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深冷处理设备在热处理中起的作用

文章出处:admin 人气:发表时间:2018-01-30 15:34

深冷处理国内现在有冷处理、冰冷处理(-78℃以内)、深冷处理(-130℃——-180℃)、超深冷处理(-180℃——-196℃)等叫法。
国外通常是用sub-zero、Cryogenic Treatment、Deep Cryogenic Treatment等叫法。
深冷处理设备在热处理中起的作用
深冷处理设备在热处理中起作用机理如下:
1、 提升工件的硬度及强度
 深冷处理某种意义上是淬火的延续,通过降低温度让Mf点在常温以下的材料继续完成A向M的转变,像某些高碳高合金钢及低合金渗碳钢Mf点都比较低,在常规淬火后,残余奥氏体可达25%,甚至更高,通过继续转变,通常可以提高HRC1-3度,多时甚至可达HRC5-6度。
 在马氏体基体析出纳米级别的超细碳化物,微量提升了工件的硬度,上海交大的钱士强用16Mn实验,基本撇开了残奥转变的影响,经多次深冷的工件相比未深冷的硬度提高了HRC约1.5度,说明弥散分布的超细碳化物对组织起到了弥散强化的作用。
 根据材料手册,材料硬度在HRC50以上时,我们可以看到硬度每提升HRC0.5度,铬钢、铬钒钢及铬钼钢的抗拉强度通常提高幅度在30MPA左右。
 提升大件的整体硬度,增加淬硬层深。
 
2、 保证工件的尺寸精度
残余奥氏体是一种不稳定组织,会随着时间的推移以及外力的作用而促使其部分转变为马氏体,影响工件的尺寸精度。 
奥氏体的比体积:0.1212+0.0033(%C) w(C)%=0-2
马氏体的比体积:0.1271+0.0025(%C) w(C)%=0-2
在正常情况下,按照以上公式估算,奥氏体全部转变为马氏体体积增加约4%左右,假设热处理后有10%的残奥存在时,全部转变为马氏体则体积有0.4%的膨胀. 深冷处理可以把残奥控制在5%甚至3%以下,并且残留的那部分奥氏体在后续加工及使用中很难再发生转变,所以,工件的精度得以大大提高。
材料内部的点缺陷、空位等也会造成工件使用过程中的尺寸变化。
 通过极低温度的深冷处理,驱动原有的点缺陷产生塑性流变,减少空位缺陷。 采用正电子淹没技术测出了深冷后的空位表浓度变化, 深冷前的正电子寿命为298s,深冷后为163.4s,可见,深冷处理减少近半数的空位浓度,因此提高了工件的强度和尺寸稳定性,甚至可以避免形成空位群而造成微裂纹。(同时这也是改变某些有色金属电阻率的原因。)
 
3、 提高工件的耐磨性
硬度提升了,高硬度的马氏体比奥氏体显而易见的更耐磨。像W18CR4V\CR12等材料,当硬度从HV600提升到HV800时,其相对耐磨性分别提升大约15%至20%。
大量析出并弥散分布在马氏体位错线和孪晶带上的超细碳化物,对马氏体基体起到钉扎和支撑的作用,即使深冷有时并未明显提升工件硬度,但我们可以明显看到其耐磨性的提升。
对高碳高合金工件来说,耐磨性提升50%还是比较多见的。
 
4、 提高工件的冲击韧性
 低温收缩导致材料晶格常数缩小,在马氏体基体上析出纳米级别的超细碳化物,同时马氏体的轴比降低,陈长风、李士燕的实验验证了T12在经过深冷处理(-196℃保温10小时)后,其马氏体轴比数值稳定在1.027,而未深冷的轴比在1.038,在李雄、李士燕的另外一个高速钢W6CR5MO4V2的深冷实验中,其马氏体轴比从未深冷的1.022降到深冷(-196℃保温12小时)后的1.014
 同上实验,马氏体的碳含量从0.49%降到0.32%,未深冷的马氏体孪晶宽度为20-70nm, 经过深冷后马氏体孪晶宽度未10-20nm,晶粒明显细化。而且孪晶带上析出的碳化物颗粒尺寸为6-10nm。晶粒度越细,细晶带来的强化量越大。
 深冷减少空位浓度,点缺陷的减少也是工件冲击韧性提高的原因之一。
 
5、 改善工件的内应力分布,提高疲劳强度
深冷处理通过细化组织、弥散分布碳化物、减少点缺陷等变化,对工件内部的应力进行了再分布,并改变了某些应力的状态。
 当工件从深冷的温度回升并经正常温度回火时,相当于多了接近两百度的温差用来消除应力。某种意义上,长时慢速深冷的全过程作用类似于人工时效。
 要想起得很好的深冷处理消除应力的效果,深冷工艺中的降温速度及升温速度控制非常重要。
 
6、 提高工件的耐腐蚀性能
深冷处理细化了晶粒,晶界的细化可以减少晶间腐蚀的机会。
转移了多余的自由能,并减小了奥氏体和马氏体的两相电位差,减少了电化学腐蚀的机会。 l 减少了组织内部的应力,使组织更均匀,减少了应力腐蚀的机会。
减少空位浓度可有效减少氢在组织内部富集的机会。
其他小的方面还有诸如:减少工件热处理后线切割或磨削的开裂风险,提升工件的抛光性能,改善工件的矫顽力等指标。对某些需要三次回火的模具工件来讲,深冷处理也可以减少一次回火工序。

二、深冷处理的作用
深冷处理针对黑色金属的改善主要在以下几方面:
     1、高速钢刀具、刃具、工量具寿命的提高;
     2、硬质合金的刀具、刃具寿命的提高;
     3、硬质合金的钻头、钻具的寿命提高;
     4、金刚石制成品的性能改善,如人造金刚石热稳定性提高、人造金刚石矿用钻头、金刚石Φ105mm锯片等的性能提高;
     5、金刚石热压机的顶锤性能提高;
     6、精密机械的装配零件的尺寸稳定;
     7、碳纤维丝的性能提高;
     8、油嘴、弹簧、齿轮、轴承使用寿命提高;
     9、机械制造产业中的热作模具、冷作模具使用寿命提高。
  
 
三、 深冷处理工艺制定要素
在实际生产中采用何种深冷处理工艺,我觉得要考虑以下几个因素:
 1、 要求提高什么性能
 是提高尺寸精度还是提高冲击韧性?是提高硬度、耐磨性还是其他导电性能?不同要求决定了不同的工艺。
 2、 工件的材质
 工件材质的不同决定其Mf点,而通常深冷处理的温度都应该低过其Mf点,所以深冷处理的温度和工件材质相关。
 3、 工件的尺寸及几何形状
 工件的尺寸决定工件的保温时间,而几何形状决定深冷处理是否需要前道工序预先消除应力,同时降温的速度也主要是由工件的几何形状和其应力状态来决定的。
 4、 成本与性能比
 在能够满足客户要求的前提下,尽可能的降低成本,现代企业分工很明确,对供应链的每个阶段都有成本控制的要求,作为制造企业也应考虑到性价比。深冷处理从效果上来说,当然是温度越低,效果越好。但考虑到成本的问题,在实际生产中,大家通常是做到Mf点以下低一点。不过,这样的工艺能解决的是部分残A的问题,至于析出超细碳化物,减少组织应力(此点是在回火过程中解决,温差越大,效果可能越好)效果就不明显。
 在充分考虑的以上要素之后,才能科学的制订深冷处理工艺,深冷工艺包括以下几个内容:
 1、 深冷前处理
 2、 处理温度
 3、 处理时间
 4、 降温速度
 5、 深冷次数
 6、 深冷后处理
 
四、 深冷处理的典型应用
工量刃具、圆锯片、圆刀类
 冷作模具
 马氏体不锈钢类的刀剪产品
 冷轧辊
 轴承、齿轮、微型马达轴
 油泵、油嘴、柱塞泵等精密偶件
 低温阀门、弹簧
  改变有色金属的导电性能、强度等
 

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