高速鋼淬火回火後的金相組織
圖1是20世紀(jì)40年代m·cohen等人對(duì)w18cr4v（簡(jiǎn)稱w18）鋼在1,290℃奧氏體化的等溫轉(zhuǎn)變曲線，根據(jù)此圖來討論w18鋼在淬火過程中過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變。其他高速鋼鋼種亦有相同的轉(zhuǎn)變過程，等溫轉(zhuǎn)變的曲線形狀也相似，僅僅轉(zhuǎn)變的溫度和范圍有所不同。
圖1w18cr4v鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線（奧氏體化溫度1,290℃）
從圖1可以看出，經(jīng)正常奧氏體化後，ms點(diǎn)約210℃，mf點(diǎn)約-100℃，轉(zhuǎn)變量約92%，尚有8%的殘留奧氏體（rr）。如果奧氏體化後迅速冷至室溫，則rr量在20%?25%。w6mo5cr4v2（簡(jiǎn)稱m2）的碳飽和度略高於w18鋼，ms點(diǎn)較低，約130℃，mf亦低於前者，淬火後冷至室溫的rr量25%?35%，hss-e和hss鋼等溫淬火的rr量可能達(dá)40%-50%。一般情況下，經(jīng)過3-4次回火，每次回火終冷不可能達(dá)到0℃以下的溫度，故在組織中或多或少地會(huì)保留一定數(shù)量的rr。從測(cè)得結(jié)果看，為5%或更少些。各類高速鋼淬火後的金相組織為：淬火馬氏體+rr+未溶碳化物。回火過程易發(fā)生的偏差，如加熱溫度和保溫時(shí)間不足，尤其是冷卻未達(dá)室溫又進(jìn)行下一次回火，都將增加rr量，回火合格程度分為3級(jí)，m2鋼回火程度如圖2所示?；鼗?級(jí)為充分，整個(gè)視場(chǎng)為黑色回火馬氏體，分布著均勻彌散的碳化物；回火2級(jí)為一般，個(gè)別區(qū)域或碳化物堆集處有白色區(qū)存在，雖屬合格組織，但rr比1級(jí)要多；回火3級(jí)為回火不足屬不合格組織，較大部分有白色區(qū)存在，隱約可見淬火晶粒。正?；鼗鸬慕M織應(yīng)為回火馬氏體+微量的rr+碳化物。
圖2m2鋼淬火回火程度級(jí)別圖
（1——充分；2——一般；3——不足）
高速鋼刀具深冷處理的目的
古里亞耶夫在1937年就報(bào)道，采用冷處理來改善鋼性能事例，其目的是使鋼中的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。回火組織穩(wěn)定化。到了50年代，就有采用-78℃（乾冰）或更高一點(diǎn)的零下溫度進(jìn)行冷處理改善刀具性能的報(bào)道，70年代後，由於液n2成本下降，使得工業(yè)冷處理的終冷溫度大大降低?，F(xiàn)在，采用液n2為制冷劑可將終冷速度控制在-196℃以上的各個(gè)溫度區(qū)，而且可控制降溫速度，從相當(dāng)於爐冷或空冷的速度直至將工件直接投入液n2“淬冷”。一般將-100℃-0℃的處理稱作“冷處理”，將-100℃?-196℃的處理稱為“深冷處理”。工業(yè)上常用-120℃--140℃，不管是冷處理還是深冷處理，都是為了減少一點(diǎn)rr，提高硬度，穩(wěn)定組織，zui終達(dá)到提高刀具壽命之目的。
鋼淬火冷至室溫保存在組織中的奧氏體稱為殘留奧氏體（rr），rr存在於一切淬火鋼中（低碳鋼加熱到一定溫度在強(qiáng)烈的淬火介質(zhì)中冷卻亦有微量的rr）。前已述及，高速鋼淬火後的金相組織為淬火馬氏體+合金碳化物+rr，經(jīng)過550-570℃×1h×3次回火後，大部分rr轉(zhuǎn)變成回火馬氏體和析出碳化物造成二次硬化，仍有約5%rr被保留下來，有沒有必要把剩的rr部分消滅或全部消滅？事實(shí)表明，含5%rr以下的回火組織回火已經(jīng)很充分了，熱處理已達(dá)*，有必要進(jìn)行冷處理嗎？奧氏體是c在r-fe中的間隙固溶體，是鋼組織中極軟的相，其硬度只有200hbw左右，以此數(shù)值與高速鋼刀具使用硬度65?66hrc相比後可以看出，過多的rr顯然不會(huì)使刀具高硬度。日本學(xué)者飯島一昭等人通過試驗(yàn)後認(rèn)為：15%以下的rr不會(huì)使刀具硬度下降，但能提高鋼的塑性及韌性。因此，用深冷處理來進(jìn)一步降低rr含量對(duì)鋼的韌性肯定是不利的。貴陽工具廠經(jīng)過多次試驗(yàn)，證明深冷處理并不能提高刀具的壽命。哈爾濱有些工具廠把車刀放到-30℃--40℃的寒天里自然冷處理，也不見車刀硬度和壽命的提高，於是人們覺得，寧可采取常規(guī)回火，保留5%左右的rr，對(duì)提高刀具綜合力學(xué)性能有好處，也不主張采用深冷處理。高速鋼刀具與超硬材料刀具相比，zui大的優(yōu)勢(shì)就是韌性高一點(diǎn)，如果真的把rr消滅，本來就不高的韌性簡(jiǎn)直是向傷口上撒鹽。
對(duì)於高速鋼刀具經(jīng)正常淬火回火後，保留5%左右的rr，我認(rèn)為對(duì)於刀具的使用沒有害處。
關(guān)於rr對(duì)耐磨性的影響有不同的見解。hss鋼刀具通常的使用硬度在65?66hrc，hss-e鋼刀具在66?67hrc。實(shí)踐證明，在其他因素都相同的情況下，硬度高者磨損少，刀具的耐用度就高，以此判斷，會(huì)使硬度降低的rr雖然是不受歡迎的，但是刀具的壽命歷來不以硬度高低論英雄，過高的硬度導(dǎo)致脆大增，不光不會(huì)提高壽命，反而會(huì)折壽。
影響高速鋼刀具的壽命因素是多方面的，不能片面地追求高硬度，我們的原則是在保證韌性的前提下力求高硬度，但不唯高硬度，試驗(yàn)證明，回火充分的刀具施以深冷處理，基本上不會(huì)增加硬度，更不會(huì)提高紅硬性，反而會(huì)使韌性下降。國內(nèi)有些工具如剃齒刀、小模數(shù)滾刀等應(yīng)用深冷處理，目的是消除應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸，因?yàn)閮烧呤且詢?nèi)徑定心的，希望刀具在使用過程中，內(nèi)孔不發(fā)生尺寸的變化。
從以上分析可知，高速鋼刀具經(jīng)正常淬火回火後，組織中還殘留少量的奧氏體，對(duì)刀具的使用及綜合性能無大礙，深冷處理是否適用？這個(gè)有爭(zhēng)議的問題，有待大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)及實(shí)踐應(yīng)用去驗(yàn)證，但筆者持反對(duì)態(tài)度，國內(nèi)數(shù)百家規(guī)模以上企業(yè)無人問津就是一個(gè)有力論據(jù)。所見報(bào)章的基本上是大學(xué)、研究所的科研成果或是實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物，但到面上推廣不行說明有問題。比如高速鋼刀具回火工藝就是一個(gè)非常深刻的例子，所謂的回火新工藝有數(shù)條，但在大生產(chǎn)中應(yīng)用的還是原始的550?570℃×1h×3次的成熟工藝。
高速鋼刀具深冷處理工藝方法
雖然從相變機(jī)理講深冷處理應(yīng)放在淬火之後回火之前進(jìn)行，但從防止組織應(yīng)力過大，防止工件在深冷過程中開裂的角度考慮，一般不主張這樣做。針對(duì)復(fù)雜程度和尺寸不同的刀具，有以下幾種工藝方法：
（1）淬火後先於350℃×1h低溫回火，然後進(jìn)行深冷處理，這里zui接近淬火後進(jìn)行深冷處理工的一種方法。
（2）*次回火後進(jìn)行，這是從安全和效果兩方面考慮都較為滿意的一種方法，即550℃×1h回火空冷至室溫，然後再深冷處理。
（3）*次回火冷到-80℃左右，第二次回火後冷到-135℃--196℃。雖然工藝相當(dāng)復(fù)雜，但效果和安全性能都屬上乘。
（4）加工成半成品或成品後再去深冷處理，此法效果甚微，但是zui安全zui方便。
對(duì)高速鋼刀具深冷處理的討論
鑒於高速鋼刀具深冷處理還是一個(gè)不成熟的熱處理藝，現(xiàn)就該工藝能否提高刀具壽命等幾個(gè)問題談點(diǎn)意見，不妥請(qǐng)斧正。
深冷處理的機(jī)理
深冷處理是熱處理淬火的延續(xù)。高速鋼淬火組織有25%左右的rr，在隨後的深冷處理中大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這一組織轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在0?-80℃，-196℃深冷處理後仍有約1.5%rr。高速鋼深冷過程發(fā)生的馬氏體分解，是由於fe的點(diǎn)陣常數(shù)縮小使過飽和碳引發(fā)點(diǎn)陣畸變?cè)龃螅瑥亩鴮?dǎo)致碳化物析出熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力增大。但由於低溫下碳原子的擴(kuò)散難度較大，故在-196℃超低溫下不易發(fā)生馬氏體分解。由-196℃向室溫回升時(shí)，碳原子的擴(kuò)散能力相對(duì)增強(qiáng)，在室溫附近偏聚於孿晶界或其他晶體結(jié)構(gòu)缺陷處，形成直徑僅為2-6μm并與馬氏體共格的超微納米級(jí)碳化物，經(jīng)分析確定該碳化物為m6c型。
深冷處理過程中發(fā)生了rr向馬氏體轉(zhuǎn)變以及馬氏體分解和超微細(xì)碳化物析出的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，使高速鋼的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能略有提高。
深冷處理提高了刀具的硬度及耐磨性
由於深冷處理使少量的rr轉(zhuǎn)變成回火馬氏體，加上析出納米級(jí)分散的碳化物，這兩種因素促使硬度略有上升（<0.5hrc），而不是很多資料講的可提高1?2.5hrc。m2鋼淬火後硬度為63hrc，經(jīng)深冷處理後硬度上升到65.5hrc，不能說是深冷處理提高了硬度，而是高速鋼固有的二次硬化特性，不經(jīng)深處理，而經(jīng)550℃×1h×3次常規(guī)回火，硬度照樣達(dá)到65.5hrc。
隨著硬度略有上升，耐磨性提高是自然的。
深冷處理不會(huì)提高鋼的紅硬性
紅硬性是指鋼抵抗高溫軟化的能力，它首先應(yīng)該歸功於m2c和mc型碳化物很強(qiáng)的抗聚集能力。在高碳鋼和低合金鋼淬火至室溫，也可能得到大量的rr，在550℃左右的溫度rr分解一般不會(huì)增加鋼的硬度。這些鋼中的rr通常在較低的溫度下分解，而析出的fe3c型碳化物在稍高一些的溫度下就迅速聚集是發(fā)生軟化的直接原因。在高速鋼中，碳化物的析出成為非常細(xì)小的微粒和rr的分解二者聯(lián)合引起了二次硬化，而碳化物一直保留其微細(xì)的尺寸，必然造就了紅硬性。對(duì)具體鋼而言，它只跟淬火加熱溫度及加熱時(shí)間有關(guān)，具體地說，跟奧氏體的合金度、碳化物的溶解程度有關(guān)，跟隨後的深冷處理幾乎沒有關(guān)系。如果淬火加熱時(shí)碳化物溶解不好，再好的深冷處理都不會(huì)使紅硬性提高。
在高速鋼中，對(duì)紅硬性影響zui大的元素可能是w和mo，w和mo的原子尺寸比其他任何元素都要大得多，可以預(yù)期它們將會(huì)有較低的擴(kuò)散速度，而必須承認(rèn)為了使聚集進(jìn)行下去，不但需要cr和v的擴(kuò)散，也同時(shí)需要w（或mo）和c的擴(kuò)散。像車刀、滾刀等需要紅硬性特別高的刀具，工具廠都采用提高淬火溫度的做法，從未聽說深冷處理之舉。
深冷處理對(duì)韌性的影響
阜新礦業(yè)學(xué)院試驗(yàn)結(jié)果：與常規(guī)淬火、回火態(tài)相比，高速鋼經(jīng)不同方法深冷處理，沖擊韌性（αk）值提高8.8%-52%；河北工業(yè)大學(xué)認(rèn)為：深冷處理提高高速鋼韌度的幅度大於同樣深冷處理?xiàng)l件下，強(qiáng)度的提高幅度，w18鋼、m2鋼沖擊韌度zui大提高幅度達(dá)57.7%和43%；上海交大對(duì)m2鋼作深冷處理後指出：深冷處理試樣的沖擊韌性略有提高，未深冷處理者為23j/cm2，深冷處理者為23.5j/cm2；上海機(jī)械制造工藝研究所試驗(yàn)結(jié)果則認(rèn)為深冷處理對(duì)m2鋼沖擊韌性沒有影響，不升不降。還有很多有關(guān)深冷處理對(duì)高速鋼韌性影響的報(bào)道，沒有反面意見，全是講提高的。
筆者認(rèn)為，深冷處理提高韌性的證據(jù)不足，理由不充分，按理講，rr減少了，硬度上升了，韌性應(yīng)該下降，怎麼會(huì)升高呢？搞高速鋼刀具的同志都有這樣的體會(huì)：要達(dá)到高硬度容易，欲使刀具在高硬度下保持高的韌性十分困難。所以，我們主張?jiān)诖_保韌性的前提下力求高硬度。我們迫切希望能見到刀具深冷處理提高硬度又不崩不斷的報(bào)道?，F(xiàn)實(shí)的情況是，不管是hss還是hss-e鋼刀具，鹽浴淬火回火後，zui高硬度往往超過工藝標(biāo)準(zhǔn)，不得不提高回火溫度將硬度降下來，確保韌性，犧牲硬度。
深冷處理能提高刀具壽命嗎？
n·b·jiebnh指出，直接在淬火後或經(jīng)過一次回火再在液n2中進(jìn)行深冷的高速鋼銑刀，其使用壽命提高44%-150%。m2鋼制φ7mm直柄麻花鉆經(jīng)深冷處理壽命提高1倍，φ120mm×28mm齒輪粗銑刀、機(jī)用鉸刀使用壽命提高50%以上，高速鋼機(jī)用鋸條經(jīng)深冷處理也獲得提高壽命的良好效果。還有很多深冷處理提高刀具壽命的實(shí)例，大多是單件或試樣數(shù)據(jù)，無說服力。
a·ii·jixeb等通過試驗(yàn)後指出，高速鋼冷處理不會(huì)使鋼得到特別高的切削性能，但是，冷處理是消除鋼中rr的的方法，它所起的作用也和多次回火一樣，不過，他們又指出，冷處理在以下兩種情況下，能使切削性能提高：以一次回火代替多次回火，或以較低的溫度淬火。
g·a·roberts等人也認(rèn)為冷處理不一定能提高切削性能，但為了矯正淬火過熱組織和穩(wěn)定尺寸，使用冷處理是合適的。
我們國內(nèi)有些工具廠得出相反的結(jié)論，他們認(rèn)為深冷處理不但不能提高刀具的壽命，反而使脆性增大。
可見，到目前為止，高速鋼刀具深冷處理結(jié)論還不一致，這主要是由於在0℃以下產(chǎn)生的馬氏體相變還無規(guī)律可循，另外，試驗(yàn)的方法不統(tǒng)一，所研究的鋼種不普遍，深冷前的熱處理工藝參數(shù)變數(shù)大，進(jìn)行切削試驗(yàn)的條件差異性大，加之人為影響因素多，也是得不出相同的結(jié)論的原因。因此，難怪有人說“深冷處理還是一種尚未充分研究過的熱處理方法”。
結(jié)論
1、高速鋼刀具淬火經(jīng)常規(guī)回火後，rr不超過5%，回火已很充分，沒有必要進(jìn)行深冷處理。回火不好經(jīng)深冷處理，刀具壽命提高是熱處理的過失，而不是深冷處理的功勞。
2、深冷處理對(duì)提高耐磨性有益，但對(duì)韌性不利，更不會(huì)提高紅硬性，提高刀具壽命x倍不可信。
3、除成品深冷處理外，其他方法深冷處理很難實(shí)施，并且可能會(huì)出現(xiàn)開裂等弊病。
4、對(duì)尺寸精度要求特別高的精密刀具，成品刀具可進(jìn)行深冷處理。
在成文寫作過程中，得到上海工具廠張宏康教授級(jí)高工的指導(dǎo)，得到金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院祁越老師及安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司的幫助與支持，在此感謝！