（材料加工工程专业论文）深冷处理对铜合金、锌合金组织与性能的影响.pdf

深冷处理对铜合金、锌合金纲织j 性能的影响 摘要 深冷处理又称超低温处理，是指将材料置于一1 3 0 一1 9 0 温度下进行处理 的一种工艺。该技术己成功用于黑色会属材料，能明显提高工件的强度、耐磨性 和尺寸稳定性，使工件使用寿命成倍提高，但该技术在有色金属方面的研究较少。 紫铜和黄铜主要用于制造导电元件、散热器、热交换器中的传热元件及高炉 风口套等，对其导电导热性能要求很高，但对于一些在高温、磨损等环境下服役 的紫铜和黄铜零部件来说，由于其强度和硬度较低，势必发生磨损、龟裂等破坏， 降低使用寿命。锌合金z a 2 7 是一种应用广泛的耐磨材料，代替铜合金铸件用作 滑动轴承、轴瓦等，对锌合金而言，深冷处理可能是提高耐磨性的一种新方法。 本论文以紫铜、黄铜h 6 2 和锌合金z a 2 7 为实验对象，主要研究了不同深冷处 理工艺对材料硬度、拉伸性能、导电性和耐磨性的影响，并结合x r d 和微观组织 的变化，初步探讨材料的深冷机理。通过硬度测试和拉伸实验发现力学性能的变 化与深冷处理工艺之间存在一定的关系。结果表明，紫铜深冷处理2 4 h 后显微硬度 和抗拉强度均达到峰值，比未深冷处理时分别提高了1 5 4 和1 1 9 ，延伸率略有 下降；黄铜深冷处理1 2 h 后显微硬度和抗拉强度均达到峰值，与未深冷处理相比分 别提高了9 9 和3 2 ；锌合金固溶处理+ 深冷处理4 h 后硬度达到峰值，比未深冷 时提高了9 3 。摩擦实验表明，相同载荷和转速下，固溶处理+ 深冷处理4 h 后锌 合金磨损量减少，其中低速下( 3 0 0 r m i n ) 磨损量减少3 8 3 ，高速下( 6 0 0 r m i n ) 磨损量减少1 3 0 ，提高了锌合金的耐磨性。深冷处理后紫铜和黄铜的导电性没 有发生变化。 通过x r d 、微观组织和力学性能的对比分析，探讨了深冷处理工艺对材料性 能的影响。 关键词：深冷处理；紫铜；黄铜；锌合金；力学性能；耐磨性 硕f j 学位论文 a b s t r a c t c r y o g e n i ct r e a t m e n ti s a l s ok n o w na su l t r a - l o wt e m p e r a t u r et r e a t m e n t t h e m a t e r i a l sa r et r e a t e du n d e rt h e 13 0 。c 19 0 。cl o wt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt oac e r t a i n p r o c e s s c r y o g e n i ct r e a t m e n th a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nf e r r o u sm e t a lm a t e r i a l s ，t o i m p r o v et h es t r e n g t h ，w e a r r e s i s t a n c ea n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo fw o r k p i e c e s h o w e v e r , t h er e s e a r c hi nn o n - f e r r o u sm e t a l si sl e s s c o p p e ra n db r a s sa r em a i n l yu s e di nt h em a n u f a c t u r eo fc o n d u c t i v ec o m p o n e n t s ， r a d i a t o r s ，t h eh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t so ft h eh e a te x c h a n g e ra n d s e t so fb l a s tf u r n a c e t u y e r e b u tb e c a u s eo fr e l a t i v e l yl o ws t r e n g t ha n dh a r d n e s s ，c o p p e ra n d b r a s sp a r t sa t t h es e r v i c ec o n d i t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r ea n dw e a ra r eb o u n dt ow e a ro rc r a c k z i n c a l l o y sc a nb eu s e df o rs l i d i n gb e a r i n ga n db u s h i n gi n s t e a do fc o p p e ra l l o y s d e e p c r y o g e n i ct r e a t m e n tm a yb ean e wm e t h o dt oi m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c e o fz i n c a l l o y i nt h i sp a p e r , c o p p e r , b r a s sh 6 2a n dz i n ca l l o yz a 2 7a r es t u d i e d ，t oo b s e r v e h a r d n e s s ，t e n s i l ep r o p e r t i e s ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dw e a rr e s i s t a n c e a f t e rd e e p c r y o g e n i ct r e a t m e n t c o m b i n i n gx r d a n dm i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i s m so fc r y o g e n i c t r e a t m e n ta r ed i s c u s s e d i ti sf o u n dt h a tt h e r ea r ec e r t a i nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc r y o g e n i ct r e a t m e n tp r o c e s s i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a t a f t e rc r y o g e n i ct r e a t m e n tf o r2 4 h ，m i c r o h a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o p p e r r e a c h e dt h ep e a k c o m p a r e dw i t ht h en o n c r y o g e n i ct r e a t m e n t ，t h e yw e r er e s p e c t i v e l y i n c r e a s e db y15 4 a n d11 9 w i t has l i g h td e c r e a s ei ne l o n g a t i o n a f t e rc r y o g e n i c t r e a t m e n tf o r12 h ，m i c r o h a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho ft h eb r a s sr e a c h e dt h ep e a k c o m p a r e dw i t hn o n c r y o g e n i ct r e a t m e n t t h e yw e r er e s p e c t i v e l y i n c r e a s e db y9 9 a n d3 2 a f t e rc r y o g e n i ct r e a t m e n tf o r4 h ，h a r d n e s so fz i n ca l l o y sr e a c h e dt h ep e a k c o m p a r e dw i t hn o n c r y o g e n i c t r e a t m e n t i tw a si n c r e a s e d b y 9 3 f r i c t i o n e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo fz i n ca l l o y sd e c r e a s e da f t e rc r y o g e n i c t r e a t m e n t4 h t h ew e a r sd e c r e a s e db y3 8 3p e r c e n tu n d e rl o ws p e e d ( 3 0 0 r m i n ) a n d 13 0 u n d e rh i g h s p e e d ( 6 0 0 r m i n ) t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec o p p e ra n d b r a s sa f t e rc r y o g e n i ct r e a t m e n tu n c h a n g e d t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fx r d ，m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，t h ei m p a c to fc r y o g e n i ct r e a t m e n tp r o c e s so nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sw a s d i s c u s s e d i i i 深冷处卵对铜合金、锌合金组织与性能的影响 k e yw o r d s ：c r y o g e n i ct r e a t m e n t ；c o p p e r ；b r a s s ；z i n ca l l o y ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； w e a rr e s i s t a n c e i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特另t l d h 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 一l 药日期：锄炒7 年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“”) 主1 芳日期：? 一夕年彭月j 日 日期：伽7 年6 月日 硕士学位论文 1 1 深冷处理的发展概况 第1 章绪论 深冷处理是指将处理工件置于一1 3 0 以下( 通常为一1 3 0 至- 1 9 0 ) 的冷处 理，使材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种新技 术。深冷处理又称超低温处理，它是普通热处理的延续，低温技术的一个分支。 早在一百多年前，瑞士钟表商们为了提高钟表中的某些关键零部件的使用寿 命，将做好的零件放到寒冷的雪山中。一些工具制造者则把工具放到冷冻箱内储 藏数个月后再使用，从而使工具的使用寿命提高【l 】。这是人类早期应用冷处理技 术来解决实际问题的例子。随着制冷技术的发展，在2 0 世纪三十年代出现了深冷 处理技术。深冷处理这一概念最早是由俄罗斯人首先提出的，但由于当时低温技 术发展的不够完善，致使深冷处理技术在较长的一段时间内一直处于不断探索之 中【2 j 。在1 9 3 8 年，有人提出高速钢冷处理的建议，并在理论上提出了冷至8 0 的 理论依据，但直n - 十世纪中叶，深冷处理技术一直未在工业中得到推广。在5 0 年代美国开始研究深冷处理对金属性能的影响。随着液氮技术及保温材料的发展， 6 0 年代末，美国路易斯安娜理工大学机械工程系f b a r r o n 教授对5 种合金钢5 2 1 0 0 ， d 2 ，a 2 ，m 2 ，0 2 进行了细致地研究。通过对比冷处理与未冷处理的试样发现， 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- 8 4 处理 后的试样耐磨性比未处理时提高了2 0 - 6 6 倍，实际生产中也证实了f b a r r o n 研究 结论的正确性。1 9 6 5 年美国首次将深冷处理实用化，以后深冷处理技术才开始引 起全世界的关注。随即美国、前苏联、日本等世界各国学者都对其进行了较为广 泛和深入的研究p j 。 二十世纪七十年代，随着低温绝热技术的发展和液氮的广泛应用以及深冷处 理对刀具和其它零部件等带来的益处，美国、日本、英国、俄罗斯等国对深冷处 理技术的研究更加深入。一些大型制造企业开始将深冷处理技术应用到生产中， 如休斯航空公司、通用动力公司、通用汽车公司等。这些专业化深冷处理公司对 材料深冷处理的研究结果表明，深冷处理可将刀具、磨具、齿轮、轴承、特殊弹 簧、硬质合金、高速钢、钻基合金的使用寿命提高5 1 0 倍1 4 】。1 9 7 2 年美国l o u s i a n a 技术大学的b a h o n 博士对1 2 种工具钢、3 种不锈钢和其他4 种钢材分别进行了1 8 9 k 和7 7 k 的冷处理对比实验，发现两种处理后硬度变化不大，但深冷处理比一般冷 处理工具钢的耐磨性提高了2 6 倍，而其他钢种变化不大1 5 j 。1 9 7 7 年前苏联创造发 明委员会组织全国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 种工具进行了 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提高3 倍 深冷处理对铜合金、锌合金组织与性能的影响 以上。为此前苏联制定了国家标准f o c t l 7 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 年前苏联因将该技术用于刀具生产 就节约5 0 多万卢布。1 9 7 8 年，日本胜田工厂的八重坚发表了深冷处理对s k d l1 制 冷轧钢板轧辊的研究，结果表明深冷处理可提高其耐磨性2 3 倍。进入二十世纪八 十年代，各国对深冷技术的研究更加深入，美国成立了若干个专业化的深冷处理 公司，女1 1 3 xi n s t r u m e n t s & t o l l i n g 、m a t e r i a li m p r o v e m e n t 署l l a m e c r y 等，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作用，一般可以提高 5 1 0 倍不等k 】。1 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。在日本，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s k d l l 钢耐磨性的影响；山中正喜研究了深冷处理对工具钢( s k 3 、 s k d l1 、s k s ll 、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【_ 7 1 。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 的力学性能也得到明显改善峭j 。 深冷处理技术在八十年代才开始传人我国，我国的科研工作者们对深冷处理 的工艺、机理都做了一定的研究，材料主要集中于工模具钢、高速钢和轴承钢， 经深冷处理后的材料性能比一般冷处理后的性能普遍得到了改善。阜新矿业学院 的李智超、董允等人最先开始研究深冷处理【9 】，随后上海工业大学、北京理工大 学、东北大学、河北工学院、中南工业大学以及广西玉林油嘴油泵厂、北京内燃 机厂、机械委机电研究所等单位也开始了研究，不但取得了令人满意的结果，还 创造了一定的经济效益。近几年来，深冷处理从着重黑色金属研究扩大到有色合 属( 铝合金、铜合金) 以及复合材料等方面，并取得一定进展l l 叭。 深冷处理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 和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，成本低廉，具有可观的经济效益和市场前景。 深冷处理技术的应用正逐步得到企业界的重视和发展，目前已经获得的实验结果 和取得的成果表明，深冷处理技术有以下几个方面的应用： ( 1 ) 高速钢刀具、刃具、量具寿命的提高； ( 2 ) 硬质合金的刀具、刃具寿命的提高； ( 3 ) 硬质合金的钻头、钻具的寿命提高； ( 4 ) 金刚石制成品的性能改善，如人造金刚石热稳定性提高、人造金刚石矿用钻 头、金刚石1 0 5 m m 锯片等的性能提高： ( 5 ) 金刚石热压机的顶锤性能提高； ( 6 ) 精密机械的装配零件的尺寸稳定： 硕士学位论文 ( 7 ) 碳纤维丝的性能提高； ( 8 ) 油嘴、弹簧、齿轮、轴承使用寿命提高； ( 9 ) 机械制造产业中的热作模具、冷作模具使用寿命提高。 1 2 深冷处理的特点、工艺与设备 1 2 1 深冷处理的特点 在二十世纪三十年代国外已提出深冷处理，当时仅限于高速钢工具的冷处理， 而且温度不低于8 0 c 。直到七十年代后期，深冷处理的钢种已从工具钢扩展到碳 钢、不锈钢，硬质合金、有色金属等材料，冷处理的温度也由8 0 c 降到1 9 6 c 。 冷处理分为以下两种：普通冷处理和深冷处理。其中普通冷处理是指处理温度在 1 0 0 以上，一般采用干冰做制冷剂，而深冷处理的温度在1 0 0 1 2 以下，一般采 用液氮做制冷剂。根据使用液氮的方法不同深冷处理分为液体法和气体法。液体 法的处理温度可达1 5 0 ( 2 ，但具有热冲击性，温度不可调节，容易造成某些材料 在低温下脆性断裂；气体法的处理温度可达到1 9 6 ( 2 ，由于没有热冲击的缺点且 温度可调，被普遍采用。 深冷处理的效果不只限于表面，而是渗入处理件的内部( 整体效应) ，所以对 刃具进行重磨再用时，不会使工件的深冷效果失效；对工件的形状和尺寸不但不 会引起变化，而且有增强尺寸稳定性和减小淬火应力的作用；工艺系统简单，耗 电量少，不受工件的形状和尺寸限制，操作简便，不破坏工件；氮气在大气中的 含量超过7 2 ，具有容易液化，成本低，安全无公害、温度低等优点，具有可观 的经济效益和市场前景。 1 2 2 深冷处理工艺 深冷处理的工艺参数包括升降温速度、保温时间、深冷次数、深冷与回火工 艺的顺序等，这些深冷工艺参数都会对材料的深冷处理效果产生不同影响，具体 影响如下： ( 1 ) 深冷过程中的升降温速度 对于降温速度有二种不同的意见，一种意见认为工件的降温速度不能太快， 应该严格控制深冷处理时的升温、降温速度。不赞成将工件直接浸入液氮中，认 为冷却速度太快使得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，增加了零件内外部的温差，产生体积差和内应力，使塑性很差的零件产 生变形和裂纹。某些学者采用慢速升、降温的方式，他们认为慢速比快速效果好。 还有学者认为高于5 0 。c 时的冷却速度可以不予控制，低于5 0 c 时应该控制在较 低冷却速度下进行【1 1 l 。另一种意见赞成快速冷却，即直接浸入液氮中，在淬火回 火后搁置很长时间的情况下可使工件中已稳定化的奥氏体失稳，更易转变，而且 深冷处理对铜合金、锌合金组织与性能的影响 即使将工件直接浸入液氮，实际上不可能得到想像中那么高的冷速。因为液氮的 热容量很小，工件浸入液氮，旦与液氮接触，液氮立即气化，在工件表面形成 一层气态隔离层，此时的冷速将远小于油淬时的冷速。 对升温过程来说，通常都是采用在气体环境氛围内( 如空气) 自然回温的方式， 为了在一定程度上加速升温过程，可通过加快氛围气体的流速来实现。有时为了 消除材料内部的应力，也有采用急热法回温，即把冷却过的工件置于高速喷射的 蒸汽( 或加热炉) 中进行处理。有的学者采用不加控制急速快冷法和深冷急热法。 如在前苏联有一种曾获专利的冲击法，将被处理工具直接快速的放入液氮中，深 冷到所需的温度后保温5 - 3 0 m i n ，然后取出放在室温下，待其恢复室温后在 2 0 0 5 0 0 的油中回火l h ，用该方法处理后的高速钢刀具使用寿命明显提高。日 本的“冷处理急热法”是指被处理零件淬火后不马上进行冷处理，先水浴后再放 入8 0 至1 8 0 以下的处理槽中处理，保温时间按1 m 3 体积1 h 来计算，保温后取 出放入水中或热水浴中。考虑到本论文选用的材料塑性较好，我们采用快速冷却 的方式，进行实验时将材料直接浸入液氮中，处理后未发现工件变形，更未见开 裂，而且这种处理工艺简单。 ( 2 ) 深冷处理的保温时间 有的学者认为短时间保温即可，如在循环深冷处理工艺中铝合金采用4 0 m i n 的保温时间，而l d 钢的保温时间为l h 。有人对d 2 2 钢分别采用了3 h 、2 h 、1 5 h 的 保温时间，发现从经济性角度看1 5 - 2 h 即可。另外一些学者认为长时间要比短时 间的效果更好，因为长时间停留可以使钢中的残余奥氏体充分转变及更有利于碳 化物粒子的形成。一些文献的作者分别对硬质合金和高速钢采用了2 0 多个小时的 保温工艺，认为在。1 9 6 温度下至少要保温2 4 h 才可以形成较好的碳化物析出。还 有部分学者认为保温时间对工件性能影响不大。他们对g c r l 5 分别保温0 5 h 、1 h 、 2 h 、4 h 、1 0 h 、2 0 h ，发现硬度、抗弯强度、冲击韧性和深冷时间关系不大i l 引。实 际上，确定保温时间的长短主要应考虑被处理零件导热性的好坏、体积大小和冷 透所需的时间以及残余奥氏体陈化稳定情况等，对于奥氏体向马氏体的转变速度 则不必考虑。 ( 3 ) 深冷处理的次数 一般认为重复处理比单次处理的效果要好，如前苏联采用的“热循环稳定处 理法。有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川。还有 学者认为二次深冷效果最佳，因为二次深冷能进一步促进细小碳化物的析出和马 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4 。 ( 4 ) 回火工艺和深冷工艺的顺序安排 关于回火后深冷处理还是回火前进行深冷处理现在还没有统一观点。部分学 者赞成前者，但大多数人采用后者，还有部分学者通过对比得出了效果较好的两 硕十学位论文 条工艺路线：淬火+ 深冷+ 回火一次、淬火+ 回火一次+ 深冷+ 回火一次。深冷处理 工艺的选用应该视具体工作条件而定。一般的钢种，淬火后应立即进行深冷处理， 然后作回火处理，尤其是切削刀具的深冷处理。但个别容易产生淬火裂纹的钢种， 可以在淬火后作普通回火，以消除内应力，然后再进行深冷处理，最后再以稍低 的温度进行第二次回火。对于2 0 “钢，采用前者时提高硬度、强度多一些，主要是 因为回火后会使残余奥氏体稳定化【1 5 】。对于t 8 、3 c r 2 w 8 v 和9 s i c r 钢，采用前者 强度显著提高，但冲击韧性下降；采用后者，t 8 的硬度、韧性不变而抗弯强度提 高，3 c r 2 w s v 钢的硬度、强度、韧性均提高，9 s i c r 的硬度增加较小但冲击韧性提 高近两倍。此外，对于受冲击载荷较大且易受弯曲载荷的模具，应采用后者；而 对于要求高硬度、动载荷较小的模具，前者效果更好。 1 2 3 深冷处理的设备 深冷处理在1 8 世纪就已被瑞士人应用于钟表制造业，而直到1 9 3 7 年深冷处理 才被世人所认识。深冷处理最早应用于医疗行业，后来才逐步应用于金属材料， 并研制开发了相应的深冷处理专用设备。其过程经历了从自然气氛到人t n 冷到 深冷机组到液氮做介质等几个阶段。六七十年代美国出现了许多液氮气体法深冷 设备，如宝钢双频淬火车间引进的轧辊深冷设备和b o c 公司的e l l e n i t e 设备等【1 6 】。 8 0 年代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。 在国内，深冷设备主要以干冰制冷和制冷机组制冷，使用温度为0 到1 3 0 c 。 1 9 8 7 年航空部3 0 3 7 t 参照国外技术设计了“q l j 1 3 0 。c 深冷处理机组 ，该设备以 氟利昂或溴化锂做制冷剂，设备体积大，投资高，运行费用大，且对环境有污染。 深冷处理现已在我国得到广泛应用并开发出了多种专用设备。大型的深冷机组已 成功应用在油泵油嘴行业，工艺温度也从8 0 c 达到1 3 0 。杭州制氧机研究所的 大型轧辊深冷设备和航空航天部青云仪器厂的空气涡轮深冷机等均采用压缩空气 来制冷。1 9 9 0 年天津热处理研究所开发了“液氮气化型深冷处理箱，装置可在o 到1 9 6 范围内任意调节，该装置投资少，运行费用低，已在食品、医疗和工业 研究中成功应用，并取得可观的经济效益。1 9 9 3 年华中理工大学研制出嵌套式深 冷设备，采用双重制冷方式，外层箱机械制冷至1 8 到2 4 c ，内层箱采用液氮 制冷至一1 5 0 【l7 1 。1 9 9 6 年中科院低温技术实验中心研制出深井式冷处理设备，最 低工作温度可达1 0 0 。c ，升温和降温速率均可调节和自动控制f 墙l 。 1 3 金属材料的深冷处理研究 1 3 1 钢铁材料的深冷处理研究 钢件淬火时，奥氏体转化成马氏体的过程中体积会膨胀，从而产生压力。 深冷处理对铜合金、锌合金组织与性能的影响 压力的存在会阻止残余奥氏体向马氏体转化，因而会有一部分奥氏体不能转变， 从而保存下来。残余奥氏体的存在不仅会降低工件的强度，而且会在以后的使用 中，由于受到外来应力诱发马氏体相变，从而导致工件尺寸不稳定。为了消除这 部分残余奥氏体，从理论上讲有两种方法，其一是释放应力，其二是降低温度， 即所谓的冷处理。第一种方法实际上不太可能，因此生产上采用第二种方法。有 人采用低温磁场热处理，促使这一部分热力学上不稳定的残余奥氏体转变，但由 于磁场热处理本身要消耗大量的能量和时间，效果并不显著。并且由于各种零件 的形状、大小差异，也使磁场热处理遇到困难。对于高合金钢人们往往采用高温 淬火多次回火的工艺来减少残余奥氏体。但多次回火( 一般三次) 也会使最早产生 的那部分马氏体有过回火问题，从而降低钢的热硬性。为此人们采用了冷处理的 方法来解决这一问题，从中发现深冷处理不但能直接减少残余奥氏体的数量，还 能降低残余奥氏体的稳定性，使以后的回火过程中残余奥氏体易于转变为马氏体。 目前国内外对深冷处理的研究主要侧重于应用，美国、前苏联、日本和德国 等很早就将深冷处理技术应用于生产。国内外学者对于钢铁材料的深冷处理强化 机理进行了广泛的研究，研究的结果比较一致，目前大致有以下三种主要观点： ( 1 ) 残余奥氏体的转变。在深冷处理过程中残余奥氏体转变为马氏体这一现 象己经被许多研究者证实：1 9 4 9 年，g u l y a e v 等人研究了r 1 8 钢在液氧温度下 9 0 k ( 18 3 ) 的马氏体转变，发现深冷处理后r 18 钢中残余奥氏体的量降低了 1 0 11 t 1 9 】。m o o r e 通过观察t l 钢深冷处理前后的组织变化并进行分析，认为任何 含有残余奥氏体的钢都能通过深冷处理来改善其性能【2 。z a b l o t s k i i 等人研究了多 种钢在液氮温度( 7 7 k ) 深冷处理的显微组织，发现这些钢的残余奥氏体均发生不同 程度的转变，特别是高速钢，大部分的残余奥氏体( 9 0 以上) 已经转变为马氏体 【2 1 1 。有学者认为深冷处理可完全消除残余奥氏体；也有学者认为深冷处理只能降 低残余奥氏体的数量，但不能完全消除；还有人认为深冷处理改变了残余奥氏体 的形状、分布和亚结构，有利于提高钢的强韧性。 ( 2 ) 新生马氏体。经研究发现，在低温下由残余奥氏体分解产生的新生马氏 体的轴l k ( c a ) 不同于基体中的马氏体。h a y a k a w a 等) k 1 2 2 1 采用x 射线衍射分析方法 研究了从7 7 k 至u 室温新生马氏体的c a 轴比变化。在7 7 k 温度下，新生马氏体的轴 比为1 0 7 5 5 ，高于原始马氏体的轴比( 1 0 3 9 ) 。随着温度的升高，新生马氏体的轴比 呈降低趋势，升至室温时新生马氏体的轴比降低到1 0 6 5 5 ，但仍高于原始马氏体 的轴比。并且一旦升温至室温，更进一步的冷热处理并不改变该轴比值，这说明 新生马氏体的产生过程是不可逆的，同时也说明深冷处理过程是不可逆的。 ( 3 ) 超细碳化物的析出。学者们采用了多种研究方法，发现深冷处理后钢铁 试样在随后的回火过程中都发生了碳化物的析出【2 3 1 。也有学者认为这些碳化物是 在深冷处理结束后的温度回升过程中析出的【2 4 】。p o p a n d o p u l o 等人【2 5 】及其他一些 硕上学位论文 学者认为该碳化物的析出是导致钢铁深冷处理后强度、耐磨性等性能提高的直接 原因。有些学者解释了碳化物的析出：马氏体经深冷处理后，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弥散的超细碳化物。 国内外对工模具钢的深冷处理研究较多，如m o h a nl a l 等人研究了深冷处理对 工模具钢a i s l 4 3 4 0 耐磨性的影响，发现深冷处理后工具使用寿命提高了1 1 0 2 6 1 。 周欢等人研究了d 2 钢在不同温度淬火以及深冷处理后的硬度变化，经深冷处理， 残余奥氏体转变成马氏体使硬度提高，回火后弥散析出超细微碳化物，且深冷处 理时间越长，弥散析出的超细微碳化物越多【2 。 关于工模具钢的作用机理，国内外的研究已较为广泛和深入，且已基本取得 共识，除以上三种观点外，普遍认为还有以下原因【2 引： ( 1 ) 组织细化。组织细化可以提高工件的强韧性，深冷处理后原来粗大的板 条马氏体发生了碎化。有学者认为马氏体点阵常数发生了变化；也有学者认为马 氏体分解析出微细碳化物时造成了组织的细化。 ( 2 ) 表面产生残余压应力。深冷处理过程中可能会产生应力集中，从而引起 该区域的塑性流变。在恢复室温过程中空位表面产生残余压应力，这种应力可以 减轻缺陷对材料局部强度的损害。 ( 3 ) 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 理部分转移了原子间的动能，从而使原子结合的更紧密，提高了金属的性能。 有些学者还研究了深冷处理对其他钢种的影响，发现深冷处理还能提高渗碳 钢、结构钢和不锈钢等工件的强度、韧性和耐磨性，从而提高使用寿命，但效果 不如工模具钢那么显著。b e n s e l y 等人研究了深冷处理对渗碳钢e n 3 5 3 耐磨性的影 响，发现深冷处理后耐磨性提高了3 7 2 ，作者认为耐磨性的提高与深冷处理后细 小碳化物的析出和分布有关【2 9 1 。此外深冷处理还能减弱合金结构钢的高温回火脆 性、提高不锈钢的耐蚀性等。深冷处理对于渗碳钢和结构钢的主要作用机理是： 基体组织细化和微细碳化物的析出。另外，表面残余压应力也是工件寿命提高的 原因。深冷处理对不锈钢的作用机理主要还是残余奥氏体转变为马氏体。由于中 低碳钢淬火后残余奥氏体的数量较少，且某些合金钢中只有奥氏体薄膜，因而残 余奥氏体转变为马氏体不是性能改善的主要原因。 m o l i n a r i 研究了深冷处理对a i s im 2 和a i s ih 1 3 两种高速钢力学性能的影响， 发现深冷处理后钢的硬度提高，耐磨性增加，使生产成本降低了5 0 。但两种钢 材耐磨性提高的原因却不同，前者是由于硬度的提高改善了耐磨性，而后者是由 于深冷处理使钢的韧性增加从而提高耐磨性【3 们。甘肃工业大学对高速钢w 1 8 c r 4 v 深冷处理后发现，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 深冷处理对铜合金、锌合金组织与性能的影响 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机理，而是提出了更加详细的解释【3 。 ( 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 具材料的强度和红硬性的提高与马氏体脱溶微细碳化物有关。 ( 2 ) 通过t e m 观察证明，深冷处理后有弥散碳化物分布在马氏体的孪晶带 上，直径为3 1 0 n m ，该碳化物的晶体结构为m 6 c 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 处理过程中残余奥氏体向马氏体原位动态组织转变，并且转变时存在孕育时间， 转变首先发生在试块的边缘附近，然后向内部深处发展。在1 9 6 。c 温度下有明显 的等温马氏体转变。同时还发现深冷处理后的激烈升温阶段也产生了少量的马氏 体，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密度有所变化。黑色金属在 深冷处理后的点缺陷密度有所上升，有色金属在深冷处理后的点缺陷密度有所下 降。点缺陷密度的变化对金属材料的性能有很多影响，如有色金属铜合金经深冷 处理后空位浓度下降，从而使材料的电阻率下降，并提高合金的强度和组织的致 密性等。 1 3 2 铝合金的深冷处理研究 在有色金属深冷处理中，铝合金的研究较多。深冷处理对铝合金的作用主要 有两个方面，一是预时效作用，可以提高某些牌号铝合金的力学性能；另外，深 冷处理可以有效消除铝合金中的残余应力，提高材料的微屈服应力和尺寸稳定性。 铝合金的深冷处理工艺主要有两种：一种是深冷一急热法，另外一种是冷热循环处 理法。深冷一急热法可以降低残余应力，主要是由于残余应力的相互抵消，由于材 料中原有残余应力和深冷处理过程中产生的应力不是一个恒定值，因此效果相对 较差。冷热循环处理法也可以降低和合金的应力，主要原因是材料发生塑性变形 释放了一部分弹性应变，每次冷热循环均会产生变形而使材料原有的残余应力降 低，应力消除比较彻底。 大量实验证明，深冷处理对铝合金有预时效的作用，可以有效的消除铝合金 中的残余应力，提高材料的微屈服应力。张帆在这方面做了大量工作，得出以下 结论：循环处理能降低固溶淬火时产生的微观残余应力，且循环次数越多效果越 好，这对提高微屈服应力有利。循环处理中的时效强化作用，有“峰值规律1 3 厶3 3 】。 李智超等人通过实验证实了深冷处理有预时效的作用，促使组织中的第二相析出， 深冷处理后z l l 0 9 铝合金性能明显得到提高【3 4 1 。杨峰发现冷热循环处理后材料的 硕七学位论文 微屈服行为发生显著变化，原因在于冷热循环过程中急剧的高低温变化，使材料 产生微塑性变形【3 列。王秋成等人通过应用有限元分析软件a n s y s 和a b a q u s 6 5 对7 0 7 5 铝合金深冷处理时的温度场和应力场进行数值模拟研究表明7 0 7 5 铝合 金深冷处理时的温度场与传热是非线性的，其表面换热系数在液氮中比较稳定， 表面换热系数较小，并提出一种被称为“反淬火法”的深冷处理新工艺，即将铝 合金构件浸入液氮中深冷处理后，采用一种特制q c w 2 0 1 型有机介质进行“反淬 火 。经实验证实，深冷处理后采用。q c w 2 0 1 型有机介质淬火后合金的残余应力 消除率达到5 8 ，远远高于采用沸水急热等传统深冷处理工艺的应力消除率 1 3 6 3 7 1 o 就其提高性能的机理来讲，目前主要有以下几种观点：汤光平提出循环深冷 处理时，铝合金中产生大量的蜷线位错、位错环甚至位错胞，互相缠结，大大增 强组织结构稳定性，从而提高材料的力学性能【3 8 】。陈鼎提出晶粒转动和出现织构 的观点。作者认为在深冷处理过程中由于体积收缩使得材料内部产生大量位错和 亚晶，在深冷回温过程中铝合金产生了回复再结晶，铝合金的晶粒发生转动，择 优取向形成了再结晶织构。这种深冷处理使得铝合金晶粒发生偏转，择优取向。 当这种晶粒取向有利于阻碍位错滑移时，材料的强度性能得以提高【3 9 】。晋芳伟提 出铝合金在深冷处理过程中获得压应力，从而诱发大量位错，同时，铝合金在低 温下还获得大量的过饱和点缺陷，在渗透力作用下，位错发生增殖，这些位错一 方面通过自身的相互缠绕和钉扎，提高合金的强韧性，另一方面又与溶质原子相 互作用导致沉淀物析出，从而加强弥散强化，改善合金性能1 4 们。 1 3 3 铜合金的深冷处理研究 关于铜合金深冷处理的作用机理现在还没有明确的理论，一般认为可能是在 低温下铜合金发生了类似钢中残余奥氏体向马氏体转变的相变，并且晶粒得以细 化，但详细机制目前还未有定论。 袁子洲等人采用正电子湮没试验研究了c u n i s n 系铜合金的深冷处理。研究 表明，深冷处理提高了合金的强度和导电性。作者认为合金的强化机制是深冷处 理后出现了框架式双向或三向孪晶亚结构，当合金发生塑性变形时，框架式孪晶 能阻碍位错运动【4 卜4 2 1 。李士燕研究了同样型号铜合金后认为深冷处理后的金相组 织有待于进一步探讨，但已发现有微细质点和针状组织析出。形变后深冷处理出 现的调幅结构，具有与固溶时效后相似的硬化曲线，提高了铜合金的强度【4 3 1 。 深冷处理能改善铅黄铜合金的性能，提高其强度和硬度。b 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原因【4 4 1 。钱士强等人研究了深冷 处理对a i c u 合金时效的影响，发现深冷处理后获得一种类似钢中马氏体的针状 组织，该组织是以p 相为基的固溶体1 4 5 1 。孙远敬等人利用化学热处理在铜表面渗 深冷处理对铜合金、锌合金组织与性能的影响 入金属元素，使表面合金化后深冷处理。对比固溶水冷和深冷处理后的显微组织 发现，深冷处理后得到的针状组织比水冷试样更细小，分布更均匀。王晓峰认为 深冷处理使c r - z r c u 合金中的c r 、z r 粒子弥散析出，且合金出现孪晶结构，长 时间的深冷处理使铜合金x r d 衍射峰的强弱发生明显变化，出现了择优取向【4 引。 学者们对铜合金点焊电极的深冷处理也进行了大量研究。丛吉远等人研究了 深冷处理对铜铬c u c r 电极的影响，发现深冷处理后，合金显微孔洞明显减少， c u 基体孪晶增多，表面出现弥散分布的细小c r 颗粒；材料组织明显细化，且在 两种合金的交界处有互相渗析的现象，金属表面有大量颗粒状析出物。c u c r 触头 在引用深冷处理时，一方面使得材料组织发生微结构变化，机械特性得到进一步 提高；另一方面消除了大部分内应力，提高了材料对电冲击、热冲击、机械冲击 的承受力 4 7 - 4 8 】。涂芳的实验结果表明深冷处理改善了t i b 2 c u 电极的导电、导热 性能，并提高了基体的强度和耐磨性，使电极寿命显著延长。作者认为不同的深 冷处理工艺对电极寿命影响不同，一般情况下重复处理比单次的效果要好【4 引。 1 3 4 其它材料的深冷处理研究 研究表明，深冷处理可以提高镍基合金的塑性，同时也降低了对交变应力集 中的敏感性。其作用机理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。据文献 5 0 5 2 报道，深冷处理可提高硬质合金的硬度和抗弯强度、冲击韧 性和磁矫顽力，但会使磁导率下降。其作用机理是深冷处理使一部分0 【c o 转变为 g - c o ，并在表层产生一定残余压应力。对c 0 5 7 n i l o f e 5 8 1 7 合金的研究发现，深冷处 理可以改善该非晶材料的耐磨性和力学性能。作者认为深冷处理促进了非磁性元 素的表面沉积，发生了结构转变，其转变类似于结晶时的结构松弛【5 引。 1 4 深冷处理的研究现状 深冷处理技术现在又重新成为学者们研究的一个热点。它是指将工件置于 - 1 3 0 一1 9 0 的温度下，按一定工艺进行处理的过程，通常以液氮( - 1 9 6 ) 为制 冷剂。现己广泛应用于黑色金属，有色金属及合金，碳化物，塑料和硅酸盐等材 料，不仅可以显著提高材料的力学性能和使用寿命，稳定尺寸，减小变形，而且 操作简便，不破坏工件，无污染，成本低廉，具有可观的经济效益和市场前景。 常规热处理工艺对金属的强度和韧性很难同时有较大提高，只能牺牲一方面 性能换取另一方面的性能，在很多情况下，现有材料的强度和韧性不是十分理想。 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。 深冷处理只是材料常规热处理的一种延续，材料最终性能的好坏，不单取决 于深冷处理的工艺，还与热处理以及热处理与深冷处理之间相互搭配的工艺等因 素有关，这些因素加大了深冷处理技术稳定使用的难度