YT15硬質合金刀片深冷處理工藝實驗研究*

閻紅娟 徐宏海 羅學科

(北方工業大學機電工程學院，北京 100144)

自1965年深冷處理應用于改善工模具的性能以來，大量的試驗研究表明深冷處理能夠明顯改善材料的顯微組織，提高材料的力學性能，尤其是耐磨性［1-2］。目前，國內對于刀具深冷處理研究處于探索階段，不同材料刀具的具體深冷處理機理和工藝是該技術進入實用領域的瓶頸。因此分析深冷處理前后材料性能的變化，探索深冷處理因素對深冷處理效果的影響成為深冷處理研究的重點。

本文采用正交試驗方法對YT15深冷處理工藝進行研究，考慮各種因素(如冷卻速率、深冷溫度、深冷保溫時間和回火溫度等)對深冷處理效果的影響，通過分析經各種不同深冷工藝處理后硬質合金車刀的性能，確定影響YT15深冷處理效果的各因素的主次關系，為合理制定硬質合金深冷處理工藝提供了依據。

1 試驗方案

1.1 車刀參數

車刀材料選用為YT15，幾何參數：主偏角60°，副偏角 30°，前角 15°，后角 6°，副后角 6°。

1.2 實驗方法

影響深冷處理效果的因素很多，其中深冷處理工藝參數中冷卻速度、深冷溫度、深冷保溫時間以及回火溫度是主要因素［3］。為確定各因素對深冷處理后力學性能影響的主次關系，以洛氏硬度(HRA)、后刀面磨損量VB等性能數據作為考查指標，采用多指標多因素的正交試驗設計方法，在不考慮交互作用的情況下分析試驗結果。本試驗采用4因素3水平(表1)正交設計，選用L9(34)型正交表安排實驗。

1.3 深冷實驗

采用SLX-250型微機控制深冷箱對刀片進行深冷實驗，冷卻介質為液氮。除正交試驗表1中的因素外，其他因素在9次深冷試驗中設為常值，其中深冷后加熱速度為2℃/min，回火時間為1 h，回火后冷卻速度為2℃/min。

表1 因素水平表

1.4 硬度實驗

使用TH300洛氏硬度計測量每次深冷前后的刀具硬度值，具體數值見表2。

1.5 車削實驗

在CK40數控車床上進行切削實驗，工件材料為45鋼，工件平均硬度為90.2 HRB。切削用量：進給量f=0.25 mm/r，切削速度v=70 m/min，切削深度ap=1.5 mm。圖1為加工2000 mm后使用SEM觀察后各實驗刀具后刀面磨損情況。

表2 深冷前后硬度對比

2 實驗結果分析

2.1 刀具磨損對比實驗

以后刀面磨損量VB=0.5 mm作為刀具磨鈍標準。未經深冷處理的車刀車削加工4200 mm后，后刀面磨損量達到0.451 mm，因此以車削加工4200 mm對比刀具后刀面磨損量。使用SEM測量車削加工4200 mm時刀片的后刀面磨損量VB，并將其與深冷處理前后刀片硬度增加值填入正交試驗表中，并進行極差分析，如表3所示。

從表3中可以看出，經深冷處理后刀具硬度提高了0.234～0.733 HRA；深冷處理的后刀面磨損量VB為深冷前刀具的27.68%～77.43%。經深冷處理工藝2處理后的刀具后刀面磨損量最小。利用極差分析深冷工藝參數對實驗結果的影響，得到RB＞RA＞RD＞RC，因此深冷溫度對刀具性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度，最后是深冷保溫時間。在目前實驗條件下，對于材料硬度，最佳深冷工藝為：A3B1C3D2；對于刀具磨損量，最佳深冷處理工藝為：A1B2C2D2。最佳工藝中，只有深冷后回火溫度的最優溫度相同。表3中數據顯示，硬度的提高較大時，對耐磨性的改善并非最好。如工藝7中，深冷處理后刀具的硬度提高最大，而刀具后刀面磨損量并非最小。因此深冷處理過程中材料硬度的提高并不是提高刀具耐磨性的主要原因。考慮到在實際生產中，磨損量越小，刀具耐用度越好，因此以刀具磨損量作為衡量標準。在當前實驗條件下進行硬質合金刀片深冷處理實驗時，最佳深冷處理工藝為：冷卻速度為2℃/min，深冷處理溫度為-150℃，深冷保溫時間為2 h，深冷回火溫度為140℃。

表3 深冷處理前后正交試驗結果及極差分析

2.2 微觀結構分析

硬質合金 YT15的主要成分為 WC(79%)、TiC(15%)和粘結相Co(6%)。使用德國布魯克D8 Ad-vaice X射線衍射儀對WC、TiC和粘結相Co的晶格常數進行測量，其結果見表4。

表4 WC、TiC和Co的晶格常數

從表4中可知，WC和TiC的晶格常數在深冷前后差別不明顯。在未經深冷的刀片中有面心六方的Co(α-Co)和密排立方的Co(ε-Co)，而在深冷后的刀片中只有密排六方的Co(ε-Co)，據此經深冷處理后，硬質合金中金屬Co發生了多型性馬氏體轉變。因此深冷處理提高YT15刀具耐磨性的主要原因是深冷處理促使粘結相Co發生了多型性馬氏體轉變，使α-Co完全轉變為ε-Co。

3 結語

(1)使用正交試驗研究了深冷處理工藝參數對YT15硬質合金刀片性能的影響，結果表明，深冷溫度對刀片性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度，最后是深冷保溫時間。在當前實驗條件下進行硬質合金刀片深冷處理實驗時，最佳深冷處理工藝：冷卻速度為2℃/min，深冷處理溫度為-150℃，深冷保溫時間為2 h，深冷回火溫度為140℃。

(2)X射線衍射儀測量結果表明，WC和TiC的晶格常數變化不明顯，粘結相Co發生了多型性馬氏體轉變。深冷處理促使α-Co完全轉變為ε-Co，這是提高高速鋼硬度和耐磨性的重要原因。

［1］閻紅娟，徐宏海，王洪艷，等.深冷處理對W4Mo3Cr4VSi鉆頭性能影響的實驗研究［J］.現代制造工程，2009(4)：72-73.

［2］V.Firouzdor，E.Neini，F.Khomamizadeh.Effect of deep cryogenic treatment on wear resistance and tool life of M2 HSS drill［J］.Journal of materials processing technology，2008(25)：476-472.

［3］J.D.Darwin，D.Mohan Lal，G.Nagarajan.Optimization of cryogenic treatment to maximize the wear resistance of 18%Cr martensitic stainless steel by Taguchi method［ J］.Journal of materials processing technology，2008(19)：241-247.

［4］段春爭，王敏杰，蔡玉俊.W18Cr4V高速鋼循環深冷處理后的力學性能和微觀組織［J］.機械工程材料，2008，32(5)：23-25.

［5］劉亞俊，李勇，曾志新，等.深冷處理提高YW1硬質合金刀片耐磨損性能的機理研究［J］.工具技術，2001，35(3)：19-20.