深冷處理的優(yōu)點及新進(jìn)展

日期：2025-09-05 00:26

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摘要： 深冷處理的優(yōu)點及新進(jìn)展 <o:p></o:p>   所謂冷處理，一般將0～100℃的冷處理定義為普通冷處理，將-130℃以下的處理稱為深冷處理，它是*新的強韌化處理工藝之一。深冷處理按照工藝可分為深冷急熱法和冷熱循環(huán)法兩種。冷熱循環(huán)穩(wěn)定化處理是先將零件冷卻到—40℃～—90℃或者更底的溫度，保溫一定時間，然后再把零件加熱到不致降低零件機械性能的某一溫度（通常為80℃～190℃），保溫一段時間并重復(fù)多次這種循環(huán)過程。“冷處理急熱法”是日本大和久重雄提出的方法，該方法是將工、模具淬火后，不立即進(jìn)行冷處理，先水浴后再置于處理槽當(dāng)中于—80℃或—180℃下處理。即—80℃為普通冷處理；—180℃為深冷處理，保溫時間按每英寸體積為1小時計算。保溫后取出放入熱水中快速加熱。<o:p></o:p>   在美國、前蘇聯(lián)、日本等國，不但把深冷技術(shù)用于高速鋼、軸承鋼、模具鋼，以提高材料的耐磨性和強韌性，進(jìn)而提高工件的整體使用壽命，同時還利用深冷技術(shù)對鋁合金、銅合金、硬質(zhì)合金、塑料、玻璃等進(jìn)行深冷改性。改善均勻性、穩(wěn)定尺寸、減小變形、提高使用壽命。<o:p></o:p> ⑵ 深冷處理機理<o:p></o:p>   鋼的淬火過程就是使鋼獲得馬氏體的過程，而淬火不能使鋼中奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊鸾M織，各種鋼材熱處理后都有部分奧氏體殘存，其殘存量隨鋼種及加熱溫度不同而變化，同時還有一定量的殘余應(yīng)力存在。它們存在對工件的使用性能會產(chǎn)生或多或少的影響，深冷處理能使鋼中奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并能改善和消除鋼中殘余應(yīng)力的分布，析出更多的細(xì)小碳化物，從而起到彌散強化的作用，對無相變材料能使晶界發(fā)生畸變，從而增強基體性能。<o:p></o:p>   ⑶ 深冷處理的優(yōu)點<o:p></o:p>   深冷處理的優(yōu)點是因γR的馬氏體化使得工件硬度升高，從而提高了工件的耐蝕磨碎性能。同時，防止時效變形，帕倫博士的研究表明，經(jīng)深冷處理的工件具有下述優(yōu)點：<o:p></o:p>   ① γR在實質(zhì)上已近乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)?lt;/span>M；<o:p></o:p> ② 與未經(jīng)深冷處理的工件或經(jīng)普通冷處理之工件相比耐磨性得以提高；<o:p></o:p> ③ 進(jìn)行了組織的細(xì)化和細(xì)小碳化物的析出過程；<o:p></o:p> ④ 硬度與CSZ處理工件幾乎相同。<o:p></o:p>   ⑷ 深冷處理注意事項<o:p></o:p>   ① 不得將淬火時未冷至室溫的工件直接放入深冷裝置，以免開裂。<o:p></o:p> ② 冷至室溫的工件應(yīng)盡快放入深冷裝置，以免使奧氏體穩(wěn)定化，影響處理效果。<o:p></o:p> ③ 一般鋼深冷處理前不應(yīng)回火，高速鋼可在回火一次后進(jìn)行深冷處理。<o:p></o:p>   深冷處理研究的*新進(jìn)展<o:p></o:p>   近十多年以來特別是近兩年來，國內(nèi)以甘肅理工大學(xué)、河北工學(xué)院和中南工業(yè)大學(xué)等高校為首的科研機構(gòu)一直致力于對工具鋼、模具鋼、刃具鋼、量具鋼以及有色金屬的深冷處理的工藝及機理研究，并取得了一定的成果，部分成果已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，還有一些成果處于中試階段。<o:p></o:p>   如甘肅工業(yè)大學(xué)對高速鋼W18Cr4V深冷后發(fā)現(xiàn)，不僅合金的強韌性、耐磨性有所提高，用其制造的工模具使用壽命可以提高2～5倍，在解釋這一現(xiàn)象時，不僅僅局限于殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變、晶粒細(xì)化、析出彌散的碳化物等傳統(tǒng)的機理，而是提出了自己全新的、更加詳細(xì)的解釋。<o:p></o:p>   ①模具材料在多次沖擊條件下的韌性與殘余奧氏體的形態(tài)及分布有關(guān)，刀具材料的強度與紅硬性與馬氏體脫溶微細(xì)碳花物有關(guān)。<o:p></o:p>   ②通過TEM觀察證明，深冷處理有彌散碳化物分布在馬氏體的攣晶帶上，其直徑在3～10nm，該碳化物的晶體結(jié)構(gòu)為M6C型。<o:p></o:p>   ③通過X衍射晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，深冷處理后馬氏體晶格的軸比降低，這也證明了馬氏體發(fā)生了碳化物脫溶分解。<o:p></o:p> ④借助自行設(shè)計的低溫動態(tài)組織計算機處理系統(tǒng)觀察到金屬材料在深冷處理過程中殘余奧氏體向馬氏體原位動態(tài)組織轉(zhuǎn)變，并且殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時存在孕育時間，轉(zhuǎn)變首先發(fā)生在試塊的邊緣附近，然后向內(nèi)部深處發(fā)展。在-196℃有明顯的等溫馬氏體轉(zhuǎn)變。同時還發(fā)現(xiàn)深冷處理后的激烈升溫階段也發(fā)生少量的馬氏體轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變速度較慢，轉(zhuǎn)變量較少。<o:p></o:p>   ⑤通過正電子湮沒試驗發(fā)現(xiàn)深冷處理后點缺陷密度有所變化。黑色金屬在深冷處理后的點缺陷密度有所上升，有色金屬在深冷處理后的點缺陷密度有所下降。點缺陷密度的變化對金屬材料的性能有很多的影響，如有色金屬銅合金經(jīng)過深冷處理的空位密度下降，將使材料的電阻率有所下降，強度有所上升，密度增加等<o:p></o:p>

所謂冷處理，一般將0～100℃的冷處理定義為普通冷處理，將-130℃以下的處理稱為深冷處理，它是*新的強韌化處理工藝之一。深冷處理按照工藝可分為深冷急熱法和冷熱循環(huán)法兩種。冷熱循環(huán)穩(wěn)定化處理是先將零件冷卻到—40℃～—90℃或者更底的溫度，保溫一定時間，然后再把零件加熱到不致降低零件機械性能的某一溫度（通常為80℃～190℃），保溫一段時間并重復(fù)多次這種循環(huán)過程。“冷處理急熱法”是日本大和久重雄提出的方法，該方法是將工、模具淬火后，不立即進(jìn)行冷處理，先水浴后再置于處理槽當(dāng)中于—80℃或—180℃下處理。即—80℃為普通冷處理；—180℃為深冷處理，保溫時間按每英寸體積為1小時計算。保溫后取出放入熱水中快速加熱。

在美國、前蘇聯(lián)、日本等國，不但把深冷技術(shù)用于高速鋼、軸承鋼、模具鋼，以提高材料的耐磨性和強韌性，進(jìn)而提高工件的整體使用壽命，同時還利用深冷技術(shù)對鋁合金、銅合金、硬質(zhì)合金、塑料、玻璃等進(jìn)行深冷改性。改善均勻性、穩(wěn)定尺寸、減小變形、提高使用壽命。

⑵ 深冷處理機理

鋼的淬火過程就是使鋼獲得馬氏體的過程，而淬火不能使鋼中奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊鸾M織，各種鋼材熱處理后都有部分奧氏體殘存，其殘存量隨鋼種及加熱溫度不同而變化，同時還有一定量的殘余應(yīng)力存在。它們存在對工件的使用性能會產(chǎn)生或多或少的影響，深冷處理能使鋼中奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并能改善和消除鋼中殘余應(yīng)力的分布，析出更多的細(xì)小碳化物，從而起到彌散強化的作用，對無相變材料能使晶界發(fā)生畸變，從而增強基體性能。

⑶ 深冷處理的優(yōu)點

深冷處理的優(yōu)點是因γR的馬氏體化使得工件硬度升高，從而提高了工件的耐蝕磨碎性能。同時，防止時效變形，帕倫博士的研究表明，經(jīng)深冷處理的工件具有下述優(yōu)點：

① γR在實質(zhì)上已近乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>M；

② 與未經(jīng)深冷處理的工件或經(jīng)普通冷處理之工件相比耐磨性得以提高；

③ 進(jìn)行了組織的細(xì)化和細(xì)小碳化物的析出過程；

④ 硬度與CSZ處理工件幾乎相同。

⑷ 深冷處理注意事項

① 不得將淬火時未冷至室溫的工件直接放入深冷裝置，以免開裂。

② 冷至室溫的工件應(yīng)盡快放入深冷裝置，以免使奧氏體穩(wěn)定化，影響處理效果。

③ 一般鋼深冷處理前不應(yīng)回火，高速鋼可在回火一次后進(jìn)行深冷處理。

深冷處理研究的*新進(jìn)展

近十多年以來特別是近兩年來，國內(nèi)以甘肅理工大學(xué)、河北工學(xué)院和中南工業(yè)大學(xué)等高校為首的科研機構(gòu)一直致力于對工具鋼、模具鋼、刃具鋼、量具鋼以及有色金屬的深冷處理的工藝及機理研究，并取得了一定的成果，部分成果已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，還有一些成果處于中試階段。

如甘肅工業(yè)大學(xué)對高速鋼W18Cr4V深冷后發(fā)現(xiàn)，不僅合金的強韌性、耐磨性有所提高，用其制造的工模具使用壽命可以提高2～5倍，在解釋這一現(xiàn)象時，不僅僅局限于殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變、晶粒細(xì)化、析出彌散的碳化物等傳統(tǒng)的機理，而是提出了自己全新的、更加詳細(xì)的解釋。

①模具材料在多次沖擊條件下的韌性與殘余奧氏體的形態(tài)及分布有關(guān)，刀具材料的強度與紅硬性與馬氏體脫溶微細(xì)碳花物有關(guān)。

②通過TEM觀察證明，深冷處理有彌散碳化物分布在馬氏體的攣晶帶上，其直徑在3～10nm，該碳化物的晶體結(jié)構(gòu)為M6C型。

③通過X衍射晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，深冷處理后馬氏體晶格的軸比降低，這也證明了馬氏體發(fā)生了碳化物脫溶分解。

④借助自行設(shè)計的低溫動態(tài)組織計算機處理系統(tǒng)觀察到金屬材料在深冷處理過程中殘余奧氏體向馬氏體原位動態(tài)組織轉(zhuǎn)變，并且殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時存在孕育時間，轉(zhuǎn)變首先發(fā)生在試塊的邊緣附近，然后向內(nèi)部深處發(fā)展。在-196℃有明顯的等溫馬氏體轉(zhuǎn)變。同時還發(fā)現(xiàn)深冷處理后的激烈升溫階段也發(fā)生少量的馬氏體轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變速度較慢，轉(zhuǎn)變量較少。

⑤通過正電子湮沒試驗發(fā)現(xiàn)深冷處理后點缺陷密度有所變化。黑色金屬在深冷處理后的點缺陷密度有所上升，有色金屬在深冷處理后的點缺陷密度有所下降。點缺陷密度的變化對金屬材料的性能有很多的影響，如有色金屬銅合金經(jīng)過深冷處理的空位密度下降，將使材料的電阻率有所下降，強度有所上升，密度增加等

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