4（a）小，僅為1.185μm，其中一次碳化物為總碳化物數(shù)目的2.6%， 大二次碳化物為27%， 小二次碳化物為70.4%。 圖4（c）與圖4（b）相差不大，碳化物的平均尺寸為0.99μm，低于圖4（a），其中一次碳化物占比為2.8%，大二次碳化物為21%，小二次碳化物為76.2%。圖4（d）碳化物數(shù)量是最多的，平均尺寸也是最小的，僅為0.384μm，而且碳化物的分布比較均勻，并且彌散性碳化物大多分布在基體上，一次碳化物非常少，占總數(shù)目的1%，大二次碳化物為7%， 小二次碳化物為92%。 因?yàn)樵摻M碳化物數(shù)量最多，尺寸最小，所以該組為宏觀磨損最耐磨。其他三組碳化物數(shù)量都比該組少，而且尺寸比較大，因此耐磨性較差。

從碳化物數(shù)量尺寸大小以及分布情況分析， 四組不同工藝處理后的試樣耐磨性最好的是第4 組， 最差的是第1 組，第2 組與第3 組介于這兩者之間。 這四組耐磨性由高到底的順序是： 第4 組＞第3 組＞第2 組＞第1 組，這與攻絲試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 絲錐耐用度及經(jīng)驗(yàn)公式

刀具從加工開始時(shí)到壽命終止叫做刀具耐用度T。絲錐耐用度就是攻絲加工的總孔個(gè)數(shù)。在攻絲過程中，只有攻絲速度可以改變， 只有切削速度可以使其耐用度T發(fā)生改變。 采用最優(yōu)工藝組即第4 組工藝對(duì)絲錐進(jìn)行處理， 分別采用360r/min，400r/min，440r/min 三個(gè)切削速度進(jìn)行攻絲試驗(yàn)，切削對(duì)象為304 不銹鋼，獲得了三種轉(zhuǎn)速下的絲錐磨損情況。如表4 所示，轉(zhuǎn)速400r/min 的絲錐加工74 個(gè)孔后壽命終止； 轉(zhuǎn)速440r/min 的絲錐加工65 個(gè)孔之后壽命終止；轉(zhuǎn)速360r/min 的絲錐加工89 個(gè)孔后壽命終止。 不同速度下絲錐的耐用度見圖5。 按ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絲錐耐用度試驗(yàn)的規(guī)定[7]：當(dāng)切削刃磨損均勻時(shí)，根據(jù)本試驗(yàn)絲錐的要求查得相對(duì)應(yīng)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為0.45mm。圖5 中與虛線的交點(diǎn)就是絲錐耐用度。

表4 不同轉(zhuǎn)速絲錐磨損情況Tab.4 Wear of taps at different speeds

由圖4 可知，試樣表面大塊碳化物分布于晶界處，而細(xì)小碳化物則是彌散分布在試樣的馬氏體基體上。 對(duì)于二次碳化物來說，由于在深冷處理過程中，淬火馬氏體正處于熱力學(xué)中的不穩(wěn)定狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)的分解驅(qū)動(dòng)力較大；深冷過程中的溫度處于-100℃以上， 此時(shí)碳原子難以進(jìn)行遷移擴(kuò)散。 因此，碳化物集中沉淀于馬氏體基體上，并

刀具耐用度T 與切削速度v之間的關(guān)系式為vTm=Cv。 通過圖5得到三組數(shù)據(jù)：（v1，T1）、 （v2，T2）、（v3，T3）。 可看到達(dá)到規(guī)定VB=0.45mm 時(shí)的切削速度對(duì)刀具壽命T 的影響。 由vTm=Cv經(jīng)過變換得到直線lgv=-mlgT+lgCv，由圖6 可知該直線的斜率m=tanα=-0.36 和Cv=16.2。 因此， 絲錐加工304不銹鋼的耐用度經(jīng)驗(yàn)公式（v=Cv/Tm）為：

圖5 不同速度下絲錐的耐用度Fig.5 Tap wear curve at different speeds

圖6 T-v 曲線Fig.6 T-v curve

公式（1）可以為絲錐切削參數(shù)的選取提供參考。公式中，m 指攻絲速度對(duì)絲錐壽命影響的大??；Cv的大小受攻絲試驗(yàn)中各種因素的影響很大；v 為攻絲速度， 其單位為m/min；T 為絲錐耐用度。 隨著m 的不斷增大，絲錐的耐用度受攻絲轉(zhuǎn)速的影響逐漸減弱。

4 結(jié)論

深冷處理工藝能有效提高絲錐的使用壽命，最大可以提高1.6 倍。 主要原因是深冷處理工藝能促進(jìn)二次碳化物的析出和均勻分布。 最優(yōu)深冷工藝為：3 次循環(huán)深冷，每次深冷6h，深冷溫度為-160℃的工藝組合。 采用最優(yōu)工藝加工304 不銹鋼，絲錐耐用度表達(dá)式為： v=16.2/T-0.36。