深冷處理工藝

1、隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，對金屬材料的要求也越來越高，如何在材料以及熱處理工藝既定的前提下盡量提高金屬工件的機械性能及使用壽命，這成為很多熱處理行業(yè)前沿人士思考并探索的問題。一、問題的提出：鋼材在熱處理工藝之后，其硬度及機械性能均大大提高，但熱處理后依然有殘存的以下問題：1、殘余奧氏體。其比例大約有10%-20%，由于奧氏體很不穩(wěn)定，當受到外力作用或環(huán)境溫度改變時，易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而奧氏體與馬氏體的比容不一樣，將造成材料的不規(guī)則膨脹，降低工件的尺寸精度。2、組織晶粒粗大，材料碳化物固溶過飽和。3、殘余內(nèi)應力。熱處理后的殘余內(nèi)應力將降低材料的疲勞強度以及其他機械性能，在應力釋放過程中且易導致工件的

2、變形。二、深冷工藝的優(yōu)點：經(jīng)過國內(nèi)外許多金屬材料研究者的不懈研究，深冷及超深冷處理工藝被認為是解決以上問題的最優(yōu)方法，其優(yōu)點如下：1、它使硬度較低的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^硬的、更穩(wěn)定的、耐磨性和抗熱性更高的馬氏體。2、馬氏體的晶界、晶界邊緣、晶界內(nèi)部分解、細化，析出大量超細微的碳化物，過飽和的馬氏體在深冷的過程中，過飽和度降低，析出的超細微碳化物，與基體保持共格關(guān)系，能使馬氏體晶格畸變并減小，微觀應力降低，而細小彌散的碳化物在材料塑性變形時可以阻礙位錯運動，從而強化基體組織；同時由于超細微的碳化物析出，均勻分布在馬氏體基體上，減弱了晶界催化作用，而基體組織的細化既減弱了雜質(zhì)元素在晶界的偏聚程度，又

3、發(fā)揮了晶界強化作用。從而使材料的綜合力學性能得到三個方面的提高：材料的韌性改善，沖擊韌性高,基體抗回火穩(wěn)定性和抗疲勞性得到提高；耐磨損的性能得到提高；尺寸穩(wěn)定性提高。從而達到了強化基體，改善熱處理質(zhì)量，減少回火次數(shù)，延長模具壽命的目的。3、材料經(jīng)深冷處理后內(nèi)部熱應力和機械應力大為降低，并且由于降溫過程中使微孔或應力集中部位產(chǎn)生了塑性流變，而在升溫過程中會在此類空位表面產(chǎn)生壓應力，這種壓應力可以大大減輕缺陷對工件局部性能的損害，從而有效地減少了金屬工件產(chǎn)生變形、開裂的可能性。三、深冷工藝的生產(chǎn)使用效果1、高速鋼冷作模具深冷處理不同處理工藝對W6Cr5Mo4V2Co(M2)鋼殘留奧氏體的影響（體積

4、百分數(shù)%）熱處理工藝殘留奧氏體AR1240淬火+5601h3次回火10-196深冷處理5.6深冷處理過程中，大量的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是過飽和的亞穩(wěn)定馬氏體在從-196至室溫過程中會降低過飽和度，析出彌散、尺寸僅為2060A并與基體保持共格關(guān)系的超微細碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減小，微觀應力降低，而細小彌散的碳化物在材料塑性變形時可以阻礙位錯運動，從而強化基體組織。同時由于超微細碳化物顆析出，均勻分布在馬氏體基體上，減弱了晶界催化作用，而基體組織的細化既減弱了雜質(zhì)元素在晶界的偏聚程度，又發(fā)揮了晶界強化作用，從而改善了高速鋼的性能，使硬度、沖擊韌性和耐磨性都顯著提高。模具硬度高，其耐磨

5、性也就好，如硬度由60HRC提高至62-63HRC，模具耐磨性增加30%40%?？煽闯錾罾涮幚砗竽＞叩南鄬δ湍バ蕴岣?0%，延長深冷處理時間后，在硬度沒有太大變化的情況下，相對耐磨性有所增大。舉實例說明：（1）凸模：汽車廠的高速鋼凸模，未經(jīng)深冷處理時只能使用10萬次，而采用液氮經(jīng)-1964h深冷處理后再400回火，使用壽命提高到130萬次。（2）沖壓凹模：生產(chǎn)使用結(jié)果表明，深冷處理后產(chǎn)量提高二倍多。（3）硅鋼片冷沖模：為降低模具深冷處理后的脆性和內(nèi)應力，將深冷處理與中溫回火相配合，可改善模具抗破壞性及其它綜合性能，模具的刃磨壽命提高3倍以上，穩(wěn)定在57萬沖次。經(jīng)過深冷或超深冷處理的精密量具，尺

6、寸穩(wěn)定性、耐磨性有顯著的提高。2、H13鋼鋁型材熱擠模具深冷處理H13(4Cr5MoSiV1)鋼是國外廣泛應用的一種熱作模具鋼。在我國近幾年來H13鋼被普遍推廣用于制造鋁型材熱作模具。鋁型材熱擠壓模具在生產(chǎn)過程中受高溫（4500C-5200C），高壓及鋁材的劇烈摩擦作用，模具的失效主要是由于磨損和熱疲勞，以及熱處理不當,導致早期失效（如斷裂、軟、塌、缺等因素）。目前，國內(nèi)模具平均使用壽命與國際先進水平還存在一定的差距。熱處理技術(shù)和表面處理技術(shù)的落后是造成模具壽命低的主要原因。經(jīng)深冷處理使H13合金鋼的組織發(fā)生以下三個變化：1）殘余奧氏體一部分乃至全部轉(zhuǎn)變成馬氏體；2）殘余奧氏體的殘余部分組織相

7、對穩(wěn)定，其組織內(nèi)部細化，所以得到強化，對韌性作出貢獻；3）材料的韌性改善，沖擊韌性高；舉例如下：試驗工件為鋁型材擠壓模。工件經(jīng)機械加工，但未進行精細加工，按模具常規(guī)熱處理工藝：1040淬火580（兩次）回火，氮化。模具常規(guī)熱處理+深冷處理工藝：、1040淬火580兩次回火，深冷（-19624h），15030min回火，氮化。、1040淬火590兩次回火，深冷（-19624h），10030min回火，氮化。深冷處理工藝(2)的兩套模具交鋁型材廠生產(chǎn)使用，結(jié)果其中一套生產(chǎn)出合格型材9.5噸，該廠認為模具效果不錯；工藝(1)的兩套模具在另一鋁型材廠使用，生產(chǎn)量達到9.2噸/套。按所生產(chǎn)型材壁厚0.1

8、mm偏差的質(zhì)量標準計算，一般只能產(chǎn)出鋁型材4-5噸的水平；經(jīng)過深冷處理的兩副模具已經(jīng)超過上述產(chǎn)量水平。拉出的型材產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，主要表現(xiàn)在型材光潔度高，截面均勻性好，實驗結(jié)果基本說明，按深冷處理工藝（1），處理H13鋼鋁型材熱作擠壓模具，能提高使用壽命40%以上。3、Cr12MoV鋼冷鐓模深冷處理Cr12MoV鋼具有高的含碳量和含鉻量，能形成大量碳化物和高合金度的馬氏體，使鋼具有高硬度，高耐磨性。同時，鉻又使鋼具有高的淬透性和回火穩(wěn)定性，鉬增加了鋼的淬透性并且細化晶粒，釩既可以細化晶粒又可以增加材料的韌性，又能形成高硬度的VC，以進一步增加鋼的耐磨性，所以Cr12MoV鋼是制造冷作模具廣泛使用的

9、材料.以Cr12MoV鋼硅鋼片凸模為例：制造工藝為：下料鍛造球化退火機加工最終熱處理磨削。最終熱處理工藝為：淬火加熱溫度1030，回火220。雖然在機加工之前，毛坯經(jīng)過改鍛，但熱處理后模具使用壽命不高。(1)凸模失效分析通過對26個失效的凸模分析，發(fā)現(xiàn)模具失效的原因是劈裂與折斷，其折斷位置基本處于凸模長度方向的中間位置，劈裂位置全部處于韌口底部，凸模斷裂前后的尺寸和形狀沒有變化，在斷裂過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何塑性變形，全是脆性斷裂。失效凸?；瘜W成分：1.65C、0.36Si、0.30Mn、12.1Cr、0.46Mo、0.23V、0.027S、0.026P。金相組織：回火馬氏體碳化物殘余奧氏體，其中殘余奧氏體含量較多，碳化物大小不均，有的顆粒較大，且大塊碳化物還帶有棱角。實驗證明，對W6Mo_SCr4V2高速鋼絲錐深冷處理性能影響的四大因素為:深冷溫度、深冷保溫時間、回火溫度和冷卻速度，其中影響最大的因素為深冷溫度。因此，在深冷處理的實驗和模擬過