冷作模具鋼的深冷處理研究現(xiàn)狀

鐘 強(qiáng)，李秀蘭，何 偉，唐澤洪，胡 瑤

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000)

冷作模具鋼是主要用于制造需要金屬在冷變形狀態(tài)下進(jìn)行變形(冷沖、冷拉、冷鐓、拉伸、拉絲、沖裁等)的模具[1]。其工作的實(shí)際溫度一般低于300 ℃，模具受到的主要作用力包括拉伸、壓縮、沖擊、摩擦等，因此要求冷作模具鋼具有高的硬度、耐磨性、淬透性、淬硬性等，同時還必須具有較好的韌性，以防止崩壞，延長使用壽命。為滿足工況要求，冷作模具鋼多為高碳高合金鋼。不過因含碳量較高，鋼的組織大部分為萊氏體或珠光體，易引起材料的脆性失效，因此常采用等溫淬火、油淬回火和深冷處理等方法提高模具鋼的沖擊韌性。其中深冷處理是提高其綜合性能的方法之一，本文主要綜述深冷處理技術(shù)在冷作模具鋼中的應(yīng)用和發(fā)展，總結(jié)深冷處理的作用機(jī)理，并展望我國深冷處理技術(shù)的應(yīng)用前景。

1 冷作模具鋼深冷處理方法

目前深冷處理技術(shù)在冷作模具鋼方面的研究，主要有兩種方法[2]：液體法和氣體法。液體法是將工件直接放在液氮之中，冷卻速率和升溫速率不可控，但是設(shè)備簡單，投資小，所需要的處理時間短，比較靈活，適合中小企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)使用。但液體法深冷處理目前還存在較大爭議：在液氮當(dāng)中直接放入工件，因?yàn)槔鋮s速率不可控制，工件容易受到特別大的熱應(yīng)力沖擊，導(dǎo)致工件開裂。不過也有人認(rèn)為：將工件放在液氮中工件會迅速形成一層蒸汽膜，起到隔熱作用，深冷不會產(chǎn)生裂紋，在深冷處理過程中處理不當(dāng)則產(chǎn)生裂紋。多數(shù)研究認(rèn)為：深冷處理后的材料擁有優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合度[4-6]。深冷處理的另一種方法為氣體法[3]，也稱為緩冷法，使用低溫氮?dú)鈦碇评?，通過氣體法深冷處理設(shè)備可以控制冷卻速率、升溫速率等參數(shù)，所以產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小，不會導(dǎo)致工件開裂。到目前為止，氣體法深冷處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，氣體法深冷處理設(shè)備也已相當(dāng)成熟，并且已經(jīng)可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)，目前國內(nèi)中科院理化所和一些高科技企業(yè)在深冷處理設(shè)備制作和深冷處理技術(shù)運(yùn)用上較突出。

2 模具鋼深冷處理的原理及特點(diǎn)

2.1 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體

因模具鋼中的合金含量較高，導(dǎo)致淬火冷卻至室溫后有大量的殘余奧氏體存在。殘留的奧氏體在室溫下處于非平衡態(tài)，其Mf點(diǎn)在室溫以下，在深冷處理過程中隨著溫度的降低導(dǎo)致殘余奧氏體持續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，從而使工件的硬度和強(qiáng)度得到提高。Barron等[7]對模具鋼進(jìn)行了深冷處理的研究，認(rèn)為殘余奧氏體經(jīng)過深冷處理后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但剛轉(zhuǎn)變的馬氏體硬而脆，他們將此階段的馬氏體稱為未回火馬氏體。深冷處理經(jīng)再回火后，能得到回火馬氏體，從而可以從整體上提高模具的強(qiáng)度。Podgornik等[8]對冷作工具鋼進(jìn)行深冷處理后，他們發(fā)現(xiàn)由于馬氏體的形成伴隨著塑性變形，所以在保持高硬度的同時，可以顯著提高冷作工具鋼的斷裂韌性。Yang等[9]研究了深冷處理對Cr13Mn2V2鋼中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變方向的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過深冷處理以后馬氏體的含量從59.3%增加到65.2%，證明深冷處理促進(jìn)了殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，并指出殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變是Cr13Mn2V2鋼耐磨性提高的主要原因。

2.2 馬氏體中析出超細(xì)碳化物

深冷處理使鐵的晶格常數(shù)發(fā)生緊縮，可以增大碳原子析出的驅(qū)動力；同時由于殘存奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使得組織的內(nèi)應(yīng)力也會相應(yīng)增加，這就促成了碳化物的析出，形成以超細(xì)碳化物為基的第二相。這些超細(xì)碳化物一般都是均勻彌散分布在馬氏體基體上，對晶界的脆化有一定的減弱作用，起到降低晶界上雜質(zhì)偏聚的效果，從而強(qiáng)化晶界，提高模具的力學(xué)性能。李紹宏等[10-11]認(rèn)為殘存奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是由于低溫下晶格收縮引起的，低溫造成微觀產(chǎn)生大量缺陷，并導(dǎo)致馬氏體中的超細(xì)碳化物析出，在超細(xì)碳化物粒子和更密集的晶格作用下，分子結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，使材料內(nèi)部微小的缺陷反而大大減少。這些析出的超細(xì)碳化物晶體是材料強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和耐磨性提高的原因。安麗麗等[12]對Cr12MoV模具鋼進(jìn)行深冷處理后，發(fā)現(xiàn)不僅耐磨性和強(qiáng)度顯著提高，同時韌性也提高了。研究認(rèn)為深冷處理之后馬氏體孿晶析出納米級細(xì)小碳化物，降低了馬氏體晶格畸變能。李麗東[13]對Cr8Mo2SiV鋼進(jìn)行深冷處理后，發(fā)現(xiàn)殘余奧體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時馬氏體周圍析出彌散的、且跟基體保持共格關(guān)系的超微小碳化物，這些細(xì)小彌散物造成馬氏體的晶格畸變減少，微觀應(yīng)力減小，它在材料塑性變形時還可以阻攔位錯運(yùn)動，起到強(qiáng)化基體組織的作用。

2.3 組織細(xì)化

深冷處理會導(dǎo)致超微細(xì)碳化物核心的形成和馬氏體的微分解，使馬氏體針片和針片內(nèi)的亞單元細(xì)化。經(jīng)過多次的深冷處理后，因?yàn)闇囟炔粩嗟胤磸?fù)變化讓淬火馬氏體中的碳原子偏聚不斷發(fā)生，使馬氏體亞單元和針片都得到了細(xì)化，讓模具的整體性能都得到了提高。李鋼等[14]對LD1鋼進(jìn)行深冷處理研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理后LD1鋼的硬度和多沖疲勞壽命得到提高，原因是深冷處理后塊狀的殘余奧氏體被馬氏體進(jìn)一步分割而細(xì)化，且在馬氏體的邊沿成薄膜狀分布，使得馬氏體邊沿的應(yīng)力集中減小，材料的使用壽命提高。于瑞媛[15]發(fā)現(xiàn)Cr12模具鋼在經(jīng)深冷處理后，組織得以細(xì)化，馬氏體增多，微小的碳化物顆粒在基休組織中均勻析出，提高了材料耐磨性和硬度。

2.4 表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力

深冷處理以后經(jīng)過回火處理，空位表面會產(chǎn)生殘存應(yīng)力，在一定程度上可以降低材料的局部缺陷，宏觀表現(xiàn)是材料的耐磨性提高。呂雁文等[16]將高速鋼經(jīng)深冷處理后，材料表面的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，提高了材料的抗拉疲勞強(qiáng)度和使用壽命。韓曉君等[17]對高速鋼進(jìn)行深冷處理研究后發(fā)現(xiàn)，深冷處理后產(chǎn)生的殘存壓應(yīng)力和原有的熱殘存應(yīng)力方向相反，二者可相互抵消，從而提高高速鋼性能。歐陽求保等[18]對復(fù)合材料進(jìn)行深冷處理后再放置到室溫，發(fā)現(xiàn)材料的殘存應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)都會降低，并且殘存應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)會隨著深冷處理的次數(shù)增多而相應(yīng)減小，說明了復(fù)合材料的殘余應(yīng)力能經(jīng)過深冷處理有效降低，并且經(jīng)過多次深冷處理的效果好于一次深冷處理的效果。

2.5 原子動能的轉(zhuǎn)移

模具鋼經(jīng)過深冷處理后導(dǎo)致部分原子間動能的轉(zhuǎn)移，原子間的結(jié)合更加緊湊，從而提高了材料的韌性和強(qiáng)度。徐晉勇[19]發(fā)現(xiàn)淬火馬氏體經(jīng)過深冷處理后，馬氏體晶格常數(shù)發(fā)生改變，使分解驅(qū)動力增大，但是在溫度比較低時，合金元素和碳原子的擴(kuò)散都很難，原子轉(zhuǎn)移的動能不足，但在深冷處理之后經(jīng)低溫回火可增長原子擴(kuò)散驅(qū)動力，被滲入的合金元素和過飽和碳原子會在馬氏體基體上析出納米級碳化物，提高了材料的耐磨性和硬度。

3 深冷處理后模具鋼的應(yīng)用

對于深冷處理，我國的研究單位進(jìn)行了大量研究，得到了較多的科研成果。特別是以高校為首的科研機(jī)構(gòu)，部分研究成果已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，有些工廠運(yùn)用了這項(xiàng)技術(shù)，如南京依維河公司齒輪箱廠、大同齒輪廠等。我國自主研發(fā)的不銹鋼器皿拉伸模經(jīng)過-196 ℃深冷處理后，再經(jīng)氣體氮碳共滲處理，使用壽命比常規(guī)熱處理模具提高10倍以上。佟曉輝等[20]對Cr12MoV鋼和Cr12鋼進(jìn)行深冷處理研究后發(fā)現(xiàn)，在高硬度的情況下，由Cr12鋼制作的電機(jī)轉(zhuǎn)子硅鋼片冷沖模的使用壽命可延長3倍以上，Cr12MoV鋼制作的六角螺帽(M16)冷鐓模使用壽命可延長10倍以上。還有實(shí)例表明[21]，汽車廠廣泛使用的高速鋼凸模，經(jīng)過深冷處理后的使用次數(shù)比未處理的最高可提高6倍。對于硅鋼片的冷沖模，結(jié)合深冷處理工藝和中溫回火，模具的刃口使用壽命能提高3倍以上，抗破壞性和其它綜合性能得到改善。

4 結(jié)論與展望

目前深冷處理的作用機(jī)理在學(xué)術(shù)界尚未能達(dá)到統(tǒng)一，但冷作模具鋼經(jīng)過深冷處理后殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和馬氏體中超細(xì)碳化物的析出已經(jīng)通過現(xiàn)代顯微技術(shù)得到證明。但深冷處理在模具鋼的應(yīng)用方面還是有很多值得探討的問題，比如：原子動能的轉(zhuǎn)移機(jī)理、表面殘余壓應(yīng)力變化、計算機(jī)模擬仿真、深冷的晶格變化等問題都沒有進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究。圍繞這些問題，我國應(yīng)該加大深冷處理對冷作模具鋼性能影響規(guī)律的探索，爭取形成具有我國核心自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)體系，打破國外的技術(shù)封鎖。