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金属深冷技术原理和应用
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前言:对于钢铁材料,零件淬火后,马氏体组织中存在存在一定量的残余奥氏体,尤其是马氏体转变温度较低的材料,残余奥氏体可能多达10%以上。残余奥氏体是一种不稳定组织,可以逐步转变成马氏体。奥氏体转变成马氏体体积会变大,造成零件尺寸的变化。同时,奥氏体的机械性能也不稳定。深冷处理就是将淬火后工件置入较低温度的环境中(传统的方法比如5℃以下的冷水中,现代工业方法则利用-196℃液氮中),促进残余奥氏体向马氏体的转变,以提高材料性能。一般比较重要的零件才会采用深冷工艺,比如精密量具,精密轴承等。

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深冷定义及原理
深冷处理就是利用液氮(-196℃)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,从而达到改善金属材料的性能的目的。深冷处理技术是近年来兴起的一种改善金属工件性能的新工艺技术。对于金属材料来说,原子之间具有正常的分布和吸引力,但是原子运动的动能总是在一定程度上打破原子正常分布和吸引力,要消除这种原子动能的不利影响,深冷处理是目前zui有效、zui经济的技术手段。

深冷处理过程中,被处理材料置于特定的、可控的低温环境中,材料的微观组织结构发生变化,从而提高或改善材料性能。关于深冷处理的机理问题,现在还处于一个研究初期阶段,对材料内部变化机理的认识还不够完善。相对来说有关黑色金属(钢铁) 的深冷机理已经研究得较为深入、透彻,各国研究者已达成一些共识。

对于黑色金属来说,其深冷处理的机理主要由以下几点:

①残余奥氏体转变成马氏体提高了材料的硬度和强度,同时改善了材料的尺寸稳定性;

②从马氏体基体中析出超细碳化物颗粒,提高了材料的耐磨性,从而提高使用寿命;

③马氏体板条碎化,使组织得到细化,从而引起工件的强韧化;

④降低材料内部的残余应力,从而提高材料的尺寸稳定性。
在深冷处理过程中,大量的残留奥氏体转变为马氏体,特别是过饱和的亚稳定马氏体在从-196℃至室温过程中会降低过饱和度,析出弥散、尺寸仅为20~60Å并与基体保持共格关系的超微细碳化物,可以使马氏体晶格畸变减少,微观应力降低,而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动,从而强化基体组织。同时由于超微细碳化物颗粒析出,均匀分布在马氏体基体上,减弱了晶界脆化作用,而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度,又发挥了晶界强化作用,从而改善了高速钢的性能,使硬度、冲击韧性和耐磨性都显著提高。
深冷技术的改进效果不限于工件表面,它渗入工件内部,体现的是整体效应,所以可对工件进行重磨,反复使用,而且对工件还有减少淬火应力和增强尺寸稳定性作用。

二、深冷技术的发展历史
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,A II.LYJIREB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到-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,D-2,A-2,M-2和O-1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。

对金属材料进行深冷处理可以明显改善其组织结构,提高机械物理性能,其深冷处理效果是通过以下几个方面达到的。
(1)、残余奥氏体转变为马氏体
残余奥氏体,是金属材料在淬火后留下的,含量一般在13~45%之间。众所周知,残余奥氏体是不稳定结构,限制了材料硬度和耐磨性,在受冷受热时会分解转化,致使模具的体积发生膨胀与变形,几何尺寸不稳定。
常规的淬火处理,冷至室温后,会留下相当数量的残余奥氏体,通过深冷处理,可以使残余奥氏体基本转变为马氏体。根据相关部门检测,以深冷处理后残余奥氏体仅存1-5%,其转化率达到90~100%,对于含碳量<0.3~0.4的钢种,深冷处理就可以实现残余奥氏体的转变。

(2)细化组织结构
金属材料经深冷处理后,不仅引起残余奥氏体分解,而且马氏体部分分解,转变为碳化物,随后以位错形式析出,并形成超显微碳化物,发生显微塑性变形。通过电镜观察发现,板条马氏体碎化即基体组织细化,碳化物细化。这就是说具有同素异物转变的金属材料,在深冷处理过程中,不仅有残余奥氏体转变,而且还有微细碳化物析出及组织细化过程。
我们选用生产厂家使用zui广泛的W6Mo5Cr5V2高速工具钢刀具进行研究,热处理+深冷处理与热处理比较,刀具的残余奥氏体从11%减少到3%;同时对刀具的微观组织结构分析,同样观察到其组织细化,并有碳化物析出,刀具的寿命提高1~3倍。

未深冷处理的刀具摩擦面凹凸的厉害,重研磨带大;而经深冷处理垢刀具摩擦面凹凸变化不大,重研磨带小。由此可见,工具钢进行深冷处理后,组织变得均匀、微细和致密,使工具钢的坚韧性和耐磨性和到显著提高。

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