深冷處理技術在不銹鋼及鋁合金中的應用

彭菲菲，康 鳳，舒大禹，寧海青

(中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039)

深冷處理又稱超低溫處理，是在143 K以下處理材料，使材料的微觀組織結構產(chǎn)生變化，從而改善材料機械、物理性能的一種方法。深冷處理是一種熱處理技術，常采用液氮作為制冷劑。該技術不僅可以提高鋼鐵材料的強韌性和耐磨性，而且可以提高鋁合金材料的尺寸穩(wěn)定性，已成為各國改善工具使用性能的手段之一，是一種很有前景的材料熱處理新工藝［1－3］。

1 國內(nèi)外研究情況

美國在深冷處理對金屬組織性能影響方面的研究已經(jīng)進行了60余年，部分研究成果已在航空領域得到了應用。1971年R.F.Barron研究發(fā)現(xiàn)，將工具鋼材料的工件在－190℃的低溫下保溫20 h，可以將工件中的殘余奧氏體徹底轉化為馬氏體。不僅如此，馬氏體還可以繼續(xù)析出彌散分布的碳化物，這樣能使工具鋼材料的耐磨性得到大幅的提高。意大利人A.Molinari也對高速鋼M2的深冷處理進行了研究。他認為高速鋼在淬火/回火后進行深冷處理能夠提高機械性能，尤其是在硬度方面極為明顯，而硬度的提高會使耐磨性大幅提升［4］。日本Konik公司對轉塔式壓力機模具實施深冷處理，減小了模具外徑磨削余量，使凸模部分淬火HRC提高0.5～1.7，使用壽命延長3～5 倍［6］。

鋁合金的深冷處理研究是國內(nèi)低溫技術研究的一個重點領域。李寰等在研究中發(fā)現(xiàn):采用深冷處理技術，不僅可以消除鋁基碳化硅復合材料中的殘余應力，同時其彈性模量亦得到改善;湯光平研究發(fā)現(xiàn):深冷處理能夠減少鋁合金在加工時產(chǎn)生的尺寸變形，提高材料的硬度［7－8］。中南大學在研究中發(fā)現(xiàn)了深冷處理能夠使鋁合金發(fā)生晶粒轉動，據(jù)此提出了新的鋁合金的深冷強化機制［9］。

2 深冷處理的作用機理

2.1 深冷處理對鋼鐵材料的作用

1)馬氏體中析出彌散分布的超細碳化物。在－196℃深冷環(huán)境中，馬氏體體積收縮，F(xiàn)e的晶格常數(shù)有縮小的趨勢，碳原子析出的驅動力加強。由于擴散在低溫下非常困難，因此大量彌散的碳化物在馬氏體的基體上析出［10］。

2)消除殘余奧氏體。殘余奧氏體在Mf點以下將發(fā)生分解并轉變?yōu)轳R氏體，零件的強度和硬度能夠得到提高。但深冷處理并不能完全消除殘余奧氏體，僅能降低其數(shù)量。

3)轉移金屬原子的動能。金屬原子間存在原子的結合力和使之分開的動能。深冷處理轉移了金屬原子的動能，使原子結合更緊密，從而提高了金屬的機械性能。

2.2 深冷處理對有色金屬的作用

1)銅及銅基合金。深冷處理能夠提高銅合金組織中β相的相對含量，使組織趨向穩(wěn)定。有研究表明:H62黃銅經(jīng)過深冷處理后，硬度和強度得到顯著提高;經(jīng)深冷處理后銅電極電導率也有所提高。對于銅合金的作用機理目前沒有明確的定論，一般認為可能是在低溫環(huán)境下其組織中發(fā)生了相變(類似殘余奧氏體向馬氏體轉變)，同時晶粒得以細化［11］。

2)鋁及鋁合金。深冷處理能夠消除殘余應力，提升工件的尺寸穩(wěn)定性，減少加工中的尺寸變形，提高材料的強度和硬度。目前，相關的機理還沒有系統(tǒng)和成熟的研究。還有研究發(fā)現(xiàn)深冷處理導致鋁合金發(fā)生晶粒轉動的現(xiàn)象［12－13］。

2.3 深冷處理對硬質合金的作用

采用深冷處理技術可以提高硬質合金的硬度和抗彎強度、沖擊韌性，但同時也會使其磁導率下降。一般認為深冷處理使組織中一部分的α－Co轉變?yōu)棣牛瑿o，并在表層產(chǎn)生了殘余壓應力［14］。

3 深冷處理工藝試驗

3.1 不銹鋼深冷處理工藝試驗

9Cr18是一種應用較廣的高碳高鉻馬氏體不銹鋼，常用于機械刀具、高耐磨設備零件的生產(chǎn)，是軸承制造中的常見材料。由于碳、鉻含量極高，淬火后具有較高的硬度和耐磨性，極易形成不均勻的碳化物而影響鋼的性能，但在大氣和某些酸、鹽溶液中具有優(yōu)良的耐蝕性能。常用淬火溫度為1000～1050℃，油冷，回火溫度為200～300℃。

對某廠航空用軸套零件進行了深冷處理試驗。該零件經(jīng)1050℃ 油淬，205℃ 回火，硬度HRC為53～60，殘余奧氏體質量分數(shù)為9.2% ～12.7%，不符合零件技術要求，需要將殘余奧氏體質量分數(shù)降低到10%以內(nèi)。采用深冷處理將軸套分為3組開展試驗:① －196℃ ×4 h;② －130℃×4 h;③ －130℃ ×4 h+200℃ ×2 h，即采用不同的深冷溫度，深冷后進行二次回火處理，處理后檢測零件硬度，再檢測零件的殘余奧氏體含量。

對試驗后的零件進行了組織分析，結果如圖1、2所示。由圖可以看出:9Cr18經(jīng)1050℃油淬、205℃回火，以及深冷處理后，組織均為棕黑色隱針狀回火馬氏體，顆粒狀二次碳化物及塊狀共晶碳化物。由于檢測到的殘余奧氏體的質量分數(shù)在15%以下，因此在金相圖中均不明顯，唯有通過X射線衍射法才能詳細檢測。

圖1 試樣原始組織400×

圖2 試樣－130℃ ×4 h深冷處理后組織400×

采用X射線法檢測試樣深冷處理前后試樣的殘余奧氏體質量分數(shù)變化，試驗結果如表1所示，其中殘奧含量為3件試樣平均值。從表1可以看出:經(jīng)深冷處理后，試樣的硬度變化不明顯，但殘余奧氏體質量分數(shù)有了明顯的降低，從平均在10%以上降低到了平均在4%以下，滿足了零件的技術要求。因此，深冷處理可以有效降低9Cr18不銹鋼調質熱處理后的殘余奧氏體質量分數(shù)，但對其硬度的影響不明顯，可以作為降低不銹鋼殘余奧氏體的一種有效手段。

表1 深冷處理前后試樣的殘余奧氏體含量變化

3.2 超硬鋁合金深冷處理工藝試驗

以7A04鋁合金某構件為試驗對象。該構件具有內(nèi)部凹槽，平均壁厚為15 mm。該構件經(jīng)固溶時效處理后，在銑削加工側壁的過程中發(fā)生了較大程度的尺寸變形，兩側壁向內(nèi)呈凹變形，最大處變形發(fā)生在口部，達到0.28 mm，導致產(chǎn)品無法滿足要求。為了穩(wěn)定構件尺寸，開展了深冷處理消除殘余應力的研究。首先采用X射線衍射法測量了在構件側壁上的殘余應力分布情況。同時還通過腐蝕剝層法分別測量了構件側壁上深度為2 mm和4 mm處的殘余應力。

對檢測點平均數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結果表明:在構件側壁靠近底托部位殘余應力分布較大。從深度檢測結果得出:殘余應力由壓應力逐漸向拉應力轉變，壓應力最大值達－135 MPa。從殘余應力分布情況可以看出:該構件在側面的銑削加工中殘余應力的釋放導致側面薄壁處發(fā)生嚴重變形。

采用－140℃ ×1.2 h+120℃ ×3 h和循環(huán)2次的工藝對該構件進行了深冷處理，試驗了6件試樣。試驗后檢測構件兩側壁的初始寬度尺寸，再對零件的兩側壁進行銑削加工至產(chǎn)品要求尺寸。加工完成后檢測該構件兩側壁同一部位的寬度尺寸。將前后數(shù)據(jù)進行比較，并以此作為深冷處理效果的表征，結果見表2。從表2可以看出:6個試樣的尺寸變化都較小，最大尺寸變化僅為0.07 mm;與深冷處理前相比，其尺寸的變化量已大幅減小，平均尺寸變化量為－0.048 mm，平均尺寸變化率為1.24×10－3，已能夠滿足該零件的技術要求。

表2 加工后試樣側壁尺寸測量數(shù)據(jù) mm

4 結論

1)深冷處理技術作為一種材料熱處理新工藝極具應用前景，但目前深冷處理對各類材料的組織和性能的影響研究還處于探索階段。深冷處理的突破性研究將會給金屬材料的性能提升和工程應用帶來更大發(fā)展。

2)對于9Cr18不銹鋼，深冷處理方法能夠顯著降低構件中的殘余奧氏體含量，而對構件的硬度影響不大。在3種處理工藝中，－196℃ ×4 h即直接液氮浸泡處理得到的試樣殘余奧氏體最少。

3)對于7A04鋁合金，深冷處理方法能夠有效減小構件的加工變形，穩(wěn)定產(chǎn)品尺寸，提高加工合格率，工藝操作簡便，具有廣泛的應用前景。

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