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钢材金属材料深冷处理技术研究进展

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摘 要深冷处理作为一种有效提高材料性能的工艺其研究已经从黑色金属领域走向有色金属综合现有文献总结了金属材料及其合金深冷处理的研究进展简述了深冷处理技术的工艺和机理并结合国内外研究现状提出了一些展望


深冷处理主要是以液氮为制冷剂-196下 对材料进行处理的一种方法, 它是热处理工艺的延续[1-2]早在一百多年前瑞士的钟表制造商将钟表的关键零件埋到阿尔卑斯雪山中进行 深冷处理”,零件的耐磨性和可靠性都得到了提高工具制造者把工具钢放到冷冻箱进行深冷处理”,以提高其使用寿命这是人类早期应用深冷处理技术的例子[3-5]

前苏联最早研究出深冷处理方法它可以防止工具钢产生脆断现象并使其寿命提高 1.5[6-7]美 国在 20 世纪 50 年代开始进行金属材料深冷处理的研究, 并于 1965 年首次将深冷处理技术实用化[8-9]在车刀钻头铣刀丝锥和工具钢中进行深冷处理显著提高了刀具的耐磨性和使用寿命 [10-11]我国在20 世纪 80 年代开始引入深冷处理技术, 科研工作者们对深冷处理的工艺机理都做了一定的研究研究方向主要集中在工模具钢, 高速钢及轴承钢等[12-14], 经深冷处理后的材料性能比一般冷处理后的材料的性能普遍得到改善近几年, 深冷处理技术的研究已从黑色金属逐步扩展到有色金属铝合金、 铜合金镁合金等以及复合材料等方面并取得了一定进展与传统的冷处理相比深冷处理能更有效地改善材料的力学性能并提高材料的稳定性和使用寿命[15]因此, 深冷处理技术是能充分挖掘材料性能并且潜力巨大的新型材料强韧化工艺[16-18]

深冷处理工艺

深冷处理一 般以液氮作 为制冷剂进行深冷处理它不仅制冷温度低可达-196 ),而且经济方便无污染深冷处理主要分为两种方法[19-20]一种是气体法利用氮气的汽化潜热或低温氮气制冷进行深冷处理另一种是液体法液氮与工件直接接触使其骤冷至-196, 保温一定时间后回复至室温也有通过乙醇稀释液氮进行深冷处理液体法由于降温速率大容易产生过大的热应力导致热冲击作用大而气体法可实现降温速率的可控性热冲击作用小在研究中被广泛采用[21]

1.1 深冷处理升降温速度

对于深冷处理的升降温速率现在有两种观点[22], 一种是急冷急热法, 即将工件直接放入液氮中进行深冷处理深冷处理结束后直接放到空气中恢复到室温有学者认为这种方法使工件的温度急剧变化导致工件内部应力变化大使材料结构破坏或失效另一种是采取缓慢升降温的方法即工件按照一定的温度梯度逐步达到一定温度后进行深冷处理如对淬火后的工件先冷却到室温再进行深冷处理对于室温下或受热冲击比较大容易产生开裂的工件先吊置在液氮上方进行预冷再进行深冷处理也可以通过深冷处理装置精确控制升降温速率的方法进行深冷处理

1.2 深冷处理时间

对于工件深冷处理保温时间的长短应考虑工件的尺寸大小和导热速率以及组织转变等因素但有学者认为深冷处理过程中不需要考虑奥氏体向马氏体的转变速度也有学者认为保温时间越长越好长时间保温使组织的转化和碳化物的析出更充分从而更好地提高材料的性能[23]

1.3 深冷处理次数

对于深冷处理的次数目前比较认可的一种观点是多次优于单次并且大量的试验研究表明工件经过二次深冷处理后的效果最佳[24]因为第二次深冷处理会重复第一次深冷处理工件组织进一步转化碳化物进一步析出但是进行 次以上深冷处理对工件组织的影响不明显无太大意义[25]

段春争等[26]通过对高速钢循环深冷处理后的显微组织和力学性能的研究发现与一次长时间深冷处理相比多次短时循环深冷处理后W6Mo5Cr4V2 钢中马氏体的 c/和含碳量明显减小残留奥氏体数量进一步降低有大量新的超细弥散碳化物颗粒沿马氏体孪晶带和位错线析出碳化物的平均粒度显著降低经多次短时间循环深冷处理后高速钢力学性能更好因此在实际生产中应适当增加深冷处理次数

深冷处理对材料性能的影响

目前深冷处理对材料性能影响的研究主要包括硬度强度和耐磨性微观组织尺寸稳定性也有学者对深冷处理后材料的腐蚀性进行了研究但是深冷处理对材料腐蚀性能的作用效果不明显对组织和力学性能的影响比较显著因此国内外学者就深冷处理对材料性能的研究主要集中在力学性能和微观组织方面

2.1 硬度强度和耐磨性

硬度强度和耐磨性是衡量材料性能的重要指标研究学者发现深冷处理作为一种热处理工艺可以使材料中的残余奥氏体得到进一步转化并促进碳化物进一步析出从而提高材料的硬度耐磨性和韧性有效提高材料的力学性能

Gill [27]对 AISIM2 高速钢在-196深冷处理并保温 38h发现深冷处理过程中残留奥氏体向马氏体转变并且深冷处理能得到更细小的晶粒组织也观察到了大量细小弥散的碳化物析出腾杰等[28]对紫铜深冷处理前后的力学性能 和组织进行 了对比分析发现深冷处理 24 h紫铜的显微硬度达到峰值强韧性得到了提高其原因是深冷处理会引起紫铜晶粒内部位错增加或形成亚结构, 部分空洞消失及因微变形引起的加工硬化 陈振华等[29]对 YL20.3硬质合金顶锤材料深冷处理的研究表明通过深冷处理硬质合金硬度得以改善深冷时间为 2h和 4h时较为明显黄云战等[30]对铅黄铜合金深冷处理研究认为β相的析出和弥散分布是深冷处理提高铅黄铜合金强韧性和硬度的主要原因陈鼎等[31]对铝和铝合金的深冷处理进行研究通过对铝和铝合金深冷处理前后的 XRD衍射峰强度和力学性能的变化 进行分析 和比较发 现 123020192024300340327075 和 8009铝合金经深冷处理后力学性能提高

2.2 微观组织

材料经深冷处理后奥氏体进一步转化晶粒细化组织内部析出大量细小弥散的碳化物促进合金组织均匀化致密化从而提高了材料的耐磨性和尺寸稳定性

顾彪等[32]对回火后 W6Mo5Cr4V2W18Cr4V 高 速钢刀具进行-196控温和液氮浸泡式深冷处理研究发现高速钢的韧性和硬度得到了提高晶粒细化是性能提高的主要原因其次大量碳化物的析出也有助于其性能的提高蔡红等[33]研究了深冷处理对 95Cr18不锈钢显微组织力学性能及耐腐蚀性的影响发现对淬火后 95Cr18不锈钢进行深冷处理可以显著降低钢中的残留奥氏体析出更多细小的碳化物颗粒提高钢的硬度及耐磨性邓黎辉等[34]对 高强韧冷作模具钢 SDC55 经液氮深冷处理后的组织和性能进行了研 究 结果表明 深冷 处理使SDC55钢的残留奥氏体一部分转变成马氏体并且在马氏体上有弥散的细小碳化物析出, 使材料的硬度和耐磨性都得到提高但长时间的深冷处理并不能使残留奥氏体转变完全未转变的残留奥氏体分布在马氏体的周围因此材料深冷处理后拥有优良的强韧性

2.3 尺寸稳定性

材料的尺寸稳定性是指材料在受机械力热或其他外界条件作用下其外形尺寸不发生变化的性能工件尺寸变化的大小主要取决于残余奥氏体的量如果材料中有大量的残余奥氏体则残余奥氏体向马氏体转化过程中会产生较大尺寸的变形在精密加工领域, 某些关键零部件经过机械加工后尺寸精度会发生变化如果钢件中残留的奥氏体较多则在应用过程中会因为奥氏体转变成马氏体造成零件尺寸的变化影响使用和技术要求的制定[35]

张红等[36]对 GCr1538CrMoAl 铝合金 2A11以及球墨铸铁进行试验研究发现深冷处理能够有效改善 GCr1538CrMoAl 铝合金 2A11 以及球墨铸铁的尺寸稳定性并认为深冷处理改善材料尺寸稳定性的机理主要是残留奥氏体的转变和残余应力的释放两个方面王荣滨[37]对 种有代表性的普通黄铜性能进行了试验研究表明经深冷处理后黄铜的抗拉强度弹性极限硬度分别提高了 12%26%45%但伸长率下降了 11%组织稳定尺寸稳定畸变减少有利于提高使用寿命

深冷处理机理

国内外的研究学者认为金属及其合金经深冷处理后, 其微观组织结构的变化主要包括以下几个方面残余奥氏体的转化硬质相的析出组织致密化晶粒细化和转动残余应力与原子动能的变化

3.1 残余奥氏体的转化

对于钢铁材料而言深冷处理会促进基体中残余奥氏体进一步向马氏体转变而影响尺寸稳定性的主要原因是工件在长时间的存放和使用过程中残留奥氏体的转变为马氏体二者体积的差别造成了工件形状和尺寸的变化表现为尺寸的不稳定性而且钢中奥氏体在低温环境下非常不稳定通过深冷处理能使钢铁材料中的残余奥氏体进一步转化为马氏体位错密度提高从而提高了工件在存放和使用过程中的稳定性及力学性能

刘勇等[38]通过对 Cr12MoV 钢深冷处理发现深冷处理可显著降低 Cr12 钢中的残留奥氏体含量3×1 h 循环深冷处理+180×1.5 h 回火后其残留奥氏体含量由未冷处理的 34.36%降至 2.58%92.5%的残余奥氏体得到转化孙莹等[39]通过对 T10钢的深冷处理研究发现深冷处理后 T10钢的残留奥氏体含量降低 38.2%部分转化为马氏体同时马氏体基体上细小弥散的碳化物增多从而提高了钢的硬度冲击韧性和耐磨性

3.2 硬质相的析出

经深冷处理后钢铁材料体积收缩使铁的晶格常数有缩小的趋势从而促进了碳原子的析出碳原子在低温条件下扩散速度低所以在马氏体基体上会析出超细碳化物[40]张红等[41]对 3Cr13 深冷处理研究发现与普通热处理相比深冷处理后钢中析出的碳化物数量明显增多分布更加均匀弥散硬度和冲击韧性都得到了提高对于有色金属及其合金陈鼎等[42]认为由于温度的降低合金中产生变形能一部分变形能转化为内能使合金组织处于亚稳态于是沿位错线及晶界会析出强化相所以硬质相的析出是材料性能提高的主要原因之一黄利银等[43]通过研究深冷处理对镍基合金 GH3030力学性能和组织的影响后发现GH3030深冷处理后晶粒内会析出大量微细颗粒

3.3 晶粒细化转动与组织致密化

有学者认为, 晶粒细化是由于马氏体点阵常数发生变化及其板条发生碎化引起的[44]也有学者认为微细碳化物的析出造成了组织细化[45]王晓峰 等[46]通过对 Cr-Zr-Cu 电极合金深冷处理研究发现深冷处理使 Cr-Zr-Cu 合金产生了孪晶结构析出高弥散的 CrZr 粒子基体组织变得致密陈文革等[47]对 W-Cu 合金进行 深冷处理研究发现W-Cu 合金发生了类马氏体转变铜颗粒弥散析出晶粒细化原子发生位移和体积收缩从而提高了合金的密度和强度

材料在深冷处理过程中, 由于热胀冷缩使材料产生巨大的内应力使得晶粒发生了转动择优取向形成了织构这一新理论由陈鼎等[48]提出并在铝和铝合金中得到了证实

3.4 残余应力与原子动能

工件经过机械加工和强化工艺强化后都能引起残余应力其残余应力在使用过程中会缓慢释放导致工件形状发生变化深冷处理过程中工件中不同的相发生收缩产生了微观应力当应力达到一定程度时发生塑性形变从而释放残余应力而且深冷处理过程中产生的热应力也会与残余应力发生作用同样释放了残余应力

谢薇等 [49] 发现经-196深冷处理有效降低了3D-Cf/Mg 基复合材料的热残余应力陈振华等[50]通 过对 WC-Co 硬质合金进行深冷 处理研究发 现深冷处理较大程度提高了硬质合金表面的残余应力同时粘结相 Co 相发生 fcc-Co 向 hcp-Co 的马氏体相变两者相互作用提高了 WC-Co 硬质合金力学性能和疲劳性能残余应力也会提高工件的力学性能Kalsi [51-52]认为残余压应力可以有效地提高工件的耐磨性和疲劳寿命且随着深冷处理温度降低残余奥氏体向马氏体的转变就越充分残余压应力就越大[53]

原子间的结合力和原子的动能使得原子处在一个平衡的位置深冷处理转移了材料内金属原子的部分动能使材料内部的原子结合得更为紧密从而提高了金属的性能[54-55]

总结与展望

深冷处理在金属材料中的研究已经取得一定成果主要包括深冷处理工艺对材料性能的影响及其作用机理等经深冷处理后材料的耐磨性硬度微观组织和尺寸稳定性等都得到了改善满足了不同的需求而且深冷处理的研究也已经从黑色金属向有色金属发展

深冷处理在发展的过程中也出现了比较多的问题不同的深冷处理工艺对金属材料产生较大的影响深冷处理机理对于不同的金属材料需要新的理论支持而且目前深冷处理工艺应用与实践仍有较大的局限其原因在于深冷处理装备严重滞后理论研究和实践应用需要进一步补充和完善


钢材金属材料深冷处理技术研究进展

参考文献

[1] Koneshlou M, Meshinchi Asl K, Khomamizadeh F. Effect ofcryogenic treatment on microstructuremechanical and wearbehaviors of AISI H13 hotwork tool steel [J]Cryogenics201151(1)55-61. 

[2] Molinari A, Pellizzari M, Gialanella S, et alEffect of deepcryogenic treatment on the mechanical properties of tool steels[J]Journal of Materials Processing Technology2001118(1)350-355

[3] 刘勇于文平张金东深冷处理对 T8A 钢组织和力学性能的影响[J]材料热处理学报201031(10)48-52

[44] 张兴元徐宏兴李智超60Si2Mn 冷冲模具钢强韧化工艺对比研究[J]热加工工艺200534(3)40-43

[55] 张茂勋何福善郭帅深冷处理技术在铸造合金材料中的应用及进展[J]特种铸造及有色合金200424(4)8-10

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