【摘要】：采用正交试验法对W6Mo5Cr4V2高速钢循环深冷处理工艺进行了研究，分析了不同深冷工艺参数
对力学性能的影响，并使用TEM观察了循环深冷处理前后的微观组织。结果表明，回火次数对力学性能影响最大，其
次是深冷循环次数，最后是深冷时间。深冷处理后在马氏体孪晶带上有超细碳化物析出，多次循环深冷处理后，碳化
物数量增加。与一次长时间深冷处理相比，在深冷时间足够的情况下，采用多次循环深冷处理工艺效果更好。
【关键词】：深冷处理；高速钢；力学性能；显微组织
中图分类号：TG156、91文献标识码：A文章编号：1001．3814(2008)12 0074 03
StudyonMechanismandProcessofRepeatedCryogenicTreatmentfor
HighSpeedSteel
DUANChunzheng，ZHANGPengyu，LIShiyan
（1、SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalianl16023，Chino；2．CollegeofMaterialScienceandEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou73005~China)
【Abstract】：TherepeatedcryogenictreatmentprocessofW6Mo5Cr4V2highspeedsteelwasstudiedbyorthogonalexperimentmethod，theefectsofvariouscryogenictreatmentprocessparametersonmechanicalpropertieswereanalysed，andthemicrostructurebeforeandaftercryogenictreatmentwasobservedbyTEM．Theresultsshowthatthe
efectoftemperingfrequencyonmechanicalpropertiesisstrongest，thecryogenictreatmentfrequencyandtimeissecondaryandtertiaryrespectively．Theultra finecarbideparticlesareprecipitatedonmartensitetwinsaftercryogenictreatment，theamountofcarbideparticlesincreasesafterrepeatedcryogenictreatment．Undercryogenictreatmenttimeenough，theefectofrepeatedcryogenictreatmentismuchbeaerthanthatofsingleandlongtimecryogenictreatment．Keywords：cryogenictreatment；highspeedsteel；mechanicalproperties；microstructure
【Keywords】：cryogenictreatment；highspeedsteel；mechanicalproperties；microstructure
深冷处理作为一种改善金属材料综合力学性能的有效手段．由于其成本低、设备简单、耗能少且无污染，长期以来一直受到人们的重视。已有大量的研究表明，将深冷处理应用于工模具材料效果很好，经深冷处理后的高速钢、模具钢、碳钢的微观组织和耐磨性得到明显改善。但目前对深冷处理工艺的研究多集中于深冷处理时间的选择，涉及深冷处理循环次数以及热处理与深冷处理相互搭配的工艺研究很少，对于深冷处理强化机理的研究还不够深入，所以增加了深冷处理技术稳定使用的难度。本文以W6Mo5Cr4V2高速钢为实验材料，采用循环深冷处理工艺方法，在工艺安排上考虑了各种因素如回火次数、深冷时间和深冷循环次数对深冷处理效果的影响，通过分析各种不同深冷工艺情况下的宏观力学性能测量数据，确定了影响深冷处理工艺制定的因素，并对深冷处理强化的微观机理进行了分析，为合理制定高速钢的深冷处理工艺提供了依据。
1实验材料及方法
1．1实验材料
实验材料为W6Mo5Cr4V2高速钢，其化学成分(质量分数，％)为：0．87C，5．56W，4．60Mo，
3．86Cr，1．78V，0．18Si，0．37Mn，0．028P，0．028S，热处理工艺曲线见图1。
1．2实验过程
影响深冷处理效果的因素很多，深冷处理工艺参数中回火次数、深冷保持时间以及深冷处理
循环次数是主要因素。为确定各因素对深冷处理后力学性能影响的主次关系，以冲击韧度(、抗弯强度(、挠度(，)以及洛氏硬度(i-mc)等宏观力学性能数据作为考查指标，采用多指标多因素的正交试验设计方法，在不考虑交互作用的情况下分析试验结果。本试验采用3因素4水平正交设计，选用L。(4)型正交表安排试验，因素水平表如表1所示。
将淬火处理后的毛坯用线切割机加工成10mmxl0mmx55mm无缺口试样，表面磨光。采用直浸式
深冷处理，介质为液氮，每次深冷处理后试样放在空气中升至室温。试样深冷处理后在JB8oo型冲击试验机上测量冲击韧度。将淬火处理后的毛坯用线切割机和车床加工成08mmx8Omm试样，表面磨光试样深冷处理后在WC．300液压万能材料试验机上测量抗弯强度．用TYPE．3036X．YRECORDER型应变仪测量挠度。将深冷处理后的冲击试样放入HR．15O型洛氏硬度计测量硬度值上述试验取3次平均值。使用H．800型透射电镜(TEM)观察深冷处理前后的显微组织
2实验结果与分析
2．1深冷处理后的力学性能
将深冷处理后力学性能的测试结果填入正交试验表中，并进行级差分析，如表2所示。此外，为了对比研究，将每组未深冷试样的试验数据也填入表2中。从表中数据可看到，深冷处理后o-曲普遍提高5％～10％，提高1O％～25％，硬度提高1～2HRC，厂提高O．1～O．3mill，可见深冷处理可以提高高速钢的综合力学性能，进而改善其使用性.能如耐磨性、耐冲击性和红硬性等。分析试验数据发现，在回火次数和总深冷时间相同的情况下，增加深冷次数，力学性能明显改善．例如采用ll工艺即回火2次+1次3h深冷处理后，~=3772MPa，=O．277MJ／m，而采用9循环深冷工艺即回火2次+3次1h深冷处理后，~=4042MPa，aK-0．320MJ／m，力学性能提高超过1O％。通过计算极差i研究深冷工艺参数对试验结果的影响，得到R>。>，即回火次数对力学性能影响最大，其次是深冷次数，最后是深冷时间。由此可见，在对材料使用性能要求较高的情况下，回火次数不应减少，相对于一次长时间深冷处理，在深冷时间足够的情况下，采用多次循环深冷处理工艺效果更好。
2．2深冷处理后的显微组织
图2为循环深冷处理前后显微组织的TEM照片。图2(a1为回火后未深冷处理的马氏体孪晶带的暗场照片，孪晶带连续，没有弥散析出物。图2(b)显示深冷处理4h后，在马氏体孪晶带已经有弥散碳化物析出，但尺寸和间距较大，分布也不均匀，由此可见延长深冷时间对析出碳化物的数量影响不大。图2(c)和(d)分别为3次和4次循环深冷后沿马氏体位错网析出了大量超细弥散分布的碳化物，与图2fb)中的一次长时间深冷相比，随着深冷循环次数的增加，多次循环深冷处理后析出的碳化物数量更多，尺寸和间距更小。
碳化物数量及分布状态是决定高速钢工件使用寿命的重要因素。因此为了保证碳化物在基体中的体积分数，在制定深冷处理工艺时应尽量保证回火次数不减少。回火碳化物尺寸较大，分布也不均匀，而经深冷处理后大块碳化物经常发生碎化，并有大量弥散微细碳化物颗粒沿马氏体位错线和孪晶带上析出(见图2)，尽管碳化物的体积分数没有明显增加，但碳化物的分布状态得到了改善，从而使综合力学性能明显提高。关于高速钢深冷处理后马氏体位错线和孪晶带上析出超细碳化物的原因，目前尚无很好的理论解释。过冷，相变阻力是晶体缺陷之间的交互作用或问一般认为，在深冷处理时，马氏体分解的相变驱动力是深度隙原子和淬火空位与位错之间的交互作用，当马氏体发生分解的相变驱动力大于相变阻力时。马氏体开始分解，从而在位错线上析出细小碳化物至于在孪晶带上有碳化物析出则认为孪晶是马氏体切变形成的，在其形成过程中同样存在较大的过饱和度．故在深冷处理后孪晶马氏体也发生分解并析出碳化物，由于在低温下碳原子扩散困难，故形成的碳化物只能弥散分布在孪晶带上。深冷处理后形成的碳化物很难扩散长大．因此尺寸极为细小，仅为几十纳米。深冷的过冷度是在降温的瞬间形成的，因此深冷保持时间对碳化物析出数量影响不大。而多次深冷过程中会不断地为碳化物析出提供驱动力，每个回火+深冷循环都会有一部分残余奥氏体转变为马氏体，越是后来的循环参与相变的组分含碳量越高，在下一次回火时就会析出更多的碳化物；也是由于碳量高、应变大，晶核形核位置多，故碳化物越细小，所以经多次循环后碳化物数量明显增加。
通过本试验观察和分析表明。经多次循环深冷处理后高速钢的综合力学性能大幅度提高，显微组织明显细化，深冷处理效果好于一次长时间深冷。因此实际生产中为优化深冷处理工艺，应该适当增加深冷处理次数。
3结论
(1)回火次数对力学性能影响最大，其次是深冷次数，最后是深冷时间。在对材料使用性能要求较高的情况下，回火次数不应减少。增加深冷次数，力学性能明显改善。与一次长时间深冷处理相比，在深冷时间足够的情况下，采用多次循环深冷处理工艺效果更好。
(2)高速钢深冷处理后在马氏体孪晶带上有超细碳化物析出．多次循环深冷处理后，在马氏体位错线上析出更为细小弥散的碳化物，且碳化物数量增加。