0. 引言

DC53冷作模具鋼具有高硬度、良好的耐磨性能、出色的韌性以及優(yōu)秀的加工性能等特點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用于精密沖裁模、沖壓模、塑料模具等復(fù)雜模具的生產(chǎn)中，在現(xiàn)代模具制造中扮演著至關(guān)重要的角色。模具拋光是模具制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，拋光質(zhì)量直接決定產(chǎn)品的好壞，而高質(zhì)量加工表面可以為模具拋光打好基礎(chǔ)。加工表面質(zhì)量越好，拋光后表面質(zhì)量越好，產(chǎn)品性能也會(huì)得到提高[3-6]。針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、精度的更高要求，通過(guò)合理的方法提高DC53鋼銑削加工表面質(zhì)量至關(guān)重要。深冷處理是一種將材料在低溫下保持一定時(shí)間以提高材料性能的熱處理方法，綠色環(huán)保，已被應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)加工中[7-9]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深冷處理工藝進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)深冷處理可以促進(jìn)殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，增加碳化物的析出，從而提升模具鋼的硬度、沖擊韌性和耐磨性能[10-15]。但是，有關(guān)深冷處理對(duì)模具鋼銑削加工表面質(zhì)量影響的研究少有報(bào)道。因此，作者對(duì)DC53冷作模具鋼進(jìn)行不同時(shí)間的深冷處理，研究了深冷處理對(duì)其顯微組織以及銑削加工表面質(zhì)量的影響，以期為通過(guò)優(yōu)化DC53鋼熱處理工藝提高銑削加工表面質(zhì)量提供參考。

1. 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為DC53冷作模具鋼，由昆山華燁真空熱處理公司提供，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.95C，1.1Si，0.4Mn，0.023P，0.008S，1.9Mo，7.69Cr，0.21V，0.15Ni，0.06Cu，余Fe。在試驗(yàn)鋼上截取尺寸為40 mm×30 mm×10 mm的試樣，如圖1所示先在真空條件下對(duì)試樣進(jìn)行常規(guī)熱處理，然后將試樣放入?196 ℃液氮中進(jìn)行深冷處理，深冷處理時(shí)間分別為3，6，9 h。對(duì)深冷處理后的試樣進(jìn)行打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用M203型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用VMC650型立式數(shù)控加工中心進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，切削刀具為四刃整體硬質(zhì)合金立銑刀，直徑為8 mm，刀具伸出長(zhǎng)度為30 mm，采用順銑的方式進(jìn)行加工，加工方式分為端銑加工和側(cè)銑加工，具體銑削加工參數(shù)如表1所示。銑削加工后利用RTEC三維形貌儀測(cè)試表面粗糙度Ra，測(cè)5次，利用白光干涉儀獲得表面二維和三維形貌；采用光學(xué)顯微鏡觀察銑削加工表面形貌。

圖 1 DC53鋼的熱處理工藝示意

Figure 1. Heat treatment process diagram of DC53 steel

2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出，深冷處理前DC53鋼基體主要由回火馬氏體和殘余奧氏體組成，組織較粗大，白色的塊狀和細(xì)小顆粒狀碳化物分布在基體上，其中塊狀碳化物呈帶狀分布[1，15]。塊狀碳化物為M7C3型碳化物，細(xì)小顆粒狀碳化物主要為M2C、M6C和M23C6型碳化物[1]。經(jīng)深冷處理后，組織發(fā)生細(xì)化，但仍存在帶狀分布的塊狀碳化物，細(xì)小顆粒狀碳化物增多且彌散分布在基體上；隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒細(xì)化作用更加明顯，細(xì)小顆粒狀碳化物進(jìn)一步增多，組織更加均勻，但是當(dāng)深冷時(shí)間延長(zhǎng)至9 h時(shí)，部分顆粒狀碳化物的尺寸增大。

圖 2 不同時(shí)間深冷處理前后DC53鋼的顯微組織

Figure 2. Microstructures of DC53 steel before (a) and after (b–d) cryogenic treatment for different time periods

2.2 銑削加工表面粗糙度

由圖3可知，未深冷處理DC53鋼端銑加工后的表面粗糙度為659 nm，3，6，9 h深冷處理后表面粗糙度分別為574，490，519 nm，相較于深冷處理前分別降低了12.9%，25.8%，21.3%。隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，端銑加工表面粗糙度先降后增，深冷處理6 h時(shí)的表面粗糙度最小。未深冷處理DC53鋼側(cè)銑加工后的表面粗糙度為206 nm，3，6，9 h深冷處理后表面粗糙度分別為168，161，172 nm，相較于深冷處理前分別降低了18.2%，21.6%，17.4%。隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，側(cè)銑加工表面粗糙度先降后增。

圖 3 不同時(shí)間深冷處理前后DC53鋼銑削加工后的表面粗糙度

Figure 3. Surface roughness after milling machining of DC53 steel before and after cryogenic treatment for different time periods

2.3 銑削加工表面形貌

由圖4可以看出：端銑加工后DC53鋼的表面輪廓均整體呈波浪狀。未深冷處理鋼的端銑加工表面存在較深的凹坑和溝槽，說(shuō)明在端銑加工過(guò)程中發(fā)生較為嚴(yán)重的磨粒磨損[16-17]，表面質(zhì)量較差；深冷處理鋼的端銑加工表面質(zhì)量得到改善，凹坑和溝槽變淺。深冷處理后的DC53鋼在端銑加工的過(guò)程中，基體脫落產(chǎn)生的切屑較小，磨粒磨損程度減輕，銑削加工所產(chǎn)生的溝槽數(shù)量減少，深度更淺，因此表面粗糙度降低，表面質(zhì)量提高。側(cè)銑加工表面沿進(jìn)給方向存在均勻分布的棱邊，這是銑刀沿進(jìn)給方向切削工件時(shí)所產(chǎn)生的痕跡，相鄰棱邊的距離主要由進(jìn)給速度決定；側(cè)銑加工表面在高度方向上還存在起伏的犁溝，說(shuō)明在側(cè)銑過(guò)程中也發(fā)生了磨粒磨損。未深冷處理鋼的側(cè)銑加工表面形成了較多起伏的犁溝，深度較深，表面整體比較粗糙?？梢酝茢?，在側(cè)刃加工過(guò)程中，產(chǎn)生的微小切屑起到微切削的作用，從而在工件表面形成許多起伏的犁溝。深冷處理后側(cè)銑加工表面的犁溝明顯減少，深度變淺，側(cè)銑加工表面質(zhì)量提高。隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，端銑和側(cè)銑加工表面的溝槽和犁溝數(shù)量減少，深度變淺，但是9 h深冷處理后數(shù)量略微增多，深度略微變深，表面質(zhì)量輕微退化。

圖 4 不同時(shí)間深冷處理前后DC53鋼經(jīng)銑削加工后的表面三維和二維形貌

Figure 4. Surface three- and two-dimensional morphology after milling machining of DC53 steel before and (a, e) after (b–d, f–h) cryogenic treatment for different time periods: (a–d) end milling and (e–h) side milling

由圖5可以看出，未深冷處理鋼的端銑加工表面存在明顯的溝槽以及凹坑。在銑削過(guò)程中刀具的擠壓摩擦作用下，切削刃附近不穩(wěn)定的基體組織產(chǎn)生崩碎脫落，形成微小切屑和凹坑[18-19]；切屑和脫落顆粒被壓入到刀具和試樣之間，在銑削加工過(guò)程中起到微切削的作用[20]，使得試樣發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損。6 h深冷處理的端銑加工表面溝槽痕跡輕微，數(shù)量明顯減少，深度變淺，表面更加光滑平整，磨粒磨損程度降低。未深冷處理鋼的側(cè)銑加工表面存在較多起伏的犁溝，未觀察到明顯的脫落凹坑，在側(cè)銑加工過(guò)程中主要是切削產(chǎn)生的微小切屑造成了磨粒磨損；6 h深冷處理的側(cè)銑加工表面的犁溝數(shù)量明顯減少，深度變淺，表面更加平整，表面質(zhì)量提高。

圖 5 6 h深冷處理前后DC53鋼的銑削加工表面形貌

Figure 5. Surface morphology of DC53 steel after milling machining before (a, c) and after (b, d) cryogenic treatment for 6 h: (a–b) end milling and (c–d) side milling

深冷處理后DC53鋼的組織更加均勻，細(xì)小顆粒狀碳化物增多，彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng)，組織穩(wěn)定性增強(qiáng)，在銑削過(guò)程中刀具擠壓作用下表面材料不易產(chǎn)生崩碎脫落，微切削作用減弱，因此磨粒磨損程度降低，銑削后的表面粗糙度降低，表面質(zhì)量提高。但是，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（9 h）深冷處理后，碳化物聚集生長(zhǎng)，部分顆粒狀碳化物尺寸增大，彌散強(qiáng)化作用降低，組織穩(wěn)定性減弱，銑削加工后表面粗糙度增加，表面質(zhì)量略有降低。綜合考慮，深冷處理的適宜時(shí)間為6 h，此時(shí)DC53鋼銑削加工的表面粗糙度最低，表面質(zhì)量最好。

3. 結(jié)論

（1）深冷處理后DC53鋼中的回火馬氏體和殘余奧氏體組織細(xì)化，細(xì)小顆粒狀碳化物增多且彌散分布在基體上；隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒細(xì)化作用更加明顯，細(xì)小顆粒狀碳化物增多，組織更加均勻，但當(dāng)深冷時(shí)間為9 h時(shí)，部分顆粒狀碳化物的尺寸增大。

（2）相較于深冷處理前，3，6，9 h深冷處理后端銑加工表面粗糙度分別降低了12.9%，25.8%，21.3%，側(cè)銑加工表面粗糙度分別降低了18.2%，21.6%，17.4%；深冷處理顯著降低DC53鋼銑削加工表面粗糙度，隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，銑削加工表面粗糙度先降后增。深冷處理DC53鋼的銑削加工表面溝槽或犁溝數(shù)量減少，深度變淺，隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，溝槽或犁溝數(shù)量先減少后略微增多，深度先變淺后略微變深。6 h深冷處理后DC53鋼的銑削加工表面粗糙度最低，銑削加工后的表面質(zhì)量最好。

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