超低温处理工艺对YG12和M2Al材料力学性能和微观组织的影响

摘要

钛合金是典型的难加工材料，但是它具有优良的综合力学性能，在航空航天领域占据着不可替代的位置。因此，在切削加工钛合金时，对刀具材料提出了更高的要求。超细晶硬质合金和高性能高速钢分别是钛合金精加工和粗加工的典型刀具材料，而超低温处理（或深冷处理）是绿色生产技术，在提高材料力学性能中发挥着重要的作用，符合时代发展潮流。本文的主要研究内容是考察不同的超低温处理工艺对YG12和M2Al两种材料力学性能的影响及其强化机理。
　　首先，本文对YG12超细晶硬质合金进行了超低温处理工艺研究及机理分析，包括处理时间、次数、方式及后退火处理等工艺。研究结果表明:超低温处理可以提高材料的力学性能，随着处理时间的延长，材料的力学性能也在不断提高;多次短时间深冷可以提高材料的力学性能，当深冷处理3次时，材料的抗弯强度下降，在断口处有微裂纹产生。考察了将材料浸入液氮和以3℃/min的冷速降至-196℃后保温这两种深冷方法效果的对比，结果表明，在一次深冷过程中，直接浸入液氮处理不会降低材料的性能;利用深冷与退火处理配合来研究残余热应力对材料力学性能的影响，结果表明，深冷处理可以松弛热残余应力，残余应力降低有利于提高材料的力学性能。经过多次深冷与退火循环处理后可以修复材料微观缺陷，较大程度提高材料的力学性能，抗弯强度较未深冷态提高约40％。综合分析表明，深冷处理能够提高材料力学性能，是深冷过程中发生α-Co向ε-Co的转变与残余热应力得到松弛的综合作用结果。
　　其次，对M2Al高速钢进行了深冷处理工艺及其机理研究，也包括处理时间、次数、方式及深冷与热处理工艺顺序等方面的研究。结果表明:超低温处理也可以提高M2Al材料的力学性能，促使更多的二次细小碳化物的析出;深冷20h后影响不大，淬火和深冷后析出的碳化物均为金刚石结构的Fe3W3C;经过2次短时间深冷可以提高材料的力学性能，当深冷3次时，材料的抗弯强度急剧下降，在断口处有多处微裂纹产生;直接将材料浸入液氮和以3℃/min的速度将至-196℃后保温，两种深冷方式进行对比，结果表明，在一次深冷过程中，直接浸入液氮处理不会降低材料的性能;深冷处理前进行回火处理，提高了奥氏体的稳定性，降低了深冷处理的效果，深冷后进行回火处理，材料的强度大幅上升，抗弯强度较淬火态提高约60％，是由于大量细小Fe3W3C析出起到了弥散强化的作用;深冷处理使M2Al高速钢的二次硬化温度降低至500℃，此时硬度值达到1180HV，约提高了15％。深冷处理提高M2Al高速钢力学性能主要原因是，深冷过程促进了残余奥式体转化为马氏体，并有大量的金刚石结构的Fe3W3C析出，这种碳化物本身就具有很高的硬度和强度，金刚石结构有非常稳定不易被破坏，起到了弥散强化的作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 航空航天用钛合金切削加工现状

1．1．1 钛合金切削加工特点

1．1．2 钛合金切削的刀具问题

1．2 高速切削钛合金刀具材料的应用与研究现状

1．2．1 硬质合金刀具材料

1．2．2 硬质合金涂层刀具

1．2．3 高速钢刀具材料

1．2．4 陶瓷刀具材料

1．2．5 金刚石刀具材料

1．3 深冷处理技术的国内外发展现状

1．3．1 国外深冷处理技术的研究现状

1．3．2 国内深冷处理技术的研究现状

1．4 存在的问题及改善方法

1．4．1 切削难加工材料时对刀具材料性能的要求

1．4．2 深冷处理存在的问题

1．5 课题研究背景与研究内容

第2章 实验材料和方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．2．1 YG12超细晶硬质合金深冷处理工艺方案

2．2．2 M2Al高速钢深冷处理工艺方案

2．3 分析测试方法

2．3．1 微观组织分析

2．3．2 力学性能测试与分析

2．3．3 XRD分析

2．3．4 相变温度分析

2．4 热处理与深冷处理设备

2．4．1 热处理设备

2．4．2 深冷处理设备

第3章 硬质合金深冷处理工艺及机理

3．1 深冷前不同热处理工艺对超细晶硬质合金组织及性能影响

3．1．1 不同热处理工艺下YG12显微组织结构分析

3．1．2 不同热处理工艺下YG12硬度及强度分析

3．1．3 YG12超细晶硬质合金DSC差热分析及相变曲线

3．1．4 不同热处理工艺下YG12的XRD物相分析

3．2 深冷保温时间对YG12超细晶硬质合金组织及性能的影响

3．2．1 深冷不同时间后YG12的显微组织分析

3．2．2 深冷不同时间后YG12的维氏硬度与洛氏硬度

3．2．3 深冷不同时间后YG12的抗弯强度

3．2．4 深冷不同时间后YG12的断口形貌分析

3．2．5 深冷不同时间后YG12的XRD分析

3．2．6 深冷不同时间后YG12的TEM分析

3．3 深冷循环次数对超细晶硬质合金组织及性能的影响

3．3．1 深冷不同次数后YG12的力学性能分析

3．3．2 深冷不同次数后YG12的断口形貌

3．3．3 深冷不同次数后YG12的XRD物相分析

3．4 深冷方式对YG12超细晶硬质合金组织及性能的影响

3．4．1 深冷方式对YG12力学性能的影响

3．4．2 不同方式深冷后YG12断口形貌分析

3．4．3 不同方式深冷后YG12的XRD分析

3．5 残余应力对YG12超细晶硬质合金组织及性能影响

3．5．1 退火处理后YG12显微组织结构

3．5．2 退火处理后YG12硬度分析

3．5．3 退火处理后YG12抗弯强度分析

3．5．4 退火处理后YG12抗弯断口形貌分析

3．5．5 YG12超细晶硬质合金残余应力分析

3．5．6 退火处理后YG12的TEM分析

3．6 深冷与退火循环对YG12超细晶硬质合金组织及性能的影响

3．6．1 深冷与退火循环处理后YG12显微组织分析

3．6．2 深冷与退火循环处理后YG12中Co元素分布

3．6．3 深冷与退火循环处理后YG12力学性能及残余应力的分析

3．6．4 深冷与退火循环处理后YG12抗弯断口形貌分析

3．6．5 深冷与退火循环处理后YG12的XRD分析

3．7 本章小结

第4章 高速钢深冷处理工艺及机理

4．1 淬火温度对M2Al高速钢组织和性能的影响

4．1．1 不同温度淬火后对M2Al高速钢显微组织的影响

4．1．2 不同温度淬火后对M2Al高速钢硬度的影响

4．2 淬火保温时间对M2Al高速钢组织和性能的影响

4．2．1 不同淬火保温时间对M2Al高速钢显微组织的影响

4．2．2 不同保温时间对M2Al高速钢硬度的影响

4．2．3 淬火态下M2Al高速钢TEM分析

4．3 深冷时间对M2Al高速钢组织和性能的影响

4．3．1 深冷时间对M2Al高速钢组织的影响

4．3．2 深冷时间对M2Al高速钢硬度的影响

4．3．3 深冷时间对M2Al高速钢抗弯强度的影响

4．3．4 不同深冷时间下M2Al高速钢断口形貌

4．3．5 不同深冷时间下M2Al高速钢XRD图谱比较

4．3．6 深冷处理后M2Al高速钢TFM分析

4．4 深冷次数对M2Al高速钢组织和性能的影响

4．4．1 深冷次数对M2Al高速钢显微组织的影响

4．4．2 深冷处理次数对M2Al高速钢硬度的影响

4．4．3 深冷次数对M2Al高速钢抗弯强度的影响

4．4．4 深冷不同次数后M2Al高速钢抗弯断口形貌

4．4．5 深冷不同次数后M2Al高速钢XRD分析

4．5 深冷处理方式对M2Al高速钢组织和性能的影响

4．5．1 深冷处理方式对M2Al高速钢显微组织的影响

4．5．2 深冷方式对M2Al高速钢力学性能的影响

4．5．3 不同方式深冷后M2Al高速钢抗弯断口形貌

4．5．4 不同方式深冷后M2Al高速钢XRD分析

4．6 深冷工艺顺序对M2Al高速钢组织和性能的影响

4．6．1 深冷工艺顺序对M2Al高速钢组织的影响

4．6．2 深冷工艺顺序对M2Al高速钢硬度的影响

4．6．3 深冷工艺顺序对M2Al高速钢抗弯强度的影响

4．6．4 深冷工艺顺序对M2Al高速钢XRD图谱分析

4．6．5 不同深冷工艺顺序处理后M2Al高速钢抗弯断口的形貌分析

4．6．6 深冷和回火处理后M2Al高速钢TFM分析

4．7 深冷处理对M2Al高速钢回火二次硬化现象的影响

4．7．1 深冷处理对回火二次硬化温度的影响

4．7．2 回火温度对M2Al高速钢强度的影响

4．7．3 M2Al高速钢经过不同温度回火后的抗弯断口形貌分析

4．7．4 M2Al高速钢回火二次硬化温度点碳化物析出

4．8 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢