鋼鐵材料深冷處理的研究進展

陳九龍，魯蘇皖，龔易愷，劉昭全

(1.四川大學匹茲堡學院，四川 成都610207；2.核工業(yè)西南物理研究院，四川成都610225)

深冷處理技術是一種以提高金屬材料性能和使用壽命為目標而興起的金屬冷處理工藝。所謂深冷處理工藝，是在冷處理工藝(0℃～-100℃)［1］的基礎上發(fā)展而來，利用液氮(-196℃)作為冷卻介質，將淬火后的金屬材料的冷卻過程延續(xù)下去，達到遠低于室溫的某一溫度，促使常規(guī)熱處理后所存在的殘余奧氏體得到進一步轉化，從而改善金屬材料的性能［2］。傳統(tǒng)冷處理工藝處理的金屬材料存在奧氏體殘留量大、開裂［3］等缺點，深冷處理后的工具鋼、高速鋼等材料所制造的各種刀具、刃具、工模具工件的耐磨性、韌性和使用壽命［4-8］等得到了極大的提高，在工業(yè)領域得到了的廣泛應用，并得到了科研人員的青睞。其應用范圍也從鋼鐵材料延伸到了鎂合金［9，10］、鋁合金［11-13］、鈦合金［14-17］等材料。經過深冷處理的金屬材料在鐘表、機械制造、汽車、航空航天、船舶運輸［18-21］等工業(yè)領域都有著極為廣泛的應用。

1 深冷處理技術的發(fā)展

鋼鐵材料目前作為世界上應用最為廣泛的金屬材料，已經有很長的研究、發(fā)展歷史。對鋼的傳統(tǒng)熱處理通常是先進行淬火，形成強度較高的馬氏體，再通過回火消除應力，并減小其中的奧氏體殘留［22］。然而，殘余的奧氏體無法被完全清除，對材料的硬度、強度及耐磨性等會產生影響。同時，亞穩(wěn)態(tài)的殘余奧氏體在工作中可能會發(fā)生馬氏體轉變，影響材料的精度及穩(wěn)定性。制造機械性能好和制造精度要求比較高的零件，大多數選用含碳量較高的優(yōu)質碳素結構鋼、碳素工具鋼以及各種類型的合金鋼［23-25］，并且仍存在大量的殘余奧氏體，因而限制了材料硬度及強度的提高。金屬材料從高溫到室溫的降溫過程中，奧氏體到馬氏體的結構轉變初期速度較快，剩余的轉變伴有體積膨脹的過程，且這種過程持續(xù)時間很長，常常需要數年的時間才能穩(wěn)定，這給金屬精密件帶來時間穩(wěn)定性方面的問題［26-28］，使一些緊密配合的金屬件經過一段時間后工作失效。深冷處理工藝正是在解決這個問題時被發(fā)現和發(fā)展起來的［29］，深冷處理技術是建立在傳統(tǒng)熱處理之上，控制退火的溫度至-130℃以下對材料進行處理［30，31］。深冷處理有助于提高材料的過冷度，減少奧氏體殘留，并促進殘余奧氏體向馬氏體轉變。經過深冷處理的鋼鐵材料相較于一般熱處理的鋼鐵材料，在耐磨性及硬度方面有了很大改觀［32］。深冷處理作為一種有效的工藝手段，它逐漸顯示出強大的生命力，正在迅速的為世界各國所采用。使用深冷處理工藝的零件有大型軋鋼機滾軸、精密儀器的齒輪、刃具、量具、油泵油嘴、飛輪發(fā)動機的渦輪軸、精密軸承及低溫閥門等［33-35］，影響遍及整個機械加工行業(yè)。目前，深冷處理過程主要在淬火后或回火后進行［36］，對于不同種鋼材適用的處理方法不同，具體仍需深入研究。

2 深冷處理對鋼鐵耐磨性的影響

鋼作為一種在工業(yè)上應用十分廣泛的金屬材料，因其加工性能好、價格低廉等優(yōu)點，在工業(yè)上常常被用于制作截齒、刃具、刀頭、基板、模具［37，38］等工件。所以耐磨性對于鋼材料來說是一項非常重要的性能，使用耐磨性不好的鋼材料制作的產品往往會由于磨損過快、磨損后無法滿足加工精度需求等原因，使得生產成本增高，所以如何提高鋼材料的耐磨性是目前科研人員關注的一個重點問題［39］。目前大量的研究表明，對于高速鋼、工具鋼、軸承鋼等鋼材料進行深冷處理后，鋼材料的耐磨性能得到了極大的提高。

Tang等［40］設計出了一種新型的磁場耦合深冷處理(MDCT)，使用AISI 4140鋼作為實驗材料，在兩個釹鐵硼永磁體產生的磁場之中，在113 k(-160℃)的條件下對樣品進行深冷處理，其工藝設置示意圖見圖1。后續(xù)研究表明經MDCT處理的AISI 4140鋼擁有更好的摩擦性能。在摩擦性能測試中，經MDCT處理的樣品摩擦系數為0.52，相較于傳統(tǒng)工藝處理的AISI 4140鋼下降約17.0%，MDCT處理的AISI 4140鋼耐磨損性相較于普通AISI 4140鋼提升了29%。但同時，MDCT處理也導致AISI 4140鋼材的硬度下降約4.7%。為研究深冷處理對于GCr15軸承鋼耐磨性的影響，葛艷輝［41］采用四種處理工藝對GCr15軸承鋼進行處理，首先在810℃下進行4 h的球化回火，再在810℃下進行20 min的油淬，然后對其中三組在160℃下進行2 h的低溫回火，最后對兩組處理后的GCr15軸承鋼在-196℃分別進行10 h和20 h的深冷處理以及160℃，2 h的低溫回火處理。圖2為四種不同工藝處理后的GCr15軸承鋼的金相組織圖，其中(a)為球化回火+油淬處理的金相組織圖，(b)為球化回火+油淬+低溫回火處理的金相組織圖，(c)為球化回火+油淬+低溫回火+10 h深冷處理的金相組織圖，(d)為球化回火+油淬+低溫回火+20 h深冷處理的金相組織圖。在圖(b)中可見，未經過深冷處理的GCr15軸承鋼中含有較多的殘留奧氏體，將(c)、(d)與(b)作比較可明顯看出殘留奧氏體減少，同時細小的碳化物顆粒也相應增加，且經過20 h深冷處理的GCr15軸承鋼所析出的碳化物多于經過10 h處理的GCr15軸承鋼?？梢?，在深冷處理中，殘余奧氏體繼續(xù)分解為馬氏體，所以殘余奧氏體減少，馬氏體增加，且部分馬氏體發(fā)生了細化。同時隨著深冷處理時間的延長，細小碳化物析出增多，并且馬氏體為碳化物提供了支撐，使其在磨損時發(fā)生脫落，使得GCr15軸承鋼的耐磨性得到了提升。

圖1 MDCT工藝設置示意圖Figure 1 Schematic diagramof process setting

以上研究結果表明，經過深冷處理的工具鋼、軸承鋼等鋼鐵材料擁有更好的耐磨性，使其在機械加工方面有了更為優(yōu)秀的性能。目前認為其原因是相較于常規(guī)工藝所生產出來的鋼材料，深冷處理中的超低溫條件可以促進奧氏體轉變?yōu)轳R氏體［42-44］，在處理過程中過飽和的馬氏體可以析出大量的碳以及產生更多的滲碳體［45，46］。板條馬氏體碎化、基體組織細化、碳化物顆粒細化［47-51］等現象也都可以提高鋼鐵材料的耐磨性。同時有觀點認為耐磨性提升的最主要原因是細小彌散碳化物的析出。李彩云等［52］對W6Mo5Cr4V2高速鋼刃具的深冷處理機理進行了研究，發(fā)現提升其耐磨性的主要原因是大塊碳化物碎化并析出細小的彌散碳化物顆粒，而本身奧氏體含量較小的工具鋼隨著奧氏體的繼續(xù)轉化，其對材料耐磨性增強的貢獻并不大。在機械加工行業(yè)中使用的刀具、刃具等耗材領域，由于深冷處理后的鋼材料耐磨性增強，使得深冷鋼所加工的刀具、刃具、截齒等耗材在加工過程的損耗更小，能有效節(jié)約生產成本［53］。

圖2 不同流程處理后的金相組織圖(600X)Figure 2 The microstructure of different processing(600X)

3 深冷處理對鋼鐵硬度的影響

鋼材料被廣泛應用于航空航天、汽車船舶、機械工程［54-57］等領域。如在車輛工程中，許多廠家都選擇鋼作為車架的主要材料［58-60］，所以鋼材料的硬度能在一定程度上決定受到撞擊時，車體對于駕乘人員的保護能力［61，62］，同樣，在機床方面，鉆頭、刀頭等工具對于鋼的硬度同樣有較高的要求。所以，如何提高鋼材料的硬度也是科研人員探尋的方向。在國內外的相關研究中，經過深冷處理的鋼鐵材料硬度都有所提升。同時，在生產硬質合金的過程中，深冷處理工藝就是一種時效性強、效果好的具有發(fā)展前途的工藝手段。

M.Priyadarshin等［63］將AISI P20工具鋼分別做-50℃和-100℃的冷處理以及-150℃的深冷處理并對三種樣本的硬度和耐磨性做了相關測試。發(fā)現經過-150℃深冷處理金屬的顯微硬度值在320-330 HV的范圍內，與未經處理的金屬相比提高了約35.0%。同時，經過深冷處理金屬的耐磨性相較于未經處理的金屬與冷處理金屬也有進一步的提升，特別是與未經處理的金屬相比提高了28%。為了研究深冷處理對AISI D2鋼硬度的影響，Debdulal Das等［64］在控制變量的情況下對AISI D2鋼分別進行常規(guī)熱處理與不同溫度的冷處理。結果顯示，樣品的宏觀硬度(HV60)在經過常規(guī)熱處理、冷處理、淺冷處理以及深冷處理后分別為7.44 GPa、7.63 GPa、7.72 GPa、8.04 GPa。樣品的微觀硬度(HV0.05)在經過常規(guī)熱處理、冷處理、淺冷處理以及深冷處理后分別為9.03 GPa、9.29 GPa、9.42 GPa、10.06 GPa。實驗結果表明，普通冷處理和淺冷處理相比常規(guī)熱處理，對于樣品的硬度值的提高較小，而深冷處理相比普通熱處理可以更有效提升樣品的硬度。

以上研究結果表明，經過深冷處理的鋼鐵材料擁有更好的硬度。其主要原因是鋼中殘留的奧氏體在低溫下很不穩(wěn)定，深冷處理能夠促進剩余的奧氏體繼續(xù)轉化為馬氏體，提升材料的硬度及強度。同時，鋼在發(fā)生馬氏體轉化的過程中所析出的碳也在一定程度上細化了馬氏體的基體組織，使鋼的硬度得到進一步的提高［65，66］。經深冷處理后的高硬度鋼材在機械加工、車輛船舶、航空航天等領域有了更為廣闊的應用空間，一方面在提升安全性的同時，也能降低生產成本［67，68］。

4 深冷處理對鋼鐵尺寸穩(wěn)定性的影響

鋼鐵是目前世界上使用量最大的金屬材料之一，在一些對尺寸要求較高的零部件制造上也能見到其身影。在常見的精密儀器、模具等方面對于產品的尺寸有著極為嚴格的要求，傳統(tǒng)工藝所生產出來的產品由于殘余應力大，在使用過程中在殘余應力的影響下會發(fā)生形變，在長時間的使用下，產品的形變可能會超過所能接受的最大工差，導致零件或設備的更換，使企業(yè)生產成本增高。深冷處理對于金屬材料有非常好的減少殘余應力的作用，在一個工件殘余應力少的情況下，其尺寸就更為穩(wěn)定［69-72］。

楊靜等［73］對W6 Mo5Cr4V2鋼長桿件在淬火后進行了-180℃保溫3小時的深冷處理。由于低溫環(huán)境達到了馬氏體轉變溫度，在經過深冷處理后的W6 Mo5Cr4V2鋼中，大部分不穩(wěn)定的殘余奧氏體向馬氏體轉變，而少量穩(wěn)定性較好的奧氏體在多次回火及深冷處理中仍然保留了下來。結果發(fā)現，深冷處理對鋼的穩(wěn)定性有著極大的提升，并且通過合理控制處理材料的方案，能夠極大地影響到材料的穩(wěn)定性。實驗中，淬火+深冷處理+高溫回火三次+時效工藝方案對W6 Mo5Cr4V2鋼尺寸穩(wěn)定性的改善效果最好。通過對GCr15鋼增加深冷處理，并對比分析了普通熱處理、回火前-180℃深冷處理及回火后-180℃深冷處理等材料的尺寸穩(wěn)定性。實驗中，材料穩(wěn)定性的測量方法采用圓環(huán)開口法，將不同步驟處理過的圓環(huán)打兩個5 mm間距的壓痕，并在壓痕中間等距離處切割出3 mm的缺口，通過兩壓痕中間距離的變化量來評價材料的穩(wěn)定性。實驗結果表明，經過普通熱處理后的圓環(huán)尺寸穩(wěn)定性最差，而經過深冷處理的兩組圓環(huán)尺寸穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通熱處理的圓環(huán)。其中，回火前深冷處理的一組尺寸穩(wěn)定性最佳。通過對其顯微組織的分析，發(fā)現了經深冷處理后，材料組織內部的馬氏體由取向清晰變?yōu)榱讼嗷ゴ┎?，并有部分發(fā)生了碎化現象，使得內部晶粒細化、晶界增多。因此，深冷處理后材料的穩(wěn)定性明顯增強［74］。

由以上研究結果可以看出，經過深冷處理后的鋼材料無論是在短時間內還是長時間段中，其尺寸的穩(wěn)定性都有了極大的提高。這是由于深冷處理能使鋼鐵組織內部不穩(wěn)定的殘留奧氏體轉化為馬氏體，減少由于奧氏體與馬氏體比容差所造成的尺寸變化。其次，在深冷處理過程中發(fā)生馬氏體細化以及碳化物析出，析出的碳化物填充在晶格間隙之間，有效的增強了材料對于時效變形的抵抗力。最后，深冷處理能有效降低產品的殘余應力，使其尺寸穩(wěn)定性提高。經過深冷處理的鋼由于尺寸更為穩(wěn)定，在模具、車輛船舶、精密儀器［75］等領域有了更廣泛的運用空間。

5 結語與展望

鋼鐵材料的在經過深冷處理后，在各個方面都體現出了更為優(yōu)秀的性能。有奧氏體殘留少、應力剩余量小、耐磨性好等優(yōu)點，經過深冷處理的工具鋼制備出的機床刀頭擁有更高的硬度和耐磨損性，相較于傳統(tǒng)工藝鋼材制作的刀頭效率更高、壽命更長?？梢姡罾涮幚韺τ诮饘傩阅?，特別是奧氏體殘留方面有著極為突出的作用。但同時，深冷處理也有著材料的晶體缺陷增加、熱沖擊大導致工件開裂［76］等問題。目前深冷處理的主要研究方向在于改進深冷處理的工藝流程，以發(fā)現更優(yōu)的冷卻速率、冷卻溫度和保溫時間的組合為目標，進一步提高處理后金屬材料的各項性能，并且解決目前存在的缺陷。同時也要拓寬深冷處理技術的應用范圍。由于深冷處理可以在不改變現有材料成分基礎上改善材料的力學性能，因此科研人員不僅將深冷處理應用在硬質合金、有色金屬上，同時也將這項技術在無機非金屬及復合材料等方向上的應用進行研究。值得一提的是，由于復合材料的結構與單相材料有較大差異，因此深冷處理的機理會變的比較復雜，不適合直接用單相材料上微觀組織的變化進行類比討論。目前國內對于復合材料深冷處理機理的研究還較為缺乏。隨著對深冷處理工藝的深入研究，未來經過深冷處理的金屬材料可能會擁有更多的優(yōu)異性能，同時也可以在改變更多種類材料的力學性能方面有所進展，深冷處理這項技術也將擁有更為廣闊的發(fā)展前景及應用空間。