刀具深冷處理技術(shù)研究及應(yīng)用 *

何小玉

(四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610063)

0 引 言

硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代制造業(yè)迅速發(fā)展，同時(shí)也對刀具材料的切削性能、力學(xué)性能提出了更高要求。深冷處理技術(shù)作為特殊的熱處理技術(shù)，是傳統(tǒng)熱處理技術(shù)的延伸，即在傳統(tǒng)熱處理基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次材料表面改性處理，是刀具材料經(jīng)熱處理后性能再提升的輔助手段。經(jīng)深冷處理的刀具，其力學(xué)性能和使用壽命均得到較大提高，并可有效改善加工工件產(chǎn)品的切削加工質(zhì)量和尺寸精度。

深冷處理[1]是指將材料置于可控溫度的深冷處理設(shè)備介質(zhì)中，通常處理溫度為-130 ℃以下，處理介質(zhì)為液氮、液氨等冷卻介質(zhì)，經(jīng)過一定的工藝過程，改變材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和物相結(jié)構(gòu)，提高材料性能。作為綠色環(huán)保的現(xiàn)代熱處理技術(shù)，深冷處理技術(shù)突出優(yōu)點(diǎn)是在不破壞工件的情況下，既提高工件的耐磨損、強(qiáng)度、韌性等性能，延長工件使用壽命，又滿足當(dāng)前工業(yè)綠色發(fā)展無環(huán)境污染、低成本和資源節(jié)約的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的要求。

1 刀具的深冷處理研究應(yīng)用現(xiàn)狀

深冷處理技術(shù)在刀具上的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，美國首先將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于車刀、銑刀上，使刀具材料的耐磨性和使用壽命都得到了顯著提高[2-3]。我國對深冷處理技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)80年代，并逐漸將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工模具的處理。國內(nèi)外在刀具材料的處理研究上，前20多年來主要是針對高速鋼刀具材料的研究比較集中，且主要是應(yīng)用型的試驗(yàn)研究，其強(qiáng)化作用機(jī)理研究并不深入，導(dǎo)致深冷處理在刀具行業(yè)的實(shí)際推廣應(yīng)用缺乏理論指導(dǎo)[4]。近10年來，由于硬質(zhì)合金刀具在切削加工效率(切削速度為高速鋼的4～7倍)、惡劣工況環(huán)境適應(yīng)性的突出優(yōu)勢，國內(nèi)外學(xué)者對硬質(zhì)合金刀具深冷處理進(jìn)行了廣泛深入的研究，其研究熱點(diǎn)主要包括了刀具材料的處理工藝、性能改善、強(qiáng)化機(jī)理等方面，并取得了一定的研究成果。對高速鋼刀具的深冷處理研究也在持續(xù)進(jìn)行中。但就刀具深冷處理工藝參數(shù)與性能變化的規(guī)律，以及強(qiáng)化機(jī)制的研究，目前來講仍處于探索階段。

2 刀具深冷處理的性能和機(jī)理研究

2.1 深冷處理對硬質(zhì)合金刀具性能的影響和機(jī)理

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究表明，深冷處理對硬質(zhì)合金刀具具有提高刀具表面硬度、耐磨性、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性(抗熱性)、降低材料內(nèi)部機(jī)械殘余應(yīng)力的作用，從而顯著改善刀具的切削性能。

(1) 微觀組織影響

材料微觀組織的改變是引起材料宏觀性能變化的主要原因。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對深冷處理后刀具的微觀組織形貌、晶粒尺寸及相變等的變化情況進(jìn)行了研究分析。張濤[5]通過對涂層硬質(zhì)合金銑刀片進(jìn)行深冷處理后發(fā)現(xiàn)，刀片材料經(jīng)深冷處理后基體WC相尺寸變小晶粒得到細(xì)化，粘結(jié)相Co分布更均勻且其中的α-Co相向性質(zhì)更加穩(wěn)定的ε-Co轉(zhuǎn)變，η相增多呈彌散分布。冷可等[6-7]研究了不同深冷溫度對TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具基體的微觀組織產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深冷處理過程中硬質(zhì)合金基體中形成了η相碳化物，以及粘結(jié)相發(fā)生Co馬氏體轉(zhuǎn)變，使刀具性能得到提升，且深冷溫度越低時(shí)粘結(jié)相Co的轉(zhuǎn)變程度越大。李新民等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)YT15硬質(zhì)合金刀具經(jīng)過深冷處理后微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，其粘接相發(fā)生了一定量的α-Co向ε-Co的轉(zhuǎn)變(一種多型性的馬氏體轉(zhuǎn)變)，認(rèn)為這是使YT15硬質(zhì)合金刀片耐磨性提高的主要原因。閻紅娟等[10]的研究也證實(shí)了這種觀點(diǎn)。劉亞俊等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)深冷處理的YW1 硬質(zhì)合金三角可轉(zhuǎn)位車刀刀片的粘結(jié)相 Co相發(fā)生了完全的α-Co向ε-Co多型性馬氏體轉(zhuǎn)變。而在Nursel Altan Ozbek 等[12]研究中則認(rèn)為，深冷過程中η碳化物析出導(dǎo)致了材料微觀組織發(fā)生改變是硬質(zhì)合金刀具磨損性能提高的主要原因。文獻(xiàn)[13]認(rèn)為深冷后回火的硬質(zhì)合金刀具中相WC相增加且平均晶粒尺寸增大，γ相 (TIC、Co)減少，并且α相與相周圍有黑色彌漫分布的黑色粒子即有單質(zhì)碳的析出。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，深冷處理過程對不同硬質(zhì)合金刀具材料均產(chǎn)生微觀組織的改變，雖然在基體WC相晶粒組織的影響上存在不同觀點(diǎn)，但在促使粘結(jié)相馬氏體α-Co向ε-Co轉(zhuǎn)變的觀點(diǎn)上已得到廣泛認(rèn)同，并且這種面心立方向體心立方的轉(zhuǎn)變使馬氏體更加穩(wěn)定。深冷處理過程中形成的形態(tài)穩(wěn)定的η碳化物[14-15]，以及單質(zhì)碳等的析出對位錯(cuò)具有很強(qiáng)的釘扎作用，進(jìn)一步鞏固了刀具基體材料的致密度、穩(wěn)定性及均勻程度。這種化學(xué)及物理變化使刀具的硬度和耐磨性能得到了改善和提高。

(2) 力學(xué)性能影響

刀具的力學(xué)性能決定著切削加工時(shí)的生產(chǎn)效率和加工成本。研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，深冷處理顯著影響刀具材料的抗彎強(qiáng)度、耐磨性、硬度和韌性等力學(xué)性能。張賀佳[16]研究了WC-l0Co超細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具深冷處理后材料性能的變化，研究發(fā)現(xiàn)深冷處理對此種刀具材料的抗彎強(qiáng)度和韌性存在較大影響，但對硬度影響不顯著，確定了韌性與抗彎強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系；提出力學(xué)性能的影響受應(yīng)力狀態(tài)影響較大，深冷處理使ε-Co含量增多(ε-Co所受拉應(yīng)力減小)從而提高抗彎強(qiáng)度，粘接相發(fā)生的a-Co向ε-Co的轉(zhuǎn)變起到細(xì)化Co相晶粒和修復(fù)晶粒內(nèi)部高密度位錯(cuò)等晶體缺陷的作用，從而使硬質(zhì)合金的力學(xué)性能得到了提高。張濤[5]通過劃痕法分析了深冷后刀具的抗剝落能力的影響，結(jié)果表明深冷處理加強(qiáng)了涂層刀具的抗剝落性能。冷可等[6-7]對TiAlN硬質(zhì)合金刀具深冷處理研究認(rèn)為，深冷處理能顯著提高刀具硬質(zhì)合金基體硬度以及涂層-基體的結(jié)合強(qiáng)度，而TiAlN涂層硬度無顯著變化，并且硬質(zhì)合金基體硬度值的變化與基體中η相含量以及Co相的轉(zhuǎn)變程度為正相關(guān)關(guān)系。這是由于深冷處理后，TiAlN涂層刀具硬質(zhì)合金基體中η相含量的增加以及基體硬度的提高，對提升涂層-基體結(jié)合強(qiáng)度具有積極作用。李新民等[8-9]研究了深冷處理對YT15硬質(zhì)合金數(shù)控車刀性能的影響；劉亞俊等[11]研究了YW1硬質(zhì)合金刀片深冷處理后性能的變化；HeHuibo等[15]研究了在-196 ℃、30 h的深冷處理?xiàng)l件下YT15 TiAIN涂層硬質(zhì)合金刀片的性能；姬景麗等[17]研究了深冷處理對硬質(zhì)合金刀具使用壽命的影響。這些研究成果都表明深冷處理增強(qiáng)了刀具材料的耐磨損性、硬度、強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性，刀具材料更加穩(wěn)定，機(jī)械性能得到提高，刀具使用壽命得到延長。

可見，深冷處理有效提升了刀具的性能。在深冷處理對力學(xué)性能的影響機(jī)理研究上，較為明確的是，刀具性能的改善主要是與馬氏體a-Co向ε-Co的轉(zhuǎn)變、η碳化物和單質(zhì)碳的析出、殘余應(yīng)力的改變等影響因素有關(guān)。

(3) 切削性能影響

刀具切削性能關(guān)系到其耐用度和加工效率，研究深冷處理對刀具材料的切削性能的影響對該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。深冷處理對硬質(zhì)合金刀具切削性能的提升明顯。張濤[5]對比分析了深冷處理前后的涂層硬質(zhì)合金銑刀加工H13鋼情況，結(jié)果表明：深冷處理后刀具的后刀面磨損量及切削力減小，已加工表面質(zhì)量有所提升。冷可[7]通過車削GH4169壽命實(shí)驗(yàn)測試了深冷處理后的TiAlN涂層刀具的使用壽命，發(fā)現(xiàn)在-190 ℃下深冷24 h后刀具壽命比未深冷處理刀具壽命提高了34.8%。尹福蘭等[18]對深冷處理前后的Ti N涂層銑刀進(jìn)行銑削不銹鋼試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，深冷處理后的Ti N涂層刀具切削總時(shí)間延長50%，且涂層不易剝落，刀具使用壽命提高。在黃俊平[19]的研究中，深冷處理后的硬質(zhì)合金刀具在使用較長一段時(shí)間后磨損量仍基本保持恒定。以及在Simranpreet singh Gill 等[20]，Nursel Altan Ozbek 等[12]，Kalsia N S等[13]和GU等[21]的研究都發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理的硬質(zhì)合金刀具的耐磨性、切削性能都得到了很大提高。在較早時(shí)期的硬質(zhì)合金刀具深冷處理后的切削試驗(yàn)[24,26-29]中，也報(bào)道了經(jīng)深冷處理的硬質(zhì)合金刀具的邊界磨損量降低，證實(shí)了深冷處理可以顯著改善硬質(zhì)合金刀具的切削性能，從而使刀具使用壽命提高。

在切削性能的強(qiáng)化機(jī)理研究上，劉海浪等[22]發(fā)現(xiàn)深冷處理使WC-Co系硬質(zhì)合金Co相變自由能差增大，表面殘余壓應(yīng)力提升，有利于降低刀具切削時(shí)的磨料磨損和擴(kuò)散磨損。在單世瑾[25]的研究中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷強(qiáng)化處理后的硬質(zhì)合金锪刀刃磨使用壽命提高3.7～5倍，切削性能的提高與硬質(zhì)合金相變及殘余應(yīng)力有關(guān)。還有相關(guān)學(xué)者認(rèn)為深冷處理對刀具切削性能的影響與材料的導(dǎo)熱性有關(guān)，如Gu等[23]發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理后的硬質(zhì)合金刀具因WC相晶粒粗化引起刀具的導(dǎo)熱性能得到提高，加快了刀具的散熱，降低了切削熱，從而使刀具的耐磨性和使用壽命均得到提升。Sreeramareddy等[24]對涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行深冷處理后發(fā)現(xiàn)，刀具在高速切削時(shí)有較好的散熱能力。

2.2 深冷處理對高速鋼刀具性能的影響和機(jī)理

目前高速鋼仍大量用于制造復(fù)雜、耐沖擊性的精密刀具。隨著被加工材料機(jī)械性能的不斷提高，高速鋼刀具也急需提升使用壽命和可靠性。由于深冷處理可顯著改善高速鋼的使用性能，國內(nèi)外學(xué)者對高速鋼刀具深冷處理的微觀組織、性能影響、作用機(jī)理等進(jìn)行了研究。

(1) 微觀組織影響

在對高速鋼深冷處理后微觀組織的研究中，顧彪等[30]研究了回火后的W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速鋼刀具進(jìn)行-196℃控溫和液氮浸泡式深冷處理，發(fā)現(xiàn)由于深冷過程中發(fā)生的晶粒細(xì)化和大量碳化物的析出，高速鋼刀具的韌性和硬度都得到了提高。李建國[31]研究了深冷處理對W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：深冷處理使馬氏體粗化，碳化物細(xì)化、數(shù)量增加。周志明[32]研究了W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具深冷處理后微觀組織的變化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)組織中殘余奧氏體發(fā)生了一定程度針狀馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體周圍析出了大量彌散、分布更加均勻的微細(xì)碳化物顆粒，一次碳化物從有序的帶狀排序轉(zhuǎn)化成分布較均勻的形貌。王洪艷[33]對W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4Vsi等三種牌號的高速鋼鉆頭進(jìn)行深冷處理，研究發(fā)現(xiàn)深冷后刀具材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，試樣彌散分布的碳化物顆粒明顯增多，部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高了刀具材料的硬度、韌性和抗磨損能力。劉勁松[34]對高速鋼采用-196℃液氮深冷處理，以及馮俊杰[35]、梁曉陽[36]對W18Cr4V高速鋼刀具進(jìn)行深冷處理的研究表明，深冷處理因殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變以及析出的超細(xì)碳化物，使刀具材料組織發(fā)生明顯變化。這些研究均表明，高速鋼刀具材料經(jīng)深冷處理后，殘留奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為馬氏體，馬氏體中析出大量細(xì)小、彌散的超細(xì)碳化物，提高了組織的均勻性和致密性，從而使性能提到提升。

(2) 力學(xué)性能影響

高速鋼刀具力學(xué)性能主要表現(xiàn)在硬度、韌性、耐磨性及紅硬性等方面。鄧朝結(jié)等[37]研究了深冷處理對SH51高速鋼刀具性能的影響，結(jié)果表明：經(jīng)深冷處理后，SH51高速鋼刀具的硬度和紅硬性等性能有所提高。李建國[31]研究了不同深冷處理?xiàng)l件下高速鋼刀具硬度和紅硬性影響。尹福蘭[38]以M2高速鋼立銑刀為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行深冷處理，試驗(yàn)結(jié)果表明：刀具深冷處理耐磨性最高提高47.5%。周志明[32]研究了深冷處理W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，深冷處理提高了W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度(提高0.2～1.1HRC)、紅硬性(普遍提高0.5～3.7HRC)及沖擊韌性(提高幅度最高達(dá)70%)，高速鋼的耐磨性得到改善。王洪艷[33]對高速鋼鉆頭進(jìn)行深冷處理后發(fā)現(xiàn)，W9Mo3Cr4V鉆頭硬度增加量為0.5～1.8，W6Mo5Cr4V2鉆頭硬度增加量為1.0～1.3，W4Mo3Cr4VSi鉆頭硬度增加量為1.0～1.8。李付生等[39]研究W18Cr4V高速鋼刀具深冷處理，發(fā)現(xiàn)其紅硬性、沖擊韌性均有較大提高。馮俊杰[35]研究了W18Cr4V高速鋼刀具深冷處理，結(jié)果表明在刀具硬度不降低的前提下，刀具材料紅硬性有所增加，沖擊韌性提高46.7%，抗彎強(qiáng)度提高25.1%。

眾多研究表明，深冷處理能夠改善高速鋼刀具的力學(xué)性能，但對不同類型的刀具材料，在硬度、沖擊韌性、紅硬性等的提升效果存在較大差異。在對其影響機(jī)理的研究上，梁曉陽[36]認(rèn)為殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是刀具耐磨性提高的主要原因，碳化物的析出增強(qiáng)了潤滑作用從而減小了振動(dòng)也對提高材料耐磨性產(chǎn)生積極作用，同時(shí)可以降低材料表面的殘余應(yīng)力。馮俊杰[35]認(rèn)為析出大量超微細(xì)碳化物減弱了固溶強(qiáng)化作用，加強(qiáng)了彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化作用，既保障了刀具材料的硬度不發(fā)生變化又使得其韌性和耐磨性得到提高。張賀佳[16]研究了深冷處理M2Al高速鋼刀具應(yīng)力狀態(tài)對性能的影響，研究表明：各深冷處理工藝對M2Al高速鋼刀具殘余應(yīng)力影響不明顯，對基體殘余奧氏體含量影響較大，并且基體硬度隨殘余奧氏體減少而提高，即M2Al高速鋼刀具硬度的提高原因是發(fā)生了殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，而不是表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力?？梢钥闯觯谟绊憴C(jī)理上，主要原因是奧氏體的轉(zhuǎn)變、碳化物的析出，在殘余應(yīng)力的影響上仍存在爭議。

(3) 切削性能影響

采用深冷技術(shù)提高刀具整體性能尤其是提高刀具使用壽命，其核心是通過改善刀具材料耐磨性來提升刀具材料的切削性能，從而延長刀具使用壽命。尹福蘭[18]對比研究了M2高速鋼立銑刀深冷處理前后刀具磨損形貌，結(jié)果表明，深冷處理后的刀具燒傷程度更輕，粘接磨損也較少，刀具散熱性更好，氧化磨損更低，耐磨性更好。王洪艷[33]研究了不同規(guī)格的W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4VSi鉆頭深冷處理后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的切削工藝條件下，深冷處理后鉆頭的后刀面比未深冷處理的鉆頭磨損程度明顯輕，從而延長鉆頭的使用壽命。馮俊杰[35]對高速鋼刀具進(jìn)行深冷處理工藝試驗(yàn)研究表明，經(jīng)深冷處理后刀具的切削性能顯著提高，在銑削行程相同的條件下，刀具后刀面磨損大大減小。梁曉陽[36]研究發(fā)現(xiàn)深冷和回火處理工藝增強(qiáng)了工件的抗磨損性能。

3 刀具深冷處理的工藝研究

3.1 深冷處理工藝

深冷處理的工藝過程決定刀具性能改善和提升的效果，工藝過程也是刀具深冷處理工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。深冷處理一般采用液氮作為制冷劑，處理方法包括液體法和氣體法等，通常的處理過程包括降溫、升溫和保溫三個(gè)階段。液體法是將氮?dú)庖后w與處理工件直接接觸驟冷至-196℃，保溫一定時(shí)間后回復(fù)至室溫狀態(tài)，此種方法由于降溫速率大產(chǎn)生較大的熱沖擊作用，易造成工件變形開裂；氣體法指通過氮?dú)獾钠瘽摕峄蛘卟扇〉蜏氐獨(dú)庵评涞姆绞綄ぜM(jìn)行深冷處理，此種方法由于具有降溫速率可控、熱沖擊性小、溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。深冷處理工藝參數(shù)對刀具處理效果起著決定性作用。深冷處理工藝主要的工藝參數(shù)包括：深冷溫度、冷卻速度、保溫時(shí)間、深冷次數(shù)以及與熱處理工藝相結(jié)合的回火溫度、回火次數(shù)等。深冷處理工藝參數(shù)對處理材料性能的影響、工藝過程的確定一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

3.2 深冷處理工藝參數(shù)對硬質(zhì)合金刀具性能的影響

深冷處理工藝過程對刀具材料各性能產(chǎn)生不同程度的影響，并且各工藝參數(shù)對各性能的影響顯著程度也不相同，具參考價(jià)值的研究結(jié)果主要有：

張濤[5]通過以深冷溫度、冷卻速度、保溫時(shí)間、回火溫度為因素設(shè)計(jì)四因素五水平正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，深冷處理工藝的深冷溫度參數(shù)對刀具硬度、刀具后刀面磨損量和已加工表面粗糙度的影響程度最大，其次是冷卻速度，再之是保溫時(shí)間，最之為回火溫度；使刀具硬度提升最大的最優(yōu)深冷處理工藝參數(shù)為：-190 ℃(深冷溫度)×90 min(保溫時(shí)間)×8 ℃/min(冷卻速度)×20 ℃(回火溫度)，使刀具耐磨性提升最大的最優(yōu)深冷處理工藝參數(shù)為：-160 ℃(深冷溫度)×90 min(保溫時(shí)間)×8 ℃/min(冷卻速度)×100 ℃(回火溫度)，使刀具已加工表面質(zhì)量提升最大的最優(yōu)深冷處理工藝參數(shù)為：-160 ℃(深冷溫度)×90 min(保溫時(shí)間)×8 ℃/min(冷卻速度)×140 ℃(回火溫度)。冷可[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理選取的深冷工藝參數(shù)范圍內(nèi)更低的深冷溫度和更長的保溫時(shí)間均有利于η相碳化物的形成，且深冷溫度對η相碳化物含量的影響比保溫時(shí)間對其影響顯著，即深冷處理溫度越低，處理后刀具硬度越高。在李新民等[8-9]的研究中，也發(fā)現(xiàn)深冷溫度是深冷處理工藝最關(guān)鍵的因素，其次是保溫時(shí)間，再之是降溫速度、回火溫度。閻紅娟等[10]采用正交試驗(yàn)法對 YT15 硬質(zhì)合金車刀刀片深冷處理工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明工藝參數(shù)對刀片性能影響顯著程度為：深冷溫度>冷卻速度>回火溫度。還有研究表明，長保溫時(shí)間、循環(huán)深冷均對硬質(zhì)合金刀具性能提升有益，如Ozbek N A[12]發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具在-145 ℃條件下進(jìn)行24 h深冷處理切削性能最好，Yong[26]等將硬質(zhì)合金刀片置于-184 ℃的深冷環(huán)境中并保溫24 h獲得較好的性能；吳良芹等[40]對比了1-3次深冷處理對YT15硬質(zhì)合金車刀刀片硬度的影響，發(fā)現(xiàn)YT15硬質(zhì)合金的平均硬度隨著深冷處理次數(shù)的增加而提高。

3.3 深冷處理工藝參數(shù)對高速鋼刀具性能的影響

在對高速鋼深冷處理工藝的眾多研究中，同樣發(fā)現(xiàn)不同工藝參數(shù)對性能影響起著不同的作用，并且影響程度也不相同。

尹福蘭[18]以M2高速鋼立銑刀為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行深冷處理，試驗(yàn)結(jié)果表明：刀具深冷處理效果的影響因素顯著程度為深冷溫度>深冷時(shí)間>降溫速率，且深冷時(shí)間越長、溫度越低，深冷處理效果越好，但深冷處理效果隨時(shí)間、溫度的增加均呈現(xiàn)先快速提高后緩慢增長的趨勢，確定了對耐磨性影響最好的深冷工藝參數(shù)為-194 ℃×2 h×5 ℃/min×2次。鄧朝結(jié)等[37]采用不同的深冷工藝處理SH51高速鋼刀具發(fā)現(xiàn)，對刀具的耐磨性影響較大的工藝參數(shù)是深冷溫度，并且深冷溫度在-170 ℃左右時(shí)刀具可以獲得最佳處理性能，研究還發(fā)現(xiàn)多次、短時(shí)的深冷處理效果優(yōu)于單次、長時(shí)的深冷處理效果。張賀佳[16]在對M2A1鋼淬火后進(jìn)行深冷處理，發(fā)現(xiàn)M2A1鋼經(jīng)0.5～1 h短時(shí)保溫后，組織內(nèi)殘余奧氏體含量大量降低，材料硬度、抗彎強(qiáng)度隨之提高，之后再延長保溫時(shí)間對硬度、抗彎強(qiáng)度無顯著效果。周志明[32]利用正交試驗(yàn)研究了W6Mo5Cr4V2高速鋼深冷處理工藝參數(shù)及最優(yōu)工藝組合，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度、紅硬性及沖擊韌性綜合性能的影響顯著程度為：深冷處理次數(shù)>深冷處理方式>回火次數(shù)；W6Mo5Cr4V2高速鋼深冷處理最優(yōu)工藝條件為：2次深冷處理，緩慢冷卻和緩慢升溫的深冷處理方式，1次200 ℃回火，4h保溫時(shí)間。尹福蘭[18]研究發(fā)現(xiàn)多次深冷處理后刀具耐磨性均優(yōu)于一次深冷處理，且經(jīng)-194 ℃時(shí)多次深冷處理后刀具硬度與耐磨性提高最大。也有研究認(rèn)為多次深冷處理對高速鋼性能的影響目前尚不確定。在與熱處理工藝結(jié)合的研究方面，李建國[36]研究發(fā)現(xiàn)在較低的深冷處理溫度(-160、-120 ℃)和620 ℃以下回火、4 h保溫時(shí)的深冷處理工藝，可使試驗(yàn)鋼獲得較好的紅硬性能，回火溫度在600 ℃時(shí)硬度值降幅較小，回火溫度超過620 ℃時(shí)紅硬性大幅下降。馮俊杰[35]、李付生等[39]等對W18Cr4V高速鋼刀具采用“在淬火+三次回火”后進(jìn)行深冷處理，研究發(fā)現(xiàn)刀具紅硬性、沖擊韌性及切削性能等獲得較好的效果。馮俊杰[35]確定了成品高速鋼刀具深冷處理工藝規(guī)范為：慢速降溫與升溫，長時(shí)間在液氮中停留，深冷處理后去應(yīng)力回火。

綜合硬質(zhì)合金刀具及高速鋼刀具深冷處理現(xiàn)有研究表明，刀具材料深冷處理的工藝過程并沒有獲得較為認(rèn)可的一致路線，深冷處理各工藝參數(shù)對刀具材料性能的影響顯著程度也各不相同，普遍認(rèn)為深冷溫度是刀具材料深冷處理的核心影響因素，深冷處理溫度越低處理效果越好；冷卻速度和保溫時(shí)間、處理次數(shù)也是影響深冷處理效果重要的影響參數(shù)，冷卻速度一般采用緩慢冷卻及緩慢升溫方式，保溫時(shí)間選擇范圍在1～24 h為佳，或短時(shí)多次處理，深冷循環(huán)次數(shù)以2次為最佳；對刀具材料耐磨性、使用壽命最主要的影響參數(shù)是深冷處理溫度、冷卻速度和保溫時(shí)間。研究還表面熱處理與冷處理工藝的結(jié)合對刀具材料性能存在影響[21,41]，但在工藝順序確定的研究上，目前還沒有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)，一般對易彎曲、承載較大沖擊載荷的刀具采用淬火后回火前深冷處理工藝，對硬度要求高、動(dòng)載荷較小的刀具采用淬火后回火后深冷處理工藝[42]。刀具深冷處理工藝參數(shù)的選擇，需綜合分析考慮刀具材料材質(zhì)、性能要求、復(fù)雜程度、使用環(huán)境、處理成本等影響因素，從而確定最優(yōu)工藝參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)處理效果，實(shí)現(xiàn)刀具降成本高效益要求。

4 刀具深冷處理存在的不足

深冷處理技術(shù)在刀具材料上的應(yīng)用研究已取得一定的成果，主要包括深冷處理工藝過程及強(qiáng)化機(jī)理、微觀組織的改變、宏觀性能的影響等。經(jīng)深冷處理的刀具材料綜合力學(xué)性能得到改善，提高了刀具切削性能，延長了使用壽命。但從當(dāng)前的研究成果也可以看出，刀具深冷處理還存在較多問題，不同的深冷處理工藝對刀具材料各性能的提升產(chǎn)生不同的影響，究其原因是刀具材料種類繁多，其深冷處理機(jī)理的研究還不充分和深入，各工藝參數(shù)對各性能的影響規(guī)律還未完全明晰，如在高速鋼刀具紅硬性、韌性的影響等方面，以及熱處理與深冷處理相互影響機(jī)理都需要新的理論支持。與此同時(shí)，智能化深冷箱、在線仿真分析等深冷處理裝備也嚴(yán)重滯后。因此，刀具深冷處理工業(yè)化應(yīng)用仍需要加強(qiáng)先進(jìn)智能的深冷設(shè)備的研制，并在工藝路線上進(jìn)行大量試驗(yàn)，以獲得足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐深冷處理強(qiáng)化機(jī)理，并且明晰工藝參數(shù)與性能之間的關(guān)系，確定不同刀具材料深冷處理工藝參數(shù)的選擇方法、工藝路線規(guī)范，從而推進(jìn)刀具材料深冷處理常規(guī)化、規(guī)?；瘧?yīng)用。

5 結(jié) 語

刀具作為重要的工業(yè)生產(chǎn)工具，研究刀具的深冷處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。深冷處理已被證實(shí)能夠顯著提升刀具材料的耐磨性和使用壽命，是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的現(xiàn)代工藝技術(shù)。深入研究深冷處理對刀具材料的影響，包括研發(fā)先進(jìn)智能的深冷處理設(shè)備、進(jìn)一步明確深冷處理性能影響機(jī)理、確定最佳工藝過程等，都將積極推動(dòng)深冷處理在刀具材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這將有效助力我國高端制造、精密制造發(fā)展，對提升我國工業(yè)制造水平、加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、盡快由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變具有深遠(yuǎn)意義。