何小玉

(四川省机械研究设计院(集团)有限公司，四川 成都 610063)

0 引 言

硬质合金刀具和高速钢刀具现已被广泛应用于工业生产领域。随着科学技术的进步，现代制造业迅速发展，同时也对刀具材料的切削性能、力学性能提出了更高要求。深冷处理技术作为特殊的热处理技术，是传统热处理技术的延伸，即在传统热处理基础上进行第二次材料表面改性处理，是刀具材料经热处理后性能再提升的辅助手段。经深冷处理的刀具，其力学性能和使用寿命均得到较大提高，并可有效改善加工工件产品的切削加工质量和尺寸精度。

深冷处理[1]是指将材料置于可控温度的深冷处理设备介质中，通常处理温度为-130 ℃以下，处理介质为液氮、液氨等冷却介质，经过一定的工艺过程，改变材料的微观组织结构和物相结构，提高材料性能。作为绿色环保的现代热处理技术，深冷处理技术突出优点是在不破坏工件的情况下，既提高工件的耐磨损、强度、韧性等性能，延长工件使用寿命，又满足当前工业绿色发展无环境污染、低成本和资源节约的社会、环境和经济效益的要求。

1 刀具的深冷处理研究应用现状

深冷处理技术在刀具上的应用研究始于20世纪60年代，美国首先将此项技术应用于车刀、铣刀上，使刀具材料的耐磨性和使用寿命都得到了显著提高[2-3]。我国对深冷处理技术的研究起步于20世纪80年代，并逐渐将此项技术应用于工模具的处理。国内外在刀具材料的处理研究上，前20多年来主要是针对高速钢刀具材料的研究比较集中，且主要是应用型的试验研究，其强化作用机理研究并不深入，导致深冷处理在刀具行业的实际推广应用缺乏理论指导[4]。近10年来，由于硬质合金刀具在切削加工效率(切削速度为高速钢的4～7倍)、恶劣工况环境适应性的突出优势，国内外学者对硬质合金刀具深冷处理进行了广泛深入的研究，其研究热点主要包括了刀具材料的处理工艺、性能改善、强化机理等方面，并取得了一定的研究成果。对高速钢刀具的深冷处理研究也在持续进行中。但就刀具深冷处理工艺参数与性能变化的规律，以及强化机制的研究，目前来讲仍处于探索阶段。

2 刀具深冷处理的性能和机理研究

2.1 深冷处理对硬质合金刀具性能的影响和机理

根据国内外相关研究表明，深冷处理对硬质合金刀具具有提高刀具表面硬度、耐磨性、稳定性、导热性(抗热性)、降低材料内部机械残余应力的作用，从而显著改善刀具的切削性能。

(1) 微观组织影响

材料微观组织的改变是引起材料宏观性能变化的主要原因。近年来，国内外众多学者对深冷处理后刀具的微观组织形貌、晶粒尺寸及相变等的变化情况进行了研究分析。张涛[5]通过对涂层硬质合金铣刀片进行深冷处理后发现，刀片材料经深冷处理后基体WC相尺寸变小晶粒得到细化，粘结相Co分布更均匀且其中的α-Co相向性质更加稳定的ε-Co转变，η相增多呈弥散分布。冷可等[6-7]研究了不同深冷温度对TiAlN涂层硬质合金刀具基体的微观组织产生的影响，实验结果表明，深冷处理过程中硬质合金基体中形成了η相碳化物，以及粘结相发生Co马氏体转变，使刀具性能得到提升，且深冷温度越低时粘结相Co的转变程度越大。李新民等[8-9]研究发现YT15硬质合金刀具经过深冷处理后微观组织结构发生明显变化，其粘接相发生了一定量的α-Co向ε-Co的转变(一种多型性的马氏体转变)，认为这是使YT15硬质合金刀片耐磨性提高的主要原因。阎红娟等[10]的研究也证实了这种观点。刘亚俊等[11]的研究发现，经深冷处理的YW1 硬质合金三角可转位车刀刀片的粘结相 Co相发生了完全的α-Co向ε-Co多型性马氏体转变。而在Nursel Altan Ozbek 等[12]研究中则认为，深冷过程中η碳化物析出导致了材料微观组织发生改变是硬质合金刀具磨损性能提高的主要原因。文献[13]认为深冷后回火的硬质合金刀具中相WC相增加且平均晶粒尺寸增大，γ相 (TIC、Co)减少，并且α相与相周围有黑色弥漫分布的黑色粒子即有单质碳的析出。

从上述研究可以发现，深冷处理过程对不同硬质合金刀具材料均产生微观组织的改变，虽然在基体WC相晶粒组织的影响上存在不同观点，但在促使粘结相马氏体α-Co向ε-Co转变的观点上已得到广泛认同，并且这种面心立方向体心立方的转变使马氏体更加稳定。深冷处理过程中形成的形态稳定的η碳化物[14-15]，以及单质碳等的析出对位错具有很强的钉扎作用，进一步巩固了刀具基体材料的致密度、稳定性及均匀程度。这种化学及物理变化使刀具的硬度和耐磨性能得到了改善和提高。

(2) 力学性能影响

刀具的力学性能决定着切削加工时的生产效率和加工成本。研究学者发现，深冷处理显著影响刀具材料的抗弯强度、耐磨性、硬度和韧性等力学性能。张贺佳[16]研究了WC-l0Co超细晶硬质合金刀具深冷处理后材料性能的变化，研究发现深冷处理对此种刀具材料的抗弯强度和韧性存在较大影响，但对硬度影响不显著，确定了韧性与抗弯强度存在正相关关系；提出力学性能的影响受应力状态影响较大，深冷处理使ε-Co含量增多(ε-Co所受拉应力减小)从而提高抗弯强度，粘接相发生的a-Co向ε-Co的转变起到细化Co相晶粒和修复晶粒内部高密度位错等晶体缺陷的作用，从而使硬质合金的力学性能得到了提高。张涛[5]通过划痕法分析了深冷后刀具的抗剥落能力的影响，结果表明深冷处理加强了涂层刀具的抗剥落性能。冷可等[6-7]对TiAlN硬质合金刀具深冷处理研究认为，深冷处理能显著提高刀具硬质合金基体硬度以及涂层-基体的结合强度，而TiAlN涂层硬度无显著变化，并且硬质合金基体硬度值的变化与基体中η相含量以及Co相的转变程度为正相关关系。这是由于深冷处理后，TiAlN涂层刀具硬质合金基体中η相含量的增加以及基体硬度的提高，对提升涂层-基体结合强度具有积极作用。李新民等[8-9]研究了深冷处理对YT15硬质合金数控车刀性能的影响；刘亚俊等[11]研究了YW1硬质合金刀片深冷处理后性能的变化；HeHuibo等[15]研究了在-196 ℃、30 h的深冷处理条件下YT15 TiAIN涂层硬质合金刀片的性能；姬景丽等[17]研究了深冷处理对硬质合金刀具使用寿命的影响。这些研究成果都表明深冷处理增强了刀具材料的耐磨损性、硬度、强度、韧性和抗冲击性，刀具材料更加稳定，机械性能得到提高，刀具使用寿命得到延长。

可见，深冷处理有效提升了刀具的性能。在深冷处理对力学性能的影响机理研究上，较为明确的是，刀具性能的改善主要是与马氏体a-Co向ε-Co的转变、η碳化物和单质碳的析出、残余应力的改变等影响因素有关。

(3) 切削性能影响

刀具切削性能关系到其耐用度和加工效率，研究深冷处理对刀具材料的切削性能的影响对该项技术的工业化应用具有现实意义。深冷处理对硬质合金刀具切削性能的提升明显。张涛[5]对比分析了深冷处理前后的涂层硬质合金铣刀加工H13钢情况，结果表明：深冷处理后刀具的后刀面磨损量及切削力减小，已加工表面质量有所提升。冷可[7]通过车削GH4169寿命实验测试了深冷处理后的TiAlN涂层刀具的使用寿命，发现在-190 ℃下深冷24 h后刀具寿命比未深冷处理刀具寿命提高了34.8%。尹福兰等[18]对深冷处理前后的Ti N涂层铣刀进行铣削不锈钢试验发现，深冷处理后的Ti N涂层刀具切削总时间延长50%，且涂层不易剥落，刀具使用寿命提高。在黄俊平[19]的研究中，深冷处理后的硬质合金刀具在使用较长一段时间后磨损量仍基本保持恒定。以及在Simranpreet singh Gill 等[20]，Nursel Altan Ozbek 等[12]，Kalsia N S等[13]和GU等[21]的研究都发现经深冷处理的硬质合金刀具的耐磨性、切削性能都得到了很大提高。在较早时期的硬质合金刀具深冷处理后的切削试验[24,26-29]中，也报道了经深冷处理的硬质合金刀具的边界磨损量降低，证实了深冷处理可以显著改善硬质合金刀具的切削性能，从而使刀具使用寿命提高。

在切削性能的强化机理研究上，刘海浪等[22]发现深冷处理使WC-Co系硬质合金Co相变自由能差增大，表面残余压应力提升，有利于降低刀具切削时的磨料磨损和扩散磨损。在单世瑾[25]的研究中，发现经深冷强化处理后的硬质合金锪刀刃磨使用寿命提高3.7～5倍，切削性能的提高与硬质合金相变及残余应力有关。还有相关学者认为深冷处理对刀具切削性能的影响与材料的导热性有关，如Gu等[23]发现经深冷处理后的硬质合金刀具因WC相晶粒粗化引起刀具的导热性能得到提高，加快了刀具的散热，降低了切削热，从而使刀具的耐磨性和使用寿命均得到提升。Sreeramareddy等[24]对涂层硬质合金刀具进行深冷处理后发现，刀具在高速切削时有较好的散热能力。

2.2 深冷处理对高速钢刀具性能的影响和机理

目前高速钢仍大量用于制造复杂、耐冲击性的精密刀具。随着被加工材料机械性能的不断提高，高速钢刀具也急需提升使用寿命和可靠性。由于深冷处理可显著改善高速钢的使用性能，国内外学者对高速钢刀具深冷处理的微观组织、性能影响、作用机理等进行了研究。

(1) 微观组织影响

在对高速钢深冷处理后微观组织的研究中，顾彪等[30]研究了回火后的W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢刀具进行-196℃控温和液氮浸泡式深冷处理，发现由于深冷过程中发生的晶粒细化和大量碳化物的析出，高速钢刀具的韧性和硬度都得到了提高。李建国[31]研究了深冷处理对W6Mo5Cr4V2高速钢刀具组织和力学性能的影响，结果表明：深冷处理使马氏体粗化，碳化物细化、数量增加。周志明[32]研究了W6Mo5Cr4V2高速钢刀具深冷处理后微观组织的变化，实验发现组织中残余奥氏体发生了一定程度针状马氏体转变，马氏体周围析出了大量弥散、分布更加均匀的微细碳化物颗粒，一次碳化物从有序的带状排序转化成分布较均匀的形貌。王洪艳[33]对W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4Vsi等三种牌号的高速钢钻头进行深冷处理，研究发现深冷后刀具材料的微观组织结构发生改变，试样弥散分布的碳化物颗粒明显增多，部分残余奥氏体转变为马氏体，提高了刀具材料的硬度、韧性和抗磨损能力。刘劲松[34]对高速钢采用-196℃液氮深冷处理，以及冯俊杰[35]、梁晓阳[36]对W18Cr4V高速钢刀具进行深冷处理的研究表明，深冷处理因残留奥氏体向马氏体转变以及析出的超细碳化物，使刀具材料组织发生明显变化。这些研究均表明，高速钢刀具材料经深冷处理后，残留奥氏体进一步转化为马氏体，马氏体中析出大量细小、弥散的超细碳化物，提高了组织的均匀性和致密性，从而使性能提到提升。

(2) 力学性能影响

高速钢刀具力学性能主要表现在硬度、韧性、耐磨性及红硬性等方面。邓朝结等[37]研究了深冷处理对SH51高速钢刀具性能的影响，结果表明：经深冷处理后，SH51高速钢刀具的硬度和红硬性等性能有所提高。李建国[31]研究了不同深冷处理条件下高速钢刀具硬度和红硬性影响。尹福兰[38]以M2高速钢立铣刀为实验对象进行深冷处理，试验结果表明：刀具深冷处理耐磨性最高提高47.5%。周志明[32]研究了深冷处理W6Mo5Cr4V2高速钢刀具，试验结果发现，深冷处理提高了W6Mo5Cr4V2高速钢硬度(提高0.2～1.1HRC)、红硬性(普遍提高0.5～3.7HRC)及冲击韧性(提高幅度最高达70%)，高速钢的耐磨性得到改善。王洪艳[33]对高速钢钻头进行深冷处理后发现，W9Mo3Cr4V钻头硬度增加量为0.5～1.8，W6Mo5Cr4V2钻头硬度增加量为1.0～1.3，W4Mo3Cr4VSi钻头硬度增加量为1.0～1.8。李付生等[39]研究W18Cr4V高速钢刀具深冷处理，发现其红硬性、冲击韧性均有较大提高。冯俊杰[35]研究了W18Cr4V高速钢刀具深冷处理，结果表明在刀具硬度不降低的前提下，刀具材料红硬性有所增加，冲击韧性提高46.7%，抗弯强度提高25.1%。

众多研究表明，深冷处理能够改善高速钢刀具的力学性能，但对不同类型的刀具材料，在硬度、冲击韧性、红硬性等的提升效果存在较大差异。在对其影响机理的研究上，梁晓阳[36]认为残留奥氏体向马氏体转变是刀具耐磨性提高的主要原因，碳化物的析出增强了润滑作用从而减小了振动也对提高材料耐磨性产生积极作用，同时可以降低材料表面的残余应力。冯俊杰[35]认为析出大量超微细碳化物减弱了固溶强化作用，加强了弥散强化和晶界强化作用，既保障了刀具材料的硬度不发生变化又使得其韧性和耐磨性得到提高。张贺佳[16]研究了深冷处理M2Al高速钢刀具应力状态对性能的影响，研究表明：各深冷处理工艺对M2Al高速钢刀具残余应力影响不明显，对基体残余奥氏体含量影响较大，并且基体硬度随残余奥氏体减少而提高，即M2Al高速钢刀具硬度的提高原因是发生了残余奥氏体的转变，而不是表面产生残余压应力。可以看出，在影响机理上，主要原因是奥氏体的转变、碳化物的析出，在残余应力的影响上仍存在争议。

(3) 切削性能影响

采用深冷技术提高刀具整体性能尤其是提高刀具使用寿命，其核心是通过改善刀具材料耐磨性来提升刀具材料的切削性能，从而延长刀具使用寿命。尹福兰[18]对比研究了M2高速钢立铣刀深冷处理前后刀具磨损形貌，结果表明，深冷处理后的刀具烧伤程度更轻，粘接磨损也较少，刀具散热性更好，氧化磨损更低，耐磨性更好。王洪艳[33]研究了不同规格的W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4VSi钻头深冷处理后，结果发现在相同的切削工艺条件下，深冷处理后钻头的后刀面比未深冷处理的钻头磨损程度明显轻，从而延长钻头的使用寿命。冯俊杰[35]对高速钢刀具进行深冷处理工艺试验研究表明，经深冷处理后刀具的切削性能显著提高，在铣削行程相同的条件下，刀具后刀面磨损大大减小。梁晓阳[36]研究发现深冷和回火处理工艺增强了工件的抗磨损性能。

3 刀具深冷处理的工艺研究

3.1 深冷处理工艺

深冷处理的工艺过程决定刀具性能改善和提升的效果，工艺过程也是刀具深冷处理工业化应用的关键。深冷处理一般采用液氮作为制冷剂，处理方法包括液体法和气体法等，通常的处理过程包括降温、升温和保温三个阶段。液体法是将氮气液体与处理工件直接接触骤冷至-196℃，保温一定时间后回复至室温状态，此种方法由于降温速率大产生较大的热冲击作用，易造成工件变形开裂；气体法指通过氮气的汽化潜热或者采取低温氮气制冷的方式对工件进行深冷处理，此种方法由于具有降温速率可控、热冲击性小、温度分布均匀等优点而被广泛采用。深冷处理工艺参数对刀具处理效果起着决定性作用。深冷处理工艺主要的工艺参数包括：深冷温度、冷却速度、保温时间、深冷次数以及与热处理工艺相结合的回火温度、回火次数等。深冷处理工艺参数对处理材料性能的影响、工艺过程的确定一直是国内外学者研究的重点领域。

3.2 深冷处理工艺参数对硬质合金刀具性能的影响

深冷处理工艺过程对刀具材料各性能产生不同程度的影响，并且各工艺参数对各性能的影响显著程度也不相同，具参考价值的研究结果主要有：

张涛[5]通过以深冷温度、冷却速度、保温时间、回火温度为因素设计四因素五水平正交实验发现，深冷处理工艺的深冷温度参数对刀具硬度、刀具后刀面磨损量和已加工表面粗糙度的影响程度最大，其次是冷却速度，再之是保温时间，最之为回火温度；使刀具硬度提升最大的最优深冷处理工艺参数为：-190 ℃(深冷温度)×90 min(保温时间)×8 ℃/min(冷却速度)×20 ℃(回火温度)，使刀具耐磨性提升最大的最优深冷处理工艺参数为：-160 ℃(深冷温度)×90 min(保温时间)×8 ℃/min(冷却速度)×100 ℃(回火温度)，使刀具已加工表面质量提升最大的最优深冷处理工艺参数为：-160 ℃(深冷温度)×90 min(保温时间)×8 ℃/min(冷却速度)×140 ℃(回火温度)。冷可[6-7]研究发现，深冷处理选取的深冷工艺参数范围内更低的深冷温度和更长的保温时间均有利于η相碳化物的形成，且深冷温度对η相碳化物含量的影响比保温时间对其影响显著，即深冷处理温度越低，处理后刀具硬度越高。在李新民等[8-9]的研究中，也发现深冷温度是深冷处理工艺最关键的因素，其次是保温时间，再之是降温速度、回火温度。阎红娟等[10]采用正交试验法对 YT15 硬质合金车刀刀片深冷处理工艺进行了研究，结果表明工艺参数对刀片性能影响显著程度为：深冷温度>冷却速度>回火温度。还有研究表明，长保温时间、循环深冷均对硬质合金刀具性能提升有益，如Ozbek N A[12]发现硬质合金刀具在-145 ℃条件下进行24 h深冷处理切削性能最好，Yong[26]等将硬质合金刀片置于-184 ℃的深冷环境中并保温24 h获得较好的性能；吴良芹等[40]对比了1-3次深冷处理对YT15硬质合金车刀刀片硬度的影响，发现YT15硬质合金的平均硬度随着深冷处理次数的增加而提高。

3.3 深冷处理工艺参数对高速钢刀具性能的影响

在对高速钢深冷处理工艺的众多研究中，同样发现不同工艺参数对性能影响起着不同的作用，并且影响程度也不相同。

尹福兰[18]以M2高速钢立铣刀为实验对象进行深冷处理，试验结果表明：刀具深冷处理效果的影响因素显著程度为深冷温度>深冷时间>降温速率，且深冷时间越长、温度越低，深冷处理效果越好，但深冷处理效果随时间、温度的增加均呈现先快速提高后缓慢增长的趋势，确定了对耐磨性影响最好的深冷工艺参数为-194 ℃×2 h×5 ℃/min×2次。邓朝结等[37]采用不同的深冷工艺处理SH51高速钢刀具发现，对刀具的耐磨性影响较大的工艺参数是深冷温度，并且深冷温度在-170 ℃左右时刀具可以获得最佳处理性能，研究还发现多次、短时的深冷处理效果优于单次、长时的深冷处理效果。张贺佳[16]在对M2A1钢淬火后进行深冷处理，发现M2A1钢经0.5～1 h短时保温后，组织内残余奥氏体含量大量降低，材料硬度、抗弯强度随之提高，之后再延长保温时间对硬度、抗弯强度无显著效果。周志明[32]利用正交试验研究了W6Mo5Cr4V2高速钢深冷处理工艺参数及最优工艺组合，试验发现，对W6Mo5Cr4V2高速钢硬度、红硬性及冲击韧性综合性能的影响显著程度为：深冷处理次数>深冷处理方式>回火次数；W6Mo5Cr4V2高速钢深冷处理最优工艺条件为：2次深冷处理，缓慢冷却和缓慢升温的深冷处理方式，1次200 ℃回火，4h保温时间。尹福兰[18]研究发现多次深冷处理后刀具耐磨性均优于一次深冷处理，且经-194 ℃时多次深冷处理后刀具硬度与耐磨性提高最大。也有研究认为多次深冷处理对高速钢性能的影响目前尚不确定。在与热处理工艺结合的研究方面，李建国[36]研究发现在较低的深冷处理温度(-160、-120 ℃)和620 ℃以下回火、4 h保温时的深冷处理工艺，可使试验钢获得较好的红硬性能，回火温度在600 ℃时硬度值降幅较小，回火温度超过620 ℃时红硬性大幅下降。冯俊杰[35]、李付生等[39]等对W18Cr4V高速钢刀具采用“在淬火+三次回火”后进行深冷处理，研究发现刀具红硬性、冲击韧性及切削性能等获得较好的效果。冯俊杰[35]确定了成品高速钢刀具深冷处理工艺规范为：慢速降温与升温，长时间在液氮中停留，深冷处理后去应力回火。

综合硬质合金刀具及高速钢刀具深冷处理现有研究表明，刀具材料深冷处理的工艺过程并没有获得较为认可的一致路线，深冷处理各工艺参数对刀具材料性能的影响显著程度也各不相同，普遍认为深冷温度是刀具材料深冷处理的核心影响因素，深冷处理温度越低处理效果越好；冷却速度和保温时间、处理次数也是影响深冷处理效果重要的影响参数，冷却速度一般采用缓慢冷却及缓慢升温方式，保温时间选择范围在1～24 h为佳，或短时多次处理，深冷循环次数以2次为最佳；对刀具材料耐磨性、使用寿命最主要的影响参数是深冷处理温度、冷却速度和保温时间。研究还表面热处理与冷处理工艺的结合对刀具材料性能存在影响[21,41]，但在工艺顺序确定的研究上，目前还没有形成统一的观点，一般对易弯曲、承载较大冲击载荷的刀具采用淬火后回火前深冷处理工艺，对硬度要求高、动载荷较小的刀具采用淬火后回火后深冷处理工艺[42]。刀具深冷处理工艺参数的选择，需综合分析考虑刀具材料材质、性能要求、复杂程度、使用环境、处理成本等影响因素，从而确定最优工艺参数，达到最优处理效果，实现刀具降成本高效益要求。

4 刀具深冷处理存在的不足

深冷处理技术在刀具材料上的应用研究已取得一定的成果，主要包括深冷处理工艺过程及强化机理、微观组织的改变、宏观性能的影响等。经深冷处理的刀具材料综合力学性能得到改善，提高了刀具切削性能，延长了使用寿命。但从当前的研究成果也可以看出，刀具深冷处理还存在较多问题，不同的深冷处理工艺对刀具材料各性能的提升产生不同的影响，究其原因是刀具材料种类繁多，其深冷处理机理的研究还不充分和深入，各工艺参数对各性能的影响规律还未完全明晰，如在高速钢刀具红硬性、韧性的影响等方面，以及热处理与深冷处理相互影响机理都需要新的理论支持。与此同时，智能化深冷箱、在线仿真分析等深冷处理装备也严重滞后。因此，刀具深冷处理工业化应用仍需要加强先进智能的深冷设备的研制，并在工艺路线上进行大量试验，以获得足够的实验数据支撑深冷处理强化机理，并且明晰工艺参数与性能之间的关系，确定不同刀具材料深冷处理工艺参数的选择方法、工艺路线规范，从而推进刀具材料深冷处理常规化、规模化应用。

5 结 语

刀具作为重要的工业生产工具，研究刀具的深冷处理具有重要的现实意义。深冷处理已被证实能够显著提升刀具材料的耐磨性和使用寿命，是一项极具发展潜力和应用前景的现代工艺技术。深入研究深冷处理对刀具材料的影响，包括研发先进智能的深冷处理设备、进一步明确深冷处理性能影响机理、确定最佳工艺过程等，都将积极推动深冷处理在刀具材料的产业化应用，这将有效助力我国高端制造、精密制造发展，对提升我国工业制造水平、加快制造业转型升级、尽快由制造业大国向制造业强国转变具有深远意义。