钢件深冷处理_标准探讨.docx

蔡 红，叶 俭，卢 军( 上海市机械制造工艺研究所有限公司，上海200070)摘要: 钢件深冷处理标准是我国首次制定的推荐性国家标准。本文对该标准中的适用范围、处理设备、常用材料、前期热处理及深冷处理工艺等相关技术数据进行了探讨，以便于该标准的推广和应用。关键词: 深冷处理; 马氏体; 残留奥氏体; 碳化物; 标准中图分类号: TG156. 91文献标志码: A文章编号: 0254-6051( 2011) 09-0067-03Discussion on cryogenic treatment of steel parts standardsCAI Hong，YE Jian，LU Jun( Shanghai Machine Building Technology Institute Co ，Ltd ，Shanghai 200070，China)Abstract: The standard of “cryogenic treatment of steel part”was firstly established as a recommendable national standard in our country For the convenience of spreading and applying it was explained clearly to regard the field of application of this standard，treatment equipment， common used materials，pre-heat treatment，technique parameters about cryogenic treatment and so onKey words: cryogenic treatment; martensite; retained austenite; carbide; standard钢件深冷处理的最终目的是稳定工件尺寸、提高工件的综合性能或特定的服役特性，是对材料潜能的 深度发掘，可进一步提高材料的使用价值，达到节材降 耗的目的。钢件深冷处理工艺可应用于机械装备、航 空航天、仪器仪表、工具、模具、汽车和军事科学等领 域。20 世纪初，国外就开始研究用冷处理的方法来改 变钢的组织和性能。20 世纪 70 年代，美国休斯顿航 空、通用动力等公司开始使用深冷处理技术，并出现了 专门从事深冷处理工艺的专业性公司。进入 20 世纪80 年代后，澳大利亚、德国、英国等国家的科研人员对 深冷处理的工艺、机理方面做了一定的研究( 主要集 中在工具钢上) ，研究结果普遍认为深冷处理可使金 属材料的某些性能明显提高，特别是工具钢经过深冷 处理后提高了硬度和耐磨性，其耐磨性可以提高 2. 0 6. 6 倍，极大地节省了材料。国内关于金属材料冷处理的研究从 20 世纪 60 年 代初开始，当时的冷处理研究工作的重点是提高金属 材料尺寸的稳定性，冷处理的温度一般为 70 ，其 实际应用主要是在要求尺寸稳定性的量具及某些军工 产品的零件上。随着制冷设备和制冷剂的技术开发和 发展，我国从 20 世纪 90 年代开始开展深冷处理的工 艺研究。本世纪初，一些企业已开始将深冷处理工艺运用于工具钢、轴承钢和高速钢等钢件，相关的深冷处理设备也逐步商品化。总结国内外文献，大多数文 献1-7认为，通过合适的深冷处理工艺可以明显提高 合金工具钢、碳素工具钢等的硬度、红硬性、耐磨性和 使用寿命。研究人员普遍认为，残留奥氏体转变为马 氏体以及析出弥散碳化物是深冷处理后钢件综合力学 性能明显改善的主要原因8-14。尽管深冷处理工艺技术有着广泛的应用前景并已 深入发展，但经检索查询，国内外均未见公开的相关工 艺技术标准。因此，为了推广应用深冷处理工艺，由全 国热处理标准化技术委员会提出制定钢件深冷处 理推荐性国家标准的工作。深冷处理适用范围深冷处理最先被用于提高钢件尺寸稳定性和受磨 损的工模具和工件上，后来处理的材料又扩展到合金 钢、铜合金、铅合金、钛合金以及硬质合金等。对于钢 件而言，深冷处理使残留奥氏体转变为马氏体，还将促 进马氏体内细小碳化物的析出，增强了马氏体基体，硬 度和耐磨性也随之提高。由于不同体系材料的生产工 艺和微观组织存在较大区别，其深冷处理工艺也不尽 相同，且深冷处理工艺目前主要运用于钢件方面的处 理。因此，该标准的适用范围是钢件深冷处理。1收稿日期: 2011-03-24作者简介: 蔡 红( 1955) ，男，上海人，高级工程师，上海市机械工程 学会热处理专业委员会秘书长，主要从事金属材料热处理研究工作。 联系电话:E-mail: yszz3229 163. com深冷处理常用钢材适用有效深冷处理工艺的常用钢材见表 1。2第 36 卷68表 1 深冷处理常用钢材Table 1 Commonly used steels for cryogenic treatment留奥氏体含量。表 2 钢件淬火 + 深冷处理 + 回火、淬火 + 回火 +深冷处理 + 回火的硬度和磨损率测试结果Table 2 Test results of hardness and wear rate of steel parts after quenching，cryogenic treatment，temperingand quenching，tempering，cryogenic treatment，tempering类别标准碳素工具钢弹簧钢 高碳铬轴承钢 不锈钢和耐热钢 合金工具钢GB / T 1298 所列牌号GB / T 1222 所列牌号GB / T 18254 所列牌号GB / T 20878 中的马氏体型不锈钢GB / T 1299 所列牌号GB / T 9943 所列牌号淬火 + 深冷+ 回火淬火 + 回火+ 深冷 + 回火钢件种类性能硬度 / HRC磨损率 / ( mgh 1 )64. 00. 162. 80. 2高速工具钢W6Mo5Cr4V2 钢GB / T 3077、GB / T 5216 中 可 用 于 渗碳、碳氮共渗牌号硬度 / HRC磨损率 / ( mgh 1 )渗碳钢、碳氮共渗钢注63. 50. 962. 91. 3GCr15 钢注: 经过渗碳或碳氮共渗 + 淬火的工件。硬度 / HRC磨损率 / ( mgh 1 )62. 21. 561. 42. 295Cr183深冷处理设备目前我国制造的深冷处理设备主要有两种制冷形式: 一是高于 80 的深冷处理设备，可采用机械制冷式; 二是 80 以下采用液氮为制冷剂的辐射换热 和对流换热的深冷设备。在该标准中液氮作为制冷剂 的依据是液氮既安全又经济，目前国内生产深冷处理 设备的企业也将液氮作为主要制冷剂。这些深冷处理设备均配置温控系统，降温和回温 速度一般可调。根据钢件深冷处理技术的要求，并结 合目前我国深冷处理设备的制造技术和条件，该标准 规定了深冷处理设备的工作温度、控温精度、温度允许 偏差值及降温回温速度等技术参数。图 1淬火与深冷处理的间隔时间对 GCr15 钢硬度和残留奥氏体含量的影响Effect of time interval between quenching and cryogenic treatment on the hardness and retained austenite content of GCr15 steelFig 1工艺试验前期热处理由于不同的前期热处理工艺将影响钢件深冷处理44. 1钢件在淬火和深冷处理前都应去除表面的油污和脱碳层。工件表面若有脱碳层，在深冷处理过程中，有 出现开裂的现象。4. 2深冷处理后的性能，在该标准制定过程中，针对钢件的前期热处理状态、前期淬火-深冷处理的间隔时间、钢件的表面 状态等不同前期热处理工艺进行了试验。表 2 是钢件淬火 + 深冷处理 + 回火、淬火 + 回火+ 深冷处理 + 回火的硬度和耐磨性测试结果。从表 2 数据中可以看出，淬火后直接深冷处理比淬火回火后 深冷处理具有更高的硬度和更小的磨损率。因此，该 标准规定了对于要求提高硬度和耐磨性的钢件而言， 可在淬火后直接进行深冷处理。但是，对于形状复杂 的钢件，淬火后应及时回火消除内应力，再进行深冷处 理，以避免钢件开裂。钢件经淬火后及时进行深冷处理，有利于残留奥 氏体向马氏体转变和碳化物的析出而弥散强化，增加 材料的硬度。从图 1 中可以看出，GCr15 钢件淬火后2 h 内进行深冷处理可获得最高的硬度值和最低的残1)针对深冷处理过程中的降温速度，一般情况下对钢件的残留奥氏体含量和力学性能无显著影响，但对于形状复杂、易畸变和开裂的钢件，如果深冷处理速 度过快，则会出现由应力引发的开裂，因此，该标准根 据深冷处理设备的降温技术参数和试验结果确定降温 的速度。2) 深冷处理温度一般以 Mf 为参考点。图 2 ( a) 和图 2( b) 的结果表明，随着深冷处理温度的降低，钢 件残留奥氏体含量降低，硬度值增加，当深冷温度低于 130 时，残留奥氏体向马氏体转变基本完成，但在 更低的温度将有利于细小碳化物的析出而弥散强化。 因此，在该标准中规定，对于一般工模具而言，深冷处 理温度为 70 100 ，而对硬度和耐磨性有更高第 9 期蔡 红，等: 钢件深冷处理标准探讨69图 2 深冷处理温度和时间对钢的硬度和残留奥氏体含量的影响( a) 深冷温度与硬度; ( b) 深冷温度与残留奥氏体含量; ( c) 保温时间与硬度Fig 2 Effect of cryogenic treatment on hardness and retained austenite content of steels( a) cryogenic temperature vs hardness of steel; ( b) cryogenic temperature vs retained austenite content of steels; ( c) cryogenic holding time vs hardness of steel要求的工模具可选 120 150 的温度。3) 图 2 ( c ) 是经过不同深冷处理保温时间后 Cr12MoV 和 W6Mo5Cr4V2 钢件的洛氏硬度值。从图 2 ( c) 中可以看出，随着深冷处理时间的延长，钢件的硬 度增加，但是当深冷处理保温时间超过 4 h 后，硬度值 基本保持不变。因此，该标准规定，对于一般尺寸的钢 件而言，深冷保温时间一般不超过 4 h，而对较大尺寸 的钢件而言，可适当延长其深冷保温时间。4) 深冷处理对钢件尺寸稳定性的影响。钢件经 深冷处理后，在室温条件下极少发生马氏体转变，从 而不发生或少发生尺寸改变现象。因此，该标准规 定了对于一般稳定性要求的工件而言，可在 70 100 进行深冷处理，而对尺寸精度有特殊要求的 钢件，可在更低的温度下进行深冷处理。由于深冷 温度低于 130 时，残留奥氏体向马氏体转变基本 完成，因此，设定极限温度为 150 。如高速油泵 柱塞常因工作温度升高造成膨胀而导致时效。没有 经过深冷处理的柱塞，只能连续工作 5 h; 经过 70 深冷处理的，能连续工作 7 h; 而经过 150 深冷处 理的连续工作时间可达 10 h 以上。去除深冷件表面冷凝水分后，应在 1 h 内进行回火。具体回火工艺以消除内应力为主，钢件深冷处理标 准中不作具体规定。参考文献:1尹洪臣，刘肃人 液氮深冷处理的应用研究J 国外金属热处理，1999( 4) : 43-452冯铭瑶，王重生 热处理对 GCr15 钢马氏体相变及耐磨性的影响J 金属热处理学报，1993，14( 4) : 48-503段春争 高速钢深冷处理工艺及机理研究D 兰州: 甘肃工业大 学，20004李智超，董 允 回火后深冷处理试验J 热加工工艺，1989( 5) :37-405 Collins D N Deep cryogenic treatment of tool steels: a reviewJ Heat Treatment of Metals，1996( 2) : 40-426董 允，林晓娉，李智超 深冷处理对高速钢红硬性及耐磨性的研 究J 金属热处理，1997，22( 9) : 13-157Lal D Mohan，Renganarayanan S，Kalanidhi A Cryogenic treatment to augment wear resistance of tool and die steelsJ Cryogenics，2001，41 ( 3) : 149-1558 Molinari A，Pellizzari M，Gialanella S，et al Effect of deep cryogenic treatment on the mechanical properties of tool steelsJ Journal of Materials Processing Technology，2001，118( 1-3) : 350-3559Firouzdor V，Nejati E，Khomamizadeh F Effect of deep cryogenic treatment on wear resistance and tool life of M2 HSS drillJ Journal of Materials Processing Technology，2008，206( 1 /3) : 467-47210 Singh P Johan，Guha B，Achar D R G Fatigue life imp