深冷技术在航空发动机特型刀具上的应用

8年前我们开始着手研究采用深冷处理工艺提高刀具使用寿命的工艺方法。所谓深冷处理，就是用液氮作为冷却介质将淬火后的金属材料的冷却过程继续下去，达到远低于室温的某一温度，促使常规热处理后所存在的残留奥氏体得到进一步转化，从而改善金属材料性能。

深冷处理过程中细微碳化物的析出，是属于“原子挤出”机制。刀具骤冷到－120℃会发生宏观体积收缩引起内部微区变形造成晶格畸变，使马氏体内部的间隙碳原子进一步承受压应力而被“挤出”间隙位置。在－120℃温度条件下碳原子的热震动非常微弱，因此碳原子不会发生“扩散逸出”，当深冷结束后刀具在回升到室温20℃的过程中，存在近150℃的温差，因此刀具相当于进行了一次低温回火，故被挤出的碳原子可以通过在缺陷附近偏聚最终形成弥散分布的细微碳化物，细微碳化物的弥散分布还可以阻碍位错运动，造成弥散强化效果，提高了刀具的耐磨性、韧性，使刀具使用寿命成倍地提高。

我们首先从从一根 25mm×35mm×600mm的M42锻料上截取长130㎜的4根料，制作4把20mm×30mm×120mm刨刀，分别标号为1﹟、2﹟、3﹟、4﹟，将其中1﹟、2﹟刨刀进行深冷处理，3﹟、4﹟刨刀进行常规热处理，分别用常规热处理的3﹟、4﹟刨刀和经深冷处理的1﹟、2﹟刀具在刨床上进行切削CrWMn钢的刀具磨损试验。刀具几何参数：前角10°，主偏角45°，副偏角30°，主后角15°，副后角10°，溶屑槽R20，刃倾角2°，刀尖圆弧半径R0.5mm。切削参数选择：切削速度V=25次/min（往返），吃刀深度ap=3mm，走刀量t=0.33㎜。两组试验所得刀具使用寿命结果见附表。从刀具使用寿命对比表和使用后刀具表面磨损状态观察，得出试验结论：深冷处理能明显的提高刀具的耐磨性，使刀具的切削寿命成倍提高。

于是，我们选择加工XX型发动机上的火焰稳定器的组合铣刀进行现场实物试验，火焰稳定器材料为GH625，很难加工，以前有50%的废品率，没有人愿意加工这个零件，通过改进刀具尺寸，废品率下降到20%左右，但是铣刀使用寿命很短，一套组合铣刀仅能加工这种火焰稳定器2～3个，碰到不好的时候一套刀具一个都加工不完，加工成本持续攀升。

我们将经过深冷处理的组合铣刀15套和常规热处理的组合铣刀15套发到现场使用，并发放了刀具使用情况记录表格，从操作人员记录数据表格中我们可以清楚的看出，经过深冷处理的组合铣刀加工数量是未经过深冷处理铣刀的2倍，使用寿命大幅提高，并且刀具尺寸稳定性好，产品废品率由15%下降到5%。从另一批深冷处理铰刀情况反馈信息显示：

（1）未经深冷的铰刀，第一次使用铰孔数量30个左右，后续人工修磨时刃口易缺口。

（2）深冷处理的铰刀，第一次使用铰孔数量可达到80个左右，无明显刀纹，后续人工修磨过程中刃口不易出现缺口。

现在我厂所有发动机特型刀具都在原有常规热处理的基础上增加了深冷处理工艺。深冷处理主要耗材是液氮（氮气是大气中最主要的成分之一，无毒无味），设备功率在一个千瓦以内，耗电非常小，操作简便，无任何环境污染，深冷技术的应用是完全的环保型技术，它使我公司刀具质量整体上了一个新台阶，减轻了制造压力，大幅度降低了机加成本，经济效益显著。