钢铁材料深冷处理技术的研究与应用

钢铁材料深冷处理技术的研究与应用

ct，又名超低温处理或超亚冷处理，是一种用溶液氮作为原料在低于130c的温度下处理的方法。这是传统冷处理的扩展，是对20世纪中后期以来广泛应用于工业生产的一种新技术。深冷处理是将被处理工件置于特定的、可控的低温环境中,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。被处理材料在低温环境下由于微观组织结构发生了改变,在宏观上表现为材料的耐磨性、尺寸稳定性、冲击韧性、抗拉强度、残余应力等方面的提高。深冷处理不仅可以显著提高黑色金属、有色金属、碳化物、塑料、硅酸盐等材料的力学性能和使用寿命,还可起到稳定尺寸、改善均匀性、减小变形的作用,而且操作简便,不破坏工件,无污染,成本低。应用行业遍布于航空航天、精密仪器仪表、摩擦偶件、工模具、量具、纺织机械零件、汽车工业和军事科学等诸多领域。目前,深冷技术应用通常以液氮作为冷源,利用其相变(气化)吸热来获得低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一,因其无毒无味、对环境无害,因而其在深冷处理技术的应用属于绿色制造技术范畴,具有可观的经济效益和广阔的市场应用前景。1深冷处理技术早在19世纪,瑞士钟表匠就将钟表的关键零件埋在寒冷的雪山中,以提高其耐磨性。一些经验丰富的工具制造者则把工具钢放到山上的雪洞中或冷冻箱内很长时间存放,以提高其使用寿命,此时为深冷处理的萌芽阶段。深冷处理技术真正被提出是在1939年,由前苏联科学家提出,ГУЛЯЕВ首先提出高速钢深冷处理,并在理论上提出了冷至-80℃的理论依据,但由于实验结果的不统一及当时测试手段的局限,使该项研究停滞不前。随着液氮的广泛应用及低温绝热技术的发展,为深冷处理技术的发展创造了良好的条件。美国从20世纪50年代开始进行深冷处理对金属性能影响的研究,主要应用对象是航空领域。1965年Barron对12种工具钢、3种不锈钢和其他4种钢材分别进行了深冷处理实验,发现经深冷处理与未经深冷处理的模具钢相比,耐磨性比原来提高2~6.6倍,且经-190℃深冷处理的工件的耐磨性是经-84℃冷处理的2.6倍,认为其机理是深冷处理不仅可以使残留奥氏体转化为马氏体,而且还可使马氏体析出弥散的碳化物。进入20世纪80年代,各国对深冷处理技术的研究更加深入。1987年,由美国的Gray发起成立了国际深冷处理研究会。同时期美国成立了若干个专业化的深冷处理公司,如3XInstruments!Tolling、MaterialImprovement和Amecry等公司,开展深冷处理技术的应用和服务,并分别对刀具、磨具、高速钢、轴承、齿轮、特殊弹簧、硬质合金等进行深冷处理,从实验结果可知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5~10倍。许多著名的国外公司,如GeneralDynamics,GeneralMotors,GarretteTurbine,HughesAircraft,Rockwell,Steelcase,Motorola,IBM等公司开始使用深冷处理技术,取得了很好的效果。英国BOC公司开发一种称为Ellenite的冷处理方法,即将工模具放到液态氮蒸汽中进行预冷后,在液氮中进行长期浸泡,这对提高工模具的使用寿命具有明显的效果。此外该公司的Frey还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,而粉末冶金工件的力学性能也得到了明显的改善。日本的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SKD模具使用寿命和SKD11钢耐磨性的影响;山中正喜研究了深冷处理对工具钢(SK3、SKD11、SKS11、SKD51)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。我国徐祖耀院士在1960年对高速钢的低温处理进行了卓有成效地研究工作。进一步的深冷处理研究发生在20世纪80年代后期,李智超、董允等开始研究深冷处理工艺在各钢种上的应用,如深冷处理对冷模具材料9SiCr力学性能的影响,对深冷处理40Cr钢的韧性进行了探讨,对深冷处理高速钢的工艺规范及力学性能进行了研究等等。如今,我国国内主要对工模具钢、轴承钢、高速钢及硬质合金等进行了大规模深冷处理技术的引用,特别是在标准件行业、工具行业、纺织行业、油嘴油泵、轴承及航空航天等。近几年来,深冷处理从着重黑色金属的研究扩大到有色金属(铝合金、铜合金及镁合金等)以及复合材料等方面,并取得一定进展。表1中所列数据为国内学者所研究的高合金钢在深冷处理前后的耐磨性能变化情况。为了满足生产需求,各国均研制生产了许多专用的深冷处理设备,如英国的BOC公司的Ellenite设备,可以均匀冷却,精确控温。Cosmos公司的CI系列电脑控制的深冷处理设备等。近年来,我国中国科学院理化技术研究所低温实验技术与仪器组自行研制开发了SLX系列深冷处理箱。该系列设备以液氮为制冷剂,采用先进的制冷技术、控温技术、加热技术与液氮分散技术使程控降温、保温、升温各过程均匀稳定,为工件的不同降温升温速率、深冷处理工艺的严格实施及低温时效等提供了有力保障。2寒冷处理技术2.1网篮预冷总量的确定深冷处理通常以液氮(-196℃)为制冷剂,根据使用液氮的方法不同,深冷处理方式分为液体法和气体法两种。液体法是将工件直接放入液氮中冷却,具体工艺为:将盛放零件的网篮放入液氮容器内,开始在液氮水平面上空预冷,最长时间为4h,目的是预防剧冷引起变形开裂。预冷后将网篮逐渐放入深冷设备中保持一定时间,然后取出零件,使其自然恢复到室温。液体法的热冲击性较大,容易造成工件开裂。而气体法也称干低温法,不是把零件置于液氮中,而是通过液氮的气化潜热和低温氮气吸热来致冷,处理效果较好,热冲击性较小,实用性好,目前被普遍采用。深冷处理工艺示意图如图1所示。2.2深冷和高温作用目前,对深冷速度主要有两种观点:一种认为深冷的升降速度不能太快,即不赞成将工件直接浸入液氮中,因为急冷将导致工件内部的应力增大,易造成工件的变形或开裂。如日本的深冷急热法,工件淬火后不马上进行冷处理,而是先水浴,再放入处理槽中在-80℃或-180℃下进行深冷处理,保温一段时间后立即放入60℃热水浴中,使试样快速回温以减少内应力,然后选用不同温度回火1h。另一种则认为应快速冷却或升温,这样会使残留奥氏体更多转变为马氏体,且直浸冷却速率比油淬慢,不易引起材料变形或开裂。如前苏联的冲击式深冷处理工艺,被处理的工件直接快速地放入液氮中,深冷到所需的温度后保温5~30min,然后取出放在空气中回升到室温,然后可在200~250℃的油中回火1h,对于高速钢工具则采用400℃回火30~60min,该方法明显提高了高速钢刀具的使用寿命。但太快会造成被处理零件内外部温差,使残留奥氏体向马氏体的转变不能同步进行,会产生内应力和体积差,易造成零件变形或开裂,因此有些学者采用分段不同速度进行。为避免深冷处理裂纹,国外有人提出深冷处理-急热法。在淬火后将工件放入100℃热水中煮30min左右,消除淬火应力,然后在深冷处理后投入水中或热水中回升到室温。也有人在液氮中再进行超声波处理,可使马氏体量增加。一般认为深冷处理应在淬火后立即进行,但工具深冷处理实验证实:深冷处理即可在热处理过程中进行,也可在工具制成后进行。2.3回转前后模具的确定按回火工艺的顺序,深冷处理可分为回火后深冷与回火前深冷,但没有统一的观点,有的学者采用回火前深冷,有的采用回火后深冷,大多数学者采用前者。研究表明,回火前深冷能较大地提高工件的切削性能,回火后深冷能大幅度提高工件的力学性能。对于要求硬度高、动载荷较大的模具,应选用回火前深冷,对于受冲击载荷较大、易弯曲的模具,应采用回火后深冷,回火后深冷能使硬度较低的奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和抗热性更高的马氏体。有些学者对比了两种工艺顺序,得到了效果较好的如下两种工艺顺序:淬火+深冷+回火一次,及淬火+回火一次+深冷+回火一次。2.4残留持续达到和稳定化的时间及条件深冷处理的保温时间,主要应根据被处理零件的体积大小、导热性的好坏、冷透所需要的时间及残留奥氏体转变稳定化的情况,不用考虑残留奥氏体向马氏体转变的速度。有些学者认为短时间保温即可,另外一些学者则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留奥氏体充分的转变和更有利于碳化物粒子的形成。2.5深冷处理对力学性能的影响关于深冷处理的次数,一般认为多次深冷处理比单次深冷处理效果要好。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,还有人发现三次深冷处理使抗冲击耐磨能力提高很多。也有学者认为经二次深冷处理效果最佳,认为二次循环可以最大限度的改善材料的力学性能,重复第一次的变化,促使细小的碳化物进一步析出、马氏体的进一步细化及残留奥氏体的转变。关于深冷处理的回火温度,各学者采用的有低温或中温回火,回火温度范围是100~560℃。3深层冷处理的机理和应用国内外对于黑色金属的深冷处理机理研究的较为广泛和深入,已基本取得共识,主要有以下几种观点。3.1深冷处理的影响由于钢中奥氏体在低温环境下非常不稳定,残留奥氏体发生分解转变为马氏体,会使位错密度提高,使原来的缺陷(微孔及内应力集中的部分)产生塑性流动而变成组织细化,因此只要将金属置于超低温环境下,其中的奥氏体会转化成马氏体,会使工件的硬度、强度均得到提高,也使工件的尺寸稳定,但降低了韧性。Gill等研究了深冷处理对AISIM2高速钢冶金学性能的影响,深冷处理过程中残留奥氏体向马氏体转变及马氏体在低温回火过程中均会产生内应力,这些内应力会促进孪晶和晶格位错的形成。有些学者认为深冷处理能消除全部的残留奥氏体,也有学者认为深冷处理只能降低残留奥氏体的含量而不能完全消除残留奥氏体。也有些学者认为,深冷处理只是改变了残留奥氏体的形状、分布和亚结构,有利于钢材强韧性的提高。3.2晶粒细化的影响深冷处理不仅促使钢中残留奥氏体转变,而且有细化组织、析出微细碳化物的作用。顾彪对回火后W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高速钢刀具进行-196℃控温和液氮浸泡式深冷处理,结果显示控温式深冷处理可以使高速钢相互矛盾的两项性能指标韧性与硬度同时获得提高,晶粒细化是冲击韧性提高的主要原因,大量微细碳化物的弥散析出是其硬度获得少许提高的主要原因。组织细化引起工件的强韧化,这主要指原来粗大的马氏体板条发生了碎化,有学者认为晶粒细化的主要原因是由于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细化。Gill等对AISIM2高速钢未经深冷处理及在-196℃深冷处理并保温38h的扫描电镜(SEM)形貌进行了对比,如图2所示,图2(a)为高速钢未经深冷处理的SEM形貌,由图可见晶粒较为粗大,在晶界或晶内分布有大块的析出相;图2(b)是高速钢在-196℃经过38h深冷处理后的SEM形貌,对比发现深冷处理能得到更细小的晶粒组织,并且也观察到了大量细小弥散的碳化物析出。3.3未深冷处理后的sem形貌变化在超低温时由于组织体积收缩,Fe点阵常数有缩小的趋势,从而加强碳原子析出的驱动力,在低温下碳化物扩散更为困难,扩散距离变短,于是马氏体的基体析出大量超微细碳化物,这些超微细结晶体会使材料的强度提高,同时增加耐磨性与刚性。Molinari等认为不同的工艺参数,如奥氏体化、淬火和回火温度对M2工具钢的力学性能和耐磨性均有影响,较高的奥氏体化温度和回火温度及较低的淬火温度,将提高材料的硬度而降低冲击韧性,认为其机理是因为残留奥氏体转变更彻底以及一些细小碳化物颗粒的析出。残留奥氏体转变、微细碳化物弥散析出及基体组织细化是性能提高的内在原因。李彩云等对W6Mo5Cr4V2高速钢成品刀具低温(-196℃)强化机理进行了研究,认为经深冷处理后,碳化物的粒度和分布的均匀性是刀具耐磨性和使用寿命提高1~3倍的主要原因,而不是残留奥氏体向马氏体的转变,刀具强化不是由于硬度提高所致。段春争等对W18Cr4V进行多次循环深冷处理后,有大量新的超细弥散碳化物颗粒沿马氏体孪晶带和位错线析出。随深冷处理次数增加,析出的碳化物量增多,尺寸和间距减小。大多数的文献均提到,马氏体中大量超细弥散的碳化物的析出,是耐磨性和寿命提高及硬度获得少量提高的主要原因。图3是作者对W6Mo5Cr4V2高速钢棒材进行未深冷处理及-180℃的深冷处理实验的SEM形貌,图3(a)是未深冷处理的试样形貌,其工艺是将试样在1130℃奥氏体化之后以最快的速度进行淬火,然后观察SEM形貌;图3(b)是在-180℃深冷处理保温3h并在回温之后立即进行200℃的低温回火之后的SEM形貌,发现组织中出现大量超细的碳化物颗粒弥散析出,组织变得更细小,与图3(a)相比,明显可见细小并增多的弥散的碳化物颗粒。经检测洛氏硬度,图3(a)未深冷处理试样的硬度为55.4HRC;图3(b)经深冷处理试样的硬度值为65.4HRC。3.4深冷处理研究深冷处理技术广泛应用于黑色金属材料及其合金以改善和提高材料的力学性能、提高耐磨性以延长零件和工具的使用寿命,增加材料的稳定性。深冷处理最先应用于工具钢及模具钢。冷作模具钢由于其价格低廉而在制造业中应用广泛,但最常见的问题就是模具精度过早降低,导致产品质量下降,尺寸偏差超差,从而使模具过早的报废,无形中增加了模具的生产成本。因而现阶段广泛采用深冷处理技术来提高冷作模具钢的硬度及耐磨性,获得了业界的广泛认可。吴晓春、李向军等研究了冷、热作模具钢在深冷处理过程中的组织性能的转变行为进行了深入的研究,从而扩大了工模具钢的应用领域。硬质合金广泛应用于金属切削刀具、凿岩采掘钻探工具、耐磨零件等方面,在采矿业、石油钻探、隧道工程、木材加工和建筑业等工业中被广泛应用。目前,深冷处理在硬质合金中的应用得到了越来越多的关注,国内外学者对深冷处理后硬质合金的微观组织形貌、物相结构、残余应力状况、物理力学性能、切削性能等方面的变化进行了研究。深冷处理可提高硬质合金的耐磨性和切削寿命,这点已经得到了共识,但深冷处理对硬质合金机械性能、残余应力状况等方面的影响尚存在不同的观点,工业上深冷处理硬质合金制品的推广应用还处于起步阶段,作用机理尚未得到广泛认同。硬质合金刀具深冷处理的机理与应用技术的研究将对提高我国工具行业的技术水平和制造业的综合竞争力有着深远的意义,具有极其广阔的应用前景,在这方面要做的研究工作还很多,潜力也非常大。赵国华、李士燕等等对深冷处理对GCr15钢的组织和性能影响进行了研究分析,发现深冷处理可明显提高其耐磨性,硬度及韧性也均得到提高,扩大了其在轴承钢领域的应用。丁玉朋等对Cr12钢轧辊深冷处理工艺进行了实验研究,分析了不同工艺参数对轧辊硬度和耐磨性的影响规律,认为深冷处理促使残留奥氏体向马氏体转变,并在马氏体的基体上析出碳化物颗粒,这是Cr12钢轧辊硬度和耐磨性提高的主要原因,也证明了深冷处理技术在轧辊用