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本帖最后由 deab 于 2012-6-30 22:19 编辑
张劲松, 袁子洲, 刘秀芝, 李士燕，甘肃工业大学学报，2003,29,32
20 世纪二三十年代以来,伴随着材料科学的迅速发展,热处理原理和工艺日趋成熟. 常规的热处理工艺对金属的强度和韧性很难同时有较大地提高,
只是以牺牲一方面性能来换取另一方面的性能(细晶强化除外) . 但很多的情况下,现有材料的强度和韧性尤其是耐磨性不是十分的理想. 金属深冷
处理工艺的提出,让人们看到了一种提高金属强度和韧性的独特热处理方法.
1 金属深冷处理的发展历史
所谓冷处理,一般将0～ - 100 ℃的冷处理定义为普通冷处理, - 130 ℃以下称为深冷处理,它是最新的强韧化处理工艺之一.
在20 世纪初,国外就开始研究用过度冷却的方法改变钢的组织和性能. 在1938 年,Α. П. ГУЛЯЕΒ首先提出高速工具钢深冷处理的建议,并在理论
上提出了冷至- 80 ℃的理论根据. 美国在20 世纪50年代已经开始深冷处理对金属性能影响的研究. 60年代末,美国路易斯安娜理工大学机械工程系
F.Barron 教授对5 种合金钢52100 ,D22 ,A22 ,M22 和O21进行了细致地研究. 通过对比深冷处理与未深冷处理的试样发现,深冷处理后的硬度虽然
增加有限,但其磨粒磨损抗力却有显著提高. 如经- 84 ℃处理后的试样耐磨性比未处理的要提高2. 0～6. 6 倍,经-190 ℃处理的试样耐磨性比- 84 ℃
处理的还要提高2. 6 倍. 实际生产中也证实了F. Barron 的研究结论的正确性. Dayton 公司在其生产报告中明确指出:采用- 310°F 处理的冲头寿命
可提高一倍. 美国材料开发有限公司于1966 年10 月,开始利用深冷处理方法来处理承受磨损的工具和零件. 70 年代美国休斯航空公司、通用动力公
司、通用汽车公司、Steelcase及日本Cannon 等公司均使用深冷处理技术,特别是Metarials Improvement Inc ,则成为专门从事深冷处理的专业
性公司. 前苏联也是较早采用深冷处理技术来提高高速钢刀具使用寿命的国家.
20 世纪80 年代,澳大利亚、罗马尼亚、德国、新加坡、英国等国家的学者对深冷处理的工艺、机理都做了一定的研究,研究结果普遍认为深冷处理
可使材料的性能明显提高 .
2 深冷处理后金属性能的研究
已有的深冷处理文献资料显示,对深冷处理后金属性能的研究较多,机理研究较少,且研究表明深冷处理能提高金属的硬度、冲击韧度、红硬性、工件
的耐磨性和寿命. 但由于深冷处理一般是工件使用前附加的特殊热处理,因此应注意深冷处理后的金属性能变化.
2. 1 硬度和尺寸的影响
工件经深冷处理后硬度有一定的增加,这主要是深冷处理会使一部分残余奥氏体转变为针状马氏体,硬度增加的多少由深冷处理前的残余奥氏体的数量
决定. 但由于马氏体与奥氏体的比容不同,若深冷处理前的残余奥氏体数量过多,会在随后的深冷处理过程中有大量的残余奥氏体向马氏体转变,而使
工件有较大的尺寸变形,如直径为10 mm 的工件涨量为2μm. 因此,必须通过深冷处理前的淬火温度来控制深冷处理前的残余奥氏体量. 王伊卿等人
也指出,深冷处理前适量的残余奥氏体的存在对控制模具的尺寸是有利的 .
2. 2 冲击韧度
很多的文献表明 ,深冷处理能提高金属的冲击韧度,在这一点上,国内外有着相同的观点. 但不同的深冷处理工艺对工件的冲击韧度有不同的提高. 一般地,
工件经过不同时间的深冷处理后,冲击韧度会有不同的提高,当时间达到一定的长度时,冲击韧度不再有明显的提高. 林晓娉等人认为采用多次短时间的
深冷处理使高速钢的冲击韧性有较大的提高 .
2. 3 红硬性
林晓娉等人提到深冷处理对红硬性的影响,和对冲击韧度的影响一样,认为高速钢W18Cr4V 或W6Mo5Cr4V2 采用多次短时间的深冷处理会使金属的红
硬性有较大的提高[10 ,16 ] ,这将使金属材料得到更大的使用范围. 这是因为在深冷后由低温向室温回升过程中发生的马氏体分解和超微细碳化物析出
组织结构转变引起工件红硬性的提高.
2. 4 对耐磨性和工件寿命的影响
目前深冷处理应用最广泛、最成熟的就是在工模具钢、硬质合金刀具和高速钢刀具上. 虽然模具及刀具在深冷处理后的硬度上升不大,但从实际上机实验
结果来看,耐磨性及寿命有很大上升 . 甘肃工业大学工模具研究所用深冷处理方法处理了一批收割机刀片,在同等条件下经大量农场大田收割证明,收割机
刀片的寿命高达333 hm2 ,是未经深冷刀片的3 倍多,比同类型的德国进口刀片高出93 hm2 .
3 深冷处理机理的研究
目前国内外在对深冷处理的研究上主要是着重于对其的应用,美国、前苏联、日本和德国等很早就将深冷技术运用于生产,但对其提高工件性能的机理研究
较少且不全面.
3. 1 国外的研究
对深冷处理机理的研究主要集中在工具钢上,70 年代日本大和久重雄工学博士曾提出3 点权威性看法 :1) 深冷处理可使残余奥氏体转化为马氏体;2) 晶粒细化;
3) 有细小弥散的碳化物析出.当时,大和久重雄博士提出的机理不很全面也不明确,如深冷处理过程中,马氏体是变温形成还是等温形成,细小弥散碳化物的尺寸、
碳化物的析出地点、碳化物的晶体结构以及深冷处理对晶体中微观缺陷的影响等均未加明示.美国路易斯安娜理工大学F.Barron 教授的研究也认为深冷处理
不仅可以使残余奥氏体转化为马氏体,而且还可使马氏体析出弥散碳化物,但仍没有表明所析出碳化物的尺寸、类型和准确的析出地点.
3. 2 国内研究概况
国内关于深冷处理研究的文献报道是从80 年代后开始的,其主要内容集中在高碳高合金钢的深冷处理工艺方面,甘肃工业大学、河北工学院和中南工业大学等
是国内较早开展金属深冷处理研究的高校. 但对深冷处理机理方面的研究仍未突破文献的结论.
4 深冷处理研究的最新进展
近十多年以来特别是近两年来,国内以甘肃工业大学、河北工学院和中南工业大学等高校为首的科研机构一直致力于对工具钢、模具钢、刃具钢、量具钢以及
有色金属的深冷处理的工艺及机理研究,并取得了一定的成果,部分成果已经应用于生产,还有一些成果正处于中试阶段.如甘肃工业大学对高速钢W18Cr4V 深冷
后发现,不仅合金的强韧性、耐磨性有所提高,用其制造的工模具使用寿命可以提高2～5 倍,在解释这一现象时,不仅仅局限于残余奥氏体向马氏体转变、晶粒细化、
析出弥散的碳化物等传统的机理,而是提出了自己全新的、更加详细的解释 .
1) 模具材料在多次冲击条件下的韧性与残余奥氏体的形态及分布有关,刀具材料的强度与红硬性与马氏体脱溶微细碳化物有关.
2) 通过TEM 观察证明,深冷处理有弥散碳化物分布在马氏体的孪晶带上,其直径在3～10 nm ,该碳化物的晶体结构为M6C 型.
3) 通过X衍射晶体结构分析发现,深冷处理后马氏体晶格的轴比降低,这也证明马氏体发生了碳化物脱溶分解.
4) 借助自行设计的低温动态组织计算机处理系统观察到金属材料在深冷过程中残余奥氏体向马氏体原位动态组织转变,并且残余奥氏体向马氏体转变时存在孕育时间,
转变首先发生在试块的边缘附近,然后向内部深入发展. 在- 196 ℃有明显的等温马氏体转变. 同时还发现深冷后的激烈升温阶段也发生少量的马氏体转变,但转变速度
较慢,转变量较少.
5) 通过正电子湮没试验发现深冷处理后点缺陷(空位) 密度有所变化. 黑色金属在深冷处理后的点缺陷(空位) 密度有所上升,有色金属在深冷处理后的点缺陷(空位) 密度有
所下降. 点缺陷密度的变化对金属材料的性能有很多的影响,如有色金属铜合金经过深冷处理的空位密度下降,将使材料的电阻率有所下降,强度有所上升,密度增加等.
5 展望
深冷处理技术在国外已经得到相当广泛的应用,它是能同时提高材料强度和韧性的一种热处理工艺. 国内已有少数工厂运用了这项技术,如大同齿轮厂、南京依维柯
公司齿轮箱厂等. 但不同的材料有不同的深冷处理工艺,深冷处理后性能有不同的改变. 随着金属深冷处理技术的不断深入,对其机理的研究也会更加全面. 这将推动
深冷技术广泛的应用于我国的材料、机械等行业. |
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发表于 2012-6-30 21:06
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