（材料学专业论文）铝合金深冷处理研究.pdf

摘要 本论文初步研究了深冷处理对于l 一8 系的1 2 嵇索用 变形铝台金性能和组织的影响。研究结果表明；深冷处理提 高了1 2 3 0 、2 0 1 7 、2 0 2 4 、3 0 0 3 、4 0 3 2 、7 0 7 5 和8 0 0 9 合金的 室溢强度，降低了其塑性：面对于5 2 5 4 和2 6 t 8 合佥深冷处 理前后的室温力学性能没有明显变化；6 0 6 3 台金深冷处理后 的室温强度性能有所下降，丽延伸率有所提高。 对上述常用铝台金深冷处理前后x r d 衍射霉谱的研 究表明，深冷处理可以使得这些合金的某些衍射晶蕊上衍射 峰强度发生变化。为了进一步研究深冷处理对有关晶谣转动 的影嚷，论文还研究了商纯电容铝箔深冷处理前后的箍密度 变化。 此外论文还研究了二次深冷处理对于1 2 3 0 合金、7 0 7 5 合佥和8 0 0 9 台金性能的影响以及深冷处理对8 0 0 9 合金高瀑 性能的影响。实验结果表明，二次深冷处理后7 0 7 5 合金和8 0 0 9 台金的室温强度性能有进一步提高。 最后，文章对镊会金潺冷处理枫理进行了视步讨论。 关键词t深冷处理铝合金 晶瑶转动室温力学性能 t h ee f f e c to fc r y o g e n i ct r e a t m e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft w e l v ek i n d so fc o m m e r c i a la 1a l l o y sh a db e e ni n v e s t i g a t e d p r e l i m i n a r yi nt h i sp a p e r t h er e s u l ts h o wt h a tc r y o g e n i ct r e a t m e n tcan i m p r o v et h er o o mt e m p e r a t u r es t r e n g t h o f1 2 3 0 、2 0 1 7 、2 0 2 4 、3 0 0 3 、 4 0 3 2 、7 0 7 5a n d8 0 0 9a l l o yb u tr e d u c et h ed u c t i l i t yo ft h e s ea l l o y s ； b u tt h e r ei sn o to b v i o u sc h a n g ei n5 2 5 4a n d2 6 1 8a l l o y ；t h er o o m t e m p e r a t u r es t r e n g t ho f6 0 6 3a l l o yh a dd e c r e a s e db u tt h ed u c t i l i t y i m p r o v e d t h e mc r y s t a l l o g r a m sb e f o r ea n da f t e rc r y o g e n i ct r e a t m e n to f t h e s ea l l o y sh a db e e ns t u d i e d i tr e v e a l st h a tt h ec r y o g e n i ct r e a t m e n t c a l lc h a n g et h ed i f f r a c t i o np e a ki n t e n s i t yo fs ( 摊ec r y s t a lp l a n e si nt h e s e a l l o y s i na d d i t i o n 。w es t u d i e dt h ec h a n g eo ft h ec r y s t a lp l a n ed e n s i t y o ft h eh i g hp u r i t yc a p a c i t o ra if o il ，w h i c hh a db e e nd e a l tw i t hb y c r y o g e n i ct r e a t m e n t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fc r y o g e n i c t r e a t m e n to nt h et u r no fg r a i na ts o m er e l a t e dc r y s t a lp l a n e ， f i n a i l y ，t h ee f f e c t o f c r y o g e n i c t r e a t m e n to i lt h ee l a t e d t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s o f8 0 0 9a l l o ya t3 5 0 。ca n dt h ee f f e c to ft w i c e e r y o g e n ict r e a t m e n lo nt h ep r o p e r t ie so f1 2 3 0 、7 0 7 5a n d8 0 0 9a l l o yh a d b e e n i n v e s t i g a t e di nt h isp a p e r m e c h a n is i l lo fc r y o g e n i ct r e a t m e n to fa 1a ll o y sh a sb e e nd i s c u s s e d i nt h ep a p e r 旺yw o r d c r y o g e n i ct r e a t m e n t a la l l o y s r o ( n nt e m p e r a t u r ep r o p e r t i e st h et u r no fc r y s t a lp l a n e 中南工业大学硕士论文 第一章文献综述 深冷处理，又称超低温处理( s s z ) 是指在- 13 0 以下对 材料进行处理的方法。它是常规冷处理( c s z ) 的一种延伸。 其英文名称为c r y o g e n i c t r e a t m e n t ，t 业上的商标为c f y l e “ c r y o t o u g h 、e l l e n i t e 、 p r e m o b o n d 等。深冷一般用渡氮 作为制冷莉，不仅可以显著提高黑色金属、有色金属、金属 合金、碳化物、塑料( 包括尼龙，泰弗龙) 、硅酸盐等材料的 力学性能和使用寿命，稳定尺寸，改善均匀性，减小变形， 而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低。具有可 观的经济效蕴和市场前景u - 5 l 。 l 发展概况 早在一百多年前，瑞士钟表商就将钟表的一些关键零件 埋到寒冷的阿尔卑斯雪山中以提高零件的耐磨性和可靠 性而一些有经验的工具制造商把工具钢放到冷冻箱内数月 储存，从而提高工具钢的使用寿命( 6 3 。 但直到本世纪中叶深 冷技术一壹未在工业中褥到推广。19 6 5 年美国首次将深冷处 理实用化以后，涤冷技术才开始引起全世界的关注。随后在 美国、前苏联、日本等各国学者都对其进行了较为厂泛和深 入的研究 7 - 8 。1 9 7 2 年美国l o u s i a n a 技术大学的b a r t o n 博士 对12 种王具锅，3 种不锈钢和其他4 种钢材分别进行r1 8 9 k 和7 7 k 的深冷处理和冷处理对比实验，发现两种处理后钢材 的硬度变化不大，但深冷处理比冷处理工具钢的耐磨性提高 2 6 倍，而其他钢种变化不大【2 93 。1 9 7 7 年前苏联创造发 明委员会缎织全国3 5 个工业部门的2 0 4 家工厂，对2 2 种材 料制成的2 3 种：= i ：其进行了深冷处理，有6 8 的工厂提高工具 寿命2 倍以上其中拖拉机厂用的铣刀的使用寿命提高3 倍 以上，随后制定了国家标准ro c t l7 3 5 2 仪表，高精度金属零 件用冷处理方法使尺寸稳定典型工艺规程，仅1 9 7 8 1 9 7 9 年 前苏联因为将该技术用于刀具的生产就节约5 0 多万卢布n 。 中南工9 p 大学碰士论文 日本胜田工厂的八重坚在1 9 7 8 年发表了深冷处理对s k d l l 制 的冷轧钢板用轧辊的研究结果。实验结果表明，深冷处理可 以提高轧辊的耐磨仕2 3 倍n “。进入八十年代。包括中国在 内的世界各国对深冷技术的研究更加深入，美国成立r 若干 个专业化的深冷处理公司，如3 xi n s t r u l l l e l l t s t o l l in g ， y a t e r i a li m p r o v e l t l e n t 和a m e c r y 等，并分别对刀具、磨具、 齿轮、轴承、特殊弹簧、硬质合金、高速钢、钴基合金等金 属材料进行深冷处理。实验结果表明，深冷处理对于提高上 述材料的使用寿命有显著的作用，一般可以提高5 1 0 倍不等 1 。t 9 8 7 年美国的g r a y 发起成立了国际深冷处理研究会。日 本的众多学者在八十年代对深冷处理进行r 广泛的研究。近 藤正男研究了深冷处理和马氏体相变的关系；大川雄史研究 了深冷处理对s k d 模具使用寿命和对s k d l l 翎耐磨性的影响。 山中正喜他研究了深冷处理对工具钢( s k 3 、s k d l l 、s k s lj 、 s k d 5 1 ) 耐磨性的影响：岸上慎次郎则对不锈钢的深冷处理进 行了研究h 27 一”】。英国b o c 公司的r ，f r e y 进行了深冷处理改 善钻头和粉末冶金零件的力学性能的研究，结果表明经深冷 处理后钻头的使用寿命可以提高5 倍，而粉末冶金件的力学 性能也得到了明显的改善 1 “。在中国，8 0 年代中期是先由 阜新矿业学院的李智超，杨月君、董允等人开始进行研究h 5 。 ” ，从8 0 年代到9 0 年代他们较为系统的研究了深冷处理对 w 18 c r 4 v 高速钢、9 s i c r 冷模具钢、t 8 、2 5 m n v 、c r 2 w 8 v 等工 具钢、2 0 号渗碳钢、y g l 3 c 硬质台金、h 6 2 黄铜等性能的影响 并对工具钢深冷处理的工艺进行较深入的研究n7 1 “，随后甘 肃工业大学z “、哈尔滨工业大学2 “、华东工学院2 9 、河北 工学院1 上海工业大学 、东北大学5 等高校和广西玉林 油嘴油泵厂“ ，北京内燃机厂，机械委机电研究所l “1 等 单位也开始了研究，不但取得令人较为满意的结果还创造了 一定的经济效益。而近几年中国科学院金属所”、西安交 通大学 “ 、大连理工大学8 、合肥工业大学m 、四川联大3 “、 上海工程技术大学例、天津硬质合金所“、辽宁工学院”、 2 中南工业大学硕士论文 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所“、中南工业大学 等学校和科研院所也加入了深冷处理研究的行列、深冷处理 方向也从着重黑色金属钢铁材斟的研究扩展到有色合属( 铝 合金，铜合金) 、硬质含金以及复合材料等方面，并取得一系 列进展。 2 深冷处理技术简介 2 1 深冷处理的概念 在工业上的冷处理根据零下温度的高低分为两类( 1 ) 通 常采用千冰作为制冷剂，最低温度为1 0 0 的冷处理称之为普 通冷处理：( 2 ) 采用液氮作为制冷剂，在一l3 0 下处理称为 深冷处理“。 2 2 深冷处理工艺 通常深冷处理以液氮( 一1 9 6 ) 为制冷剂。根据使用液氮 的方法不同。又可以分为液体法和气体法“。图卜a 为 液体法示意圈，图l 喃为气体法的示意图。液体法的处理温 度可达一1 5 0 ，但具有热冲击性，容易造成某些材料的低温脆 性断裂。而气体法的处理温度可以达到一19 6 ，由于可以克 服热冲击的缺点，被普遍采用。气体深冷法又称做千式深冷 法。不过也有学者将离速钢工件从高温直接淬入液氮中，认 为不会产生快速冷却( 淬入液氮的冷速慢于淬入油中的冷 速) ，西而不会引起开裂h ”。 支 氰供给 ( b ) 气体浇嘎射鬣氰 闼n 凰l深冷处理方法示意密 氰供给 中南工业大学硕士论文 关于潦冷过程中的升降温速度问题： 有学者采用不加控制的急速快冷法 4 a3 和深冷急热法。 如在前苏联有一种曾获专利的方法一4 冲击泫”，是将被处理 的工具直接快速的放入液氮气体中，深冷到所需的温度后保 温5 3 0 m i n ，然后取出，放在室湓下，待被处理工具的温度 回复到室温后，再在2 0 0 一5 0 0 的油中回火1 h 。用该方法处 理后的高速钢刀其，使用寿命明湿提高。日本的“冷处理急热 法”如图2 所示3 1 ，该方法的要点是：被处理零件淬火后不 马匕进行冷处理，先水浴后再放入处理楷中，在一8 0 或一1 8 0 下处理，保温时间按l i n 3 体积l h 来计算，保温后取出放入 水中或热水浴中。还有一些学者认为，应该严格控制深冷处 理时的升、降温速度。因为从钢铁的深冷过程中m 。点到m ，点 之问冷却速度慢，残余奥氏体会多来考虑，冷却速度希望快， 但太快会造成被处理零件各部分冷却温度不同步，出现外表 冷却快，内部冷却慢，增加，零件内外部的温差，使马氏体 的转变不能同步进行，产生体积差和内应力，使塑性很差的 的零件产生变形和裂纹。文献 2 4 、 4 9 的作者采用了慢速 升降温的方式。文献 2 3 】、 5 0 的作者认为慢速比快速效果 好。而文献 8 的作者则认为高于- 5 0 时的冷却速度可以不予 惩椭 翰撇理曰黼琳1 丽 深冷处理 图2深冷处理急熟法操作图解 4 中南= _ 业大学硕士论文 关于深冷处理的保淑时阔两题： 有的学者认为短时间即可。如在循环深冷处理工艺中铝 合金采用了4 0 m i n 的保温时间h “，而l d 铡的保温时间为 1 h h “。丽有人对d 一2 钢分射采用了3 h ，2 h ，1 5 h 的保温。发 现从经济的角度看1 5 2 b 即可 4 ”。另外一些学者刚认为长 时间要比短对润的效果更好，因为长时问停留可以使钢中的 残余奥氏体充分的转变和更有利于碳亿物粒子的形成。 2 3 和 2 4 的作者分别对硬质台金和高速钢采用了2 0 多小时的保 温工艺。文献 5 1 的作者认为在一1 9 6 温度下，至少要保温2 4 小时才可以形成较好的析出碳化物。还有部分学者认为保温 时间对工件性能影响不大。文献 4 2 的作者对g c r l5 分别采 用了0 5 、】- 0 、2 、4 、1 0 、2 0 h 保温，发现硬度、抗弯强度、 冲击韧性和深冷时问关系不大。实际上，恒温时间的长短， 主要应考虑被处理零件的导热牲的好坏、体积大小和冷透所 需的时闻以及残余奥氏体的陈他稳定情况等。对于奥氏体向 马氏体转交的速度不必考虑。 关于深冷处理的次数阔题： 一般认为重复处理的效果比单次的要好” 。如前苏联采 用的“热循环稳定处理法”。如表1 所示。它是r o c t l 7 5 3 5 7 7 标准对z l l 0 1 铸铝制造高精度零件的典型处理规范。有的学 者发现多次脉冲方式可以最大限度的改善材料的力学性能 油”，还有人发现三次深冷馒抗冲击磨损能力提高很多哺“。此 外另一种观点认为对于钢铁材料第二次深冷处理效果最佳。 这是因为第二次能重复第一次的变化。即进一步有细小的碳 亿物的析出和马氏体针( 片) 的细化以及残余奥氏体向马氏 体的转变，但多次后基本无变化，故没有太大的意义“。 关于回火工艺和深冷工艺顺序的问题： 回火后深冷还是回火前进行深冷现在还没有统一的观 点。有的学者使用前者 3 “3 4 ，但大多数则采用后者，还有很 多人对两者进行了对比研究。研究表明对于高速钢，两者都 能提高力学性能。有的研究结果 5 引认为前者对于提高力学性 中南工业大学硕士论文 能幅度较大，面有的研究 表明霜者对于提离切削性能有较 大好处。有的学者通过对比得出了效果好的两种工艺路线 s3 i ： 淬火+ 深冷十回火一次( 如北京首都机械厂对高速钢处理采用 的“d 、s ”处理方法) ，或淬火+ 回火一次+ 深冷+ 回火次。对 于2 0 4 钢，采用前者提高硬度、强度多一点，主要原因为回火 后会形成残余奥氏体稳定化( 2 “。对于t 8 ，3 c r 2 w 8 v 和9 s i c r 钢，采用前者，强度提高显著，但冲击韧性下降“2 15 “：采 用后者，t 8 的硬度韧性不变，抗弯强度提高，3 c r 2 w 8 v 硬度， 强度，韧性均提高 2 t ，9 s i c r 的硬度增加较小，但冲击韧性 提高近两倍”5 4 。此外从文献 1 9 的研究结果可以知道对于 受冲击载荷较大易弯曲的模具，应该采用后翥；而对于要求 高硬度、动载荷较小的模具，用前者较好。 表1z l l 0 1 热循环稳定处理法 规范的名称加热或冷却的保温时间冷却介质 温度( )( h ) 淬火5 3 0 一5 4 0 4 6 热水( 7 0 9 0 ) 时效 2 2 0 一2 3 5 3 4 空气 稳定化时效 2 0 0 2 2 03 6 空气 热循环稳定化 冷却一4 0 一一1 9 0 + o 5 一1 0 ” 空气或液体 处理加热8 0 一15 0 ”l 一2空气或液体 第三次循环用空气 稳定化时效1 1 5 一1 2 5 3 5 空气 注： 在液体中处理时保温时间用下限 木冷却加热循环连续熏复3 次 2 3 深冷处理的设备： 一般用于普通冷处理( 0 一1 0 0 ) 的设备，通常用干冰、 氨( 或甲醇) 和氟里昂援缩来制冷3 。也有用液氧制冷的 如19 6 5 年l | j 西机床厂研制的液氧冷处理设备，使用温度为 6 中南工业大学硕士论文 一8 0 一l o o ，最低可以达到一13 5 5 ”。甚至深冷处理有采用 压缩空气来致冷的，如杭州制氧机研究所的大型轧辊深冷设 备最低使用温度为一13 0 6 6 1 和航空航天部青云仪器厂的空气 涡轮深冷机等最低使用温度为一1 6 0 。最常用的深冷设备都采 用液氯致冷，它既经济又方便，一般用液氪深冷罐来存储液 氨。国内外众多学者和厂家研制了多种气体制冷的液氮深冷 设备，其中天津市热处理研究所于1 9 8 9 年研制的液氮汽化型 深冷箱， 温度调节范围为常温至一18 0 “，波氮消耗景为 每公斤工件0 7 公斤液氮。华中理工大学于9 3 年研制的嵌套 式深冷设备采用了双重致冷方式，即外层箱机械致冷至一1 8 一2 4 ， 内层箱采用波氨制冷至一15 0 ，温度偏差为3 以内”。中科院低温技术实验中心于9 8 年研制的深井式冷处 理装置，最低工作温度为一1 0 0 ，温度偏差为2 以内，升、 降温速率为6 4 0 h ，不仅可调节还可以自动控制哺“。此外 国内也有一些从国外引进的深冷处理设备，如宝钢双频淬火 车间引进的轧辊深冷装置，采用液氮制冷，最低温度可达一1 8 0 以下5 “。 在美国， 六、 七十年代出现了许多液氮气体法的深冷 设备，如b o c 公司豹e n e l l i t e 设备，可以均匀的冷却，精确 控温。且可以在一1 5 0 保温“。八十年代以来，出现了电 脑控制升降温和处理飞机机翼的大型液氮深冷设备，如 c o s m o s 公司的c i 系列带电脑控制的深冷设备 59 。采用固化 的程序严格控制升温降温速度，可实现一1 9 0 下的长时超低温 保温，工件处理周期为4 0 一7 2 h ，且温控十分精确。是现在世 界上最好的深冷处理设备之一( 本论文的所采用的深冷处理设 备就是湖南潮潭九星科技有限公司从美国进口的这种设备， 关于设备的详细情况见第二章实验方案和设备) 。表2 为各种 冷处理设备的主要性能对比表。 中南工业大学硕士论文 表2备种冷处理设备的主要性能对比7 1 冷处 对环境 冷处降温工件处理介质 种理最的污染 理温 速度受温每公 类低温程发度能能否差的斤钢 度否选控制应力的成来源 择本费 干冰有酒精 冷处 一7 8 或丙瓤不能 不缒大1 一i 5外购 理设排出 j 咒 备 氟里 昂复 一8 0 有不能不能较大 l 一1 5 外购 合冷 兀 冻机 空气 空气 涡轮一1 6 0无能能很小 o 1随时 深冷 4 兀无价 机 供应 一般 液氮一1 9 6无不能不能最大 1 5 2 外购 深冷 。 兀 设备 可调 液氮 一1 9 6 无能能很小 0 8 1外购 深冷 j 兀 设备 2 4 深冷处理的优点和效果 深冷处理的主要优点： $ 可以增强抗磨性； 可以提高强度和韧性： 幸可以提高抗腐蚀、耐磨性； 幸增强抗冲击性； 幸提高抗疲劳强度： g 中南工业大学硕士沦文 木经过一次深冷处理可以保证被处理材料始终具有被提高的 力学性能； 不引起外形尺寸变形； 可以应用于新旧工件 木可以消除内应力： 木提高材料稳定性： 枣处理成本低廉，由于延长刀具寿命可以降低换刀，修磨的时 间以节约生产成本； 唪可以取得与其他表面处理相同的表面效果( 如镀钛、铬、 泰弗龙) ； 术可以产生更加紧密的分子结构，从而在较大的接触面上降 低摩擦力、发热和磨损； 深冷处理可以处理的主要工件： $ 切削刀具 内燃机配件 枪管 $ 丝锥 聿传动轴 医疗器械 钻头丰曲轴 农机配件 丰铣刀 凸轮 乐器 可转位刀片 轴$ 不锈钢 幸冲模木齿轮 镍基合金 女级进模$ 链条车铜电极材料 剪刀书冲击杼幸陶瓷材料 幸刀片 挤压杆 铝基龠金 $ 滚剪刀 $ 尼龙泰弗龙丰粉末冶金零件 事一切需要在高硬度的同时又要有较高强度、韧性的金属构 件。 深冷处理产生的主要效果： 一， 延长零部件及工具使用寿命，提高耐者性能。 采用低温深冷处理工艺可以明显提高使用寿命的材料 有：高速钢，工具钢，模具钢，铜电极，粉末材料，硬质合 金，陶瓷等。表3 为美国部分公司采用深冷处理延长零件使 用寿命的实例：表4 为部分常用模具材料经深冷处理后耐磨 9 中南工业大学硕士论文 性变化的比例系数，表5 为国内企业利用深冷处理提高零件 使用寿命的实例。从下面i 个表格可以看出，深冷处理对于 不同材料的的零部件和工具产生了不同的效果，零部件和工 具的耐磨性提高显著 27 】。 表3美国部分公司采用深冷处理延长零件使用寿命的实例f 2 7 1 公司处理的处理的零部原寿命处理后的提高 材料件寿命倍率 h o w 冲模冲4 0 0 g 冲2 5 0 0 06 2 5 t h o r n o次次 m e t a l 8铜电极触头2 星期6 星期 3 0 c h r y s l e 7 t 0 2 0 钢挝刀拉1 8 1 0拉8 6 0 04 7 6 ( 拉钢套管)件件 1 0 2 0 钢拉刀拉1 5 0 0拉8 6 0 05 7 3 ( 拉连杆锻件件 件) f 0 r dm 2 拉刀拉孔拉孔 6 o 2 0 0 0 件1 2 0 0 0 件 o a y t o f f冲头 经一8 4 经一1 8 4 1 2 处理处理 h p p l 0高尔夫球 可以多 c r y 击 2 0 3 0 码 h m c r y 尼龙长统袜和每双多 连耩袜穿3 个 月 工具钢端铣刀 2 5 工具钢食品研磨机 2 5 转子 工具钢圆盘剪切刀 3 5 工具钢汽车生产用 4 0 拉刀 模具钢模具镶块 4 2 3 xi n s t 钻头 1 5 t 0 0 1 铣齿刀 1 7 5 l o 中南工业大学硕士论文 表4模具经深冷处理后的寿命变化 2 7 】 模具名称材料未深冷的深冷处理效果 工具寿命届的寿命 ( 提高倍 率) m 2 2 切边模0 1 2 a l8 0 0 0 件 3 0 0 0 0 件 3 7 5 m 1 6 切边模 9 s i c r 1 0 0 0 件5 0 0 0 件 5 o o m 16 冲孔冲头轷1 2 r e 2 0 0 0 0 件4 0 0 0 0 件 2 o o m 1 6 冲孔冲头6 5 n bi 0 0 0 件3 0 0 0 件3 o o m 3 o 5c r l 2 m o v 8 0 0 0 件 i8 0 0 0 件2 2 5 撵蛭撮 撵缱板滚针佴1 8 c r 4 vi5 副 2 5 副 1 6 7 表5国内深冷处理提高工件使用寿命的实例【2 7 】 材料处理前处理后效果 寿命寿命( 提高倍率) 5 c m 端面铣刀，加工c 1 0 6 5 钢6 5 件2 0 0 件 3 0 7 钢锯条，加工c 1 0 7 壳体上的4 小时6 小时1 5 0 轮毂 冲孔冲头 6 4 件5 8 2 08 2 5 件 切丝板牙，用农m 4 8 5 壳体上 2 2 5 件4 8 7 件2 1 2 a 酶t 一3 8 切去刀片 6 0 h r9 2 8 h r1 5 。4 9 s i c 钢冷拉伸凸模 5 0 0 015 0 0 02 o 铡造2 0 2 轴承内圈件件 二、提高材料的稳定性； 提离材料的稳定性，是深冷处理的又一成功应用，适用于 铝、铜、钛和3 0 0 系列不锈钢，效果最明显的是铝及其台金。 l l 中南工业大学硬士论文 三、改善材料性能 深冷处理可以提高和改善材料性能，如强度、抗疲劳性 能、耐蚀性等。表6 为美国大学研究和工业研究应用在工业 生产得到的现场结果- 5 ”。 表6 涤冷处理现场生产和试验结果 2 7 】 工具和刀其公司试件材料性能提高结果 ( 被处理件) 钻头飞机制造厂 酶4 2 ，m 7 ，c 23 0 0 铣刀飞机制造厂m 4 2 2 5 0 倒角工具大学研究i n c o e l 合金 4 0 0 齿轮切削工具主要制造厂t i n i 镀屡 3 5 0 拉刀金属铣削公司硬质合金3 0 0 冲孔主要制造厂 m 76 0 0 端铣刀飞机制造厂 m 74 5 0 滚铣刀气轮机制造厂 m 4 23 0 0 平面铣刀宇航公司c 2 硬质合金 4 0 0 键槽铣刀飞机制造厂m 2 一m 7 2 5 0 切片刀塑料制造厂 m 76 0 0 切碎刀纸箱制造厂硬质合金 5 0 0 切碎机纸厂h i 74 0 0 丝锥刀( 刃) 具c 2 硬质合金 6 0 0 模具铸造厂商镍合金 3 0 0 牙科用具 牙医4 0 0 不锈钢5 0 0 拉刀汽车制造厂高镍合金 3 0 0 饯本工具伐木公司锯链 4 0 0 铣刀机械加工3 4 7 不锈钢 3 7 5 木材切削木材厂高速钢 5 0 0 冲压模具钢材家其厂 d 31 0 0 0 腐蚀大学研究s 2 ，m 2 ，4 1 4 2 ，均减少腐蚀 3 1 6 加工性能机械加工厂薄壁铝铸件减少5 0 加工 时间 焊条七个研究案例焊接平均6 0 中南工业大学硕士论文 3 深冷处理机理 3 1 工模具钢的深冷机理 关于深冷对工模具钢的作用机理，国内外的研究已较为 广泛和深入，且大家均已基本取得共识。主要的观点如下； 从马氏体中析出超细碳化物，从而弥散强化 几乎所有的文献都提到了这一个原因。有学者解释了析出 的原因为：马氏体经一1 9 6 深冷，由于体积收缩，f e 的晶格 常数有缩小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力，但由 于低温下的扩散更为困难，扩散距离更短，于是在马氏体的基 体上析出了大量的弥散的超微细碳化物 2 “。 残余奥氏体的改变 低温下( 即m f 点以下) 残余奥氏体发生分解，转交为马氏 体，提高了工件的硬度和强度。有学者认为深冷可完全消除 残余奥氏体( 6o l l ；也有学者发现深冷只能降低残余奥氏体的数 量，但不能完全消除呤8 + 4 ；还有人认为深冷改变了残余奥氏 体的形状、分布和亚结构，有利于提高钢的强韧性“。 组织细化 组织细化，引起工件的强韧化。这主要指原来粗火的马氏 体板条发生了碎化”6 ”。有学者认为马氏体点阵常数发生了 变化1 ：也有学者认为马氏体分解析出微细碳化物时造成了 组织细化哺。”。 表面产生残余压应力 冷却过程可能引起缺陷( 微孔、内应力集中部位) 的塑性 流变。在复温过程中在空位表面产生残余应力，这种应力可 以减轻缺陷对材科局部强度的损害。最终表现为磨料磨损抗 力的提高 6 ”j 。 深冷处理部分转移了金属原子的动能 原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力，又存在使之分 开的动能。深冷处理部分转移了原子问的动能，从雨使原子 中南工业大学硕士论文 结合的更紧密，提高了金属的性能陆”。 3 2 其他钢铁材料的深冷处理作用机理 深冷处理能提高渗碳钢和结构钢和不锈钢等工件的强 度、韧性和耐磨性，从而提高其使用寿命，但效果不如工模 具钢那么显著”。此外深冷处理还能减弱台金结构钢韵高温 回火脆性，提高不锈钢的耐腐蚀性能等，由于中低碳钢淬火 后残余奥氏体的数量较少，且某些台金钢中只有奥氏体薄膜， 因而残余奥氏体变为马氏体不是性能改善的主要原因，深冷 处理作用于渗碳钢和结构钢的主要机理是：基体组织细化帮 微细碳化物析出n “。此外，表面残余压应力也是工件寿命提 高的原因。至于深冷处理的作用予不锈钢的机理主要还是残 余奥氏体转变为马氏体拍 。 3 3 深冷处理对非铁金属材料的作用机理 对予非铁金属材料的深冷处理的效果和机理研究，国内 外的报道很少，下顽对现有的文献作一个简单的介绍( 有关 深冷处理对铝合金及铝摹复合材料的影响和作用机理在3 4 节专门介绍) 。 深冷处理对硬质合金的作用机理： 据文献报道深冷处理可以不同程度的提高y g ( 鬻c c o ) 系列硬质合金的硬度、抗弯强度，冲击韧性耐磨性 1 “” ， 可以显著提高硬质合金锪刀的使用寿命达5 倍4 1 ，大多数学 者认为深冷处理对其作用机理是：深冷处理使部分的n c o 转变为e c o ，使得硬质合金的微观结构发生了变化，引起材 料的力学性能尤其是耐磨性有了显著的变化，此外深冷处理 还能在材料表层产生一定的残余压应力【1 “i ，前苏联学者库 德剩雅夫采娃认为含金中应力状态对台金性能的影嚷颁大， “表层中产生一定僵的残余压应力可以在使用过程中外部负荷 导致拉麻力时大大提高其使用寿命” 6 。 1 4 中南工业犬学硕士论文 深冷处理对铜及铜基含金的性能影响及作用机理： 李智超等人( 2 研究了深冷处理对h 6 2 黄铜组织和性能 的影响，研究结果表明深冷处理可以提高组织中相的相对含 量，从而使组织趋向稳定，并且可以显著提高h 6 2 黄铜的硬 度和强度。对于减少变形、稳定尺寸，改善切削性能也大有 好处。而大连理工大学的丛吉林等人“6 “3 对于铜基材料主 要是c u c r 5 0 真空开关触头材料的深冷处理研究结果表明，深 冷处理可以使组织明显细化，且在两种合金的交界处有相互 渗析的现象，两种台金表面还有大量的颗粒析出，类似于高 速钢深冷处理后在晶界及基体表面析出碳化物的现象。另外 经深冷处理后的该真空触头材料的抗电蚀性得到了改善。而 国外关于铜电极的深冷处理研究结果为提高电导率，减小焊 接端的塑性变形，且寿命提高了近9 倍n j 。此外深冷处理还 可以提高镀青铜和镲青铜的机加工性能n “。而关于对铜合金 机理现在没有明确的理论，一般认为是在低温下铜合金作用 发生了类似钢中残余奥氏体向马氏体转变的相变，并且在回 复到室温的阶段品粒组织得以改善，但详细机制届前还未有 定论。 深冷处理对镍基合金性能的影响及作用机理“： 镍基合金的深冷处理的文献报道很少，已有文献报道 表明深冷处理可以提高该合金的塑性，并使其对交交应力集 中的敏感性降低。文献 7 2 的作者对作用机理的解释是深冷 处理造成材料的应力松弛，微裂纹向相反的方向发展。 深冷处理对非晶舍金性能的影响及作用机理口3 】： 关于深冷处理对非晶合金性能的影响，文献 7 3 的作 者研究了c o 。，n i ，。f e 。b 研究发现深冷处理可以改善该非晶材 科的耐磨性和力学性能。作者认为是深冷处理促进了非磁性 元素的表面沉积，发生类似于结晶时的结构弛豫的结构转变。 中南工业大学硕士论文 3 4 深冷处理对铝、铝基合金的影响及作用机理 3 4 1 常用铝及铝合金低温下的力学性能 虽然铝合金的深冷处理研究国内外报道的较少，但相关 的对铝及铝合金的低温下的性能研究已经早在各国广泛开 展，如：包括我国在内的世界各国对航天用a 1 一l i ( 8 0 9 0 ) 合 金的在低温下力学性能研究 7 。7 ，以及对其他一些铝合金 ( a 卜m g 、a 卜z n m g 系) 的研究 7 9 - 8 “。研究发现在低温下铝 合金的强度和塑性均有明显的提高。表7 为一些与本论文研 究有关的铝合金的低温( 一19 5 ) 力学性能和室温力学性能对 比 8 ”b 6 ，其他的可以见文献e 8 7 - 8 9 。 表7一些铝合金的低温室温力学性能对比 合金 5b0 02 6 及 ( m p a )( m p a ) ( ) 状态一1 9 5 2 5 一1 9 5 2 5 一1 9 5 2 5 1 0 9 9 一h 1 4 15 9 29 8 69 1 o8 6 25 7 22 2 。6 2 0 1 7 一t 4 5 5 04 2 53 6 52 7 52 82 2 2 0 2 4 一t 45 8 54 8 64 2 53 4 51 91 9 2 6 1 8 一t 6 l5 4 04 4 04 2 03 7 01 2l o 3 0 0 3 一h 1 4 2 4 01 5 017 01 4 53 01 6 4 0 3 2 一t 6 4 5 53 8 03 3 03 1 5 1 l9 5 2 5 4 一o 3 6 02 4 01 3 01 1 54 63 0 6 0 6 3 一t 1 2 3 6 1 5 0l l o9 04 43 3 7 0 7 5 一t 6 7 0 55 7 06 3 56 0 591 l 由上表可以看出在低温下铝合金有着良好的综合力学性 能，这主要因为合金在液氮温度时会产生大量的亚晶、微晶 和位错。且在低温时位错的运动阻力( 派纳力) 随温度的下 降使的滑移发生困难，从而材料的力学性能尤其是屈服强度 和抗拉强度有明显的提高。此外在低温时合金中的第二相的 变化也可能对材料的性能提高也有一定的作用。 1 6 中南工业大学硕士论文 3 4 2 铝台金的深冷加工 由上节可知如果能使铝合金经过特殊的工艺加工处理后 在室温下也能具有象在低温下那样好的性能。那将会给铝合 金的应用带来不可估量的广阏前景。为此各国的材料工作开 始想方设法使铝合金材料在低温下的优异的力学性能尽可能 的保留到室温下。而以日本为主研究的铝合金的深冷加工就 是一种较为有效的方法 9 。 所谓深冷加二【指的是将材料在液氮温度下进行加工，以达 到提高材料性能的一种特殊的加工工艺。由于对设备的耐低 温性能要求极高的，现在可以实现还只有在低温下进行压延 和拉拔。通过这种加工不但可以使的材料的位错、亚晶等密 度大大提高，更为重要的是可以利用在这种工艺条件下产生 豹巨大储能使得金属在回复过程中的再结晶晶核数大大提 高，从而达到晶粒细化和提高材料力学性能的目的。现在这 种工艺以成为日本超级金属计划中的一个重要的研究课题。 图3 为日本超级金属计划的研究结果之一，该图为a l 一鹾n 系合金和 1 一m g 系合金在低温下压延和室温压延后的性能比 较图，从图中结果表明a 卜m n 系合金在低温压延后材料硬度 提高1 0 师a 卜m g 系合金经低温压延后材料硬度反丽有所下降 这与我 中南工业大学硕士论文 3 4 3 深冷处理对铝、铝基合金的影响及作用机理 深冷处理对铝及铝基合金的影响及作用机理是本论文研 究的主要内容，而有关这方面的工作，国内外开展的均较少。 少量的资料显示深冷处理可以消除铝合金材料的内应力，提 高尺寸稳定性，减少加工时变形，提高强度和硬度。但性能 提高程度和稳定性明显不如黑色金属，深冷机制也较黑色金 属复杂，所以一直没有成为深冷处理研究的重点和热点。 铝合金的深冷处理工艺现在通用的有两种：一种是深冷 一急热法r 8 。所谓深冷一急热法是采用将工件淬火时直接淬入 液氮( - 1 9 6 ) 中，再在液氮中保持1 5 h ，再置于高速喷射 的蒸汽( 或加热炉) 中处理。对2 0 1 4 合金的研究结果显示， 该法可以消除8 3 的残余应力，且过冷温度越大，效果越明显。 另外一种方法为冷一热循环处理法，该方法是将工件冷却到一 4 0 一19 0 保持0 5 1 o h ，然后再加热到8 0 9 0 或稍低 于合金淬火温度后的入工时效温度，保持l 2 h ，如此反复多 次。对于z l l 0 1 、z l l 0 2 、1 y 1 2 合金的冷一热循环法处理研究 显示该法可以降低残余应力，提高材料的硬度和强度。而且 循环处理的效果以1 次为最明显，一般以3 次为宜哺 。 两种方法比较两言，后者较前者的效果更好。其一，冷一 热循环处理法降低应力的原因主要是材料发生塑性变形释放 了韶分弹性应变能，每次冷一热循环均会产生变形而使材料 原有的残余应力降低，直至前述两种应力和小于材料的弹性 极限为止，应力消除比较彻底。深冷一急热法降低残余应力的 主要原因是残余应力的相互抵消，由于材料中原有残余应力 和冷处理过程中产生的应力不会是一个恒定值。因此，效果 相对较差。其二，深冷一急热法的惫速加热产生的应力较大。 因此，该种方法只适合形状简单，对称性较高的零件。否则 易引起工件的变形和挠曲。此外它的设备费用较高。 冷一热循环处理法使铝台金性能提高的机制，汤光平引 经研究发现，是在循环处理过程中产生了大量的相互作用的 1 9 中南工业大学磺士论文 位错和亚晶，使得材料韵强度和塑性提高。网对逛使得组织 结构更加稳定。 金属基复合材料中基体援和增强楣之溺由于热膨胀系数 等性质存在明显的差异，以s i c p 6 0 6 1 铝基复合材辩为例。 铝合金基体的热膨胀系数约为碳化硅热膨胀系数的7 倍。在 热成型以及随后的热处理冷却过程中，复合材料内部将不可 避免豹产生复杂灼热残余应力，其中基体楣为拉伸残余应力、 增强相为压缩残余应力，这些残余应力对复合材料的性能、 如断裂行为、疲劳强度和尺寸稳定性都将带来不耐的影响。 ” ，如果铯采将基体中的平均拉伸残余应力消除或将其调整 为压缩残余应力，则复合材料韵力学行为，尤其是疲劳性能 得将劐改善。 丽根据深冷处理对工具钢及硬质含金的研究中发现可以使 材料产生表面的残余压瘦力n “”，所以我国学者就开始研 究深冷处理对s i c p 6 0 6 1 类铝基复合材料深冷处理的研究工 作，并取得较满意的实验结果。根据中国科学院金属所李寰、 李家宝等人豹研究表明，深冷处理可以调整乃至消除扩散焊 s i c p 6 0 6 1 结合体中残余应力n “ ，而李义毒等人认为深冷 处理可以是复合材料形成稳定的位错结构。可以使工件的尺 寸稳定性得以提高阳“。辽宁工学院的李志转等人川在研究 s i c w 6 0 6 1 复合材料的尺寸稳定性和稳定化处理工艺对发现， 材料在一1 9 6 进行冷热循环处理可以显著提高材料的室温抗拉 强度和屈服强度微蠕变抗力和微屈服强度也得以提高，对于 材辩的尺寸稳定有好处。 4 本论文研究课题的内容和意义 4 1 研究内容 由于到目前为止国内外真正意义上的对深冷处理过的铝 舍金的性能秘机理研究的报道还是十分少见+ ”。且目前对 1 9 中南工业大学硕士论文 非钢铁材料的深冷处理效果，文献报道中即使对同种材料， 由于处理工艺不一致效果也不完全致h ” 。这是因为涤冷 处理杌制是一个诸多因素共同决定的复杂的机割。并且由于 深冷处理工艺未规范化。而无论是材料本身的成分、状态、 形状、厚薄、大小还是深冷工艺中的升降温速度、保温时间、 保温温度、深冷设备的温度场的稳定程度和分布均匀性都将 对涤冷处理的效果产生程度不同的影响。另外，深冷和深冷 前后的热处理制度也会对深冷的效果产生很重要的影响。显 然想要在短时间内弄清铝台金深冷处理机制是很困难的，我 们只有在固定工艺的前提下对其进行研究，首先探索深冷处 理对各系列变形铝合金组织结构和性能的影响。 本研究就是从这点出发，在工艺固定的前提下按美国a a 制标准系统研究了深冷处理对1 8 系的每系具有一定代表性 的合金材料进行了力学链能和x - r a y 衍射研究，并重点研究 了纯铝( t 0 3 2 ) ，7 0 7 5 合金，耐热铝合金( 8 0 0 9 ) 的显微组织 和断口形貌，此外还对高纯电容铝箔的深冷处理进行了研究， 根据实验和检测结果探讨关于铝及铝合金的深冷机制。 4 2 本研究课题的意义 众所周知材料是现代文明的支柱之一。照着现代工业的 发展，对材料性能的要求也越来越高。当代材料研究有两大 趋势：不断开发新技术、新工艺、新设备，以研制各种具有 特殊要求或优异性能的新材料，如采用快速凝固、机械合金 化、喷射沉积、注射成鍪等工艺开发微晶、菲晶、准晶、纳 米晶结构和功能材料。对现有传统材料如钢铁、铝、铜材料 采用，超纯净化、大变形量加工、深冷处理、深冷加工等特殊 的加工和处理工艺，在基本不改变现有材料的成分基础上大 幅度提高其性能，从而有效地提高资源的利用率和回收率。在 材料性铯得以改善的同对还可以降低成本，减小对环境的损 害，这对解决越来越严重的能源和环境问题无疑提供了一个 好的办法。显然这种材料的研究方向必将在新世纪成为世界 中南工业大学硕士论文 各国政府和材料科技工作者研究的一个热点和重点m “。而近 几年来在中、美、目等国由政府支持开始研究的超级钢计划、 超级铝计划和绿色环保材料的研究就证实了这一点。 本课题研究深冷处理对常用的铝合金组织和性能的影响 就是根据这个材料研究的最新趋势而提出的，以深冷处理为 一个新的突破口，为今后的传统铝合金改性提供一个可行的 思路。如果方案可行的话，无论在实践上还是理论上对以后 的传统铝合金改性无疑将会有重要的意义。 中南工业大学硕士论文 第二章实验过程 1