金屬冷處理技術

深冷處理設備就是利用液氮作為冷卻介質，可將低溫箱溫度降至-196℃，溫度可控。低溫箱內壁為不銹鋼，溫度采用智能儀表控制，系統(tǒng)結構簡單，部件布置緊湊，操作直觀簡單。深冷處理設備將淬火后的金屬材料的冷卻過程繼續(xù)下去，達到遠地域室溫的某一溫度，從而達到改善金屬材料性能的目的。深冷加工技術是近年來興起的一種改善金屬材料性能的新工藝技術，是目前*有效，*經濟的技術手段。在深冷處理過程中，金屬中的大量殘余奧氏體轉變馬氏體，特別是過飽和的亞穩(wěn)定馬氏體再從-196攝氏度至室溫過程中會降低飽和度，析出彌散，微觀盈利降低，在細小彌散的碳化物在材料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發(fā)揮了晶界強化作用，從而改善了工模具性能，使硬度，抗沖擊韌性和耐磨性都顯著提高。 

【技術指標】 

★·控溫范圍：室溫—-196℃ 

★·降溫速度：1—50℃ 

★·溫度均勻度：±1℃ 

★·控制方式：溫控智能儀表，保溫結束自動報警 

★·制冷機： 液氮 

★·設備：臥式、井式、箱式、柜式、推車式等 

★·保溫材料：航空航天專用保溫材料 

★·低溫箱內壁：不銹鋼 

★·電源： 220V或360V 

【深冷技術應用】 

★·高速鋼及硬質合金刀具、刃具、量具使用壽命提高 

★·油嘴、彈簧、齒輪、軸承耐磨性和使用壽命提高 

★·熱作模具、冷作模具使用壽命提高及尺寸穩(wěn)定 

★·金剛石制成品的性能改善 

★·精密機械的裝配零件的尺寸穩(wěn)定 

★·礦山地質鉆頭、鋼片使用壽命的提高 

【深冷處理設備型號有臥式、隧道式、井式、箱式、柜式、立式、平板式、推車式等】 【深冷處理】 深冷處理是將金屬在－196℃下進行處理，使柔軟的殘余奧氏體幾乎全部轉變成高強度的馬氏體，并能減少表面疏松，降低表面粗糙度的一個熱處理后工序，當這個工序完成后，不僅僅是表面，幾乎可以使整個金屬的強度增加，耐磨性增加，韌性增加，其他性能指標改善，從而使得模具和刀具翻新數(shù)次后仍然具有高的耐磨性和高的強度，壽命成倍增加。而未進行深冷處理的刀剪產品，翻新后壽命會顯著降低。深冷處理不僅應用于刀剪產品，而且能應用于制作刀剪產品的模具上，同樣可以使模具壽命顯著提高。 

〖深冷處理的機理〗 

1、消除殘余奧氏體： 一般淬火回火后的殘余奧氏體在8～20％左右，殘余奧氏體會隨著時間的推移進一步馬氏體化，在馬氏體轉變過程中，會引起體積的膨脹，從而影響到尺寸精度，并且使晶格內部應力增加，嚴重影響到金屬性能，深冷處理一般能使殘余奧氏體降低到2％以下，消除殘余奧氏體的影響。如果有較多的殘余奧氏體，強度降低，在周期應力作用下，容易疲勞脫落，造成附近碳化物顆粒懸空，很快與基體脫落，產生剝落坑，形成較大粗糙度的表面。 

2、填補內部空隙，使金屬表面積即耐磨面增大： 深冷處理使得馬氏體填補內部空隙，使得金屬表面更加密實，使耐磨面積增加，晶格更小，合金成分析出均勻，淬火層深度增加，而且不僅僅是表面，使翻新次數(shù)增加，壽命提高。 

3、析出碳化物顆粒： 深冷處理不僅減少殘余馬氏體，還可以析出碳化物顆粒，而且可細化馬氏體孿晶，由于深冷時馬氏體的收縮迫使晶格減少，驅使碳原子的析出，而且由于低溫下碳原子擴散困難，因而形成的碳化物尺寸達納米級，并附著在馬氏體孿晶帶上，增加硬度和韌性。深冷處理后金屬的磨損形態(tài)與未深冷的金屬顯著不同，說明它們的磨損機理不同。 深冷處理可以使絕大部分殘余奧氏體馬氏體化，并在馬氏體內析出高彌散度的碳化物顆粒，伴隨著基體組織的細微化，這種改變無法用傳統(tǒng)的金屬學，相變理論來解釋，也不是以原子擴散形式來進行的，一般 -160℃～－180℃下，原子已經失去了擴散能力，只能以物理學能量觀點來解釋，其轉變機理目前尚未研究清楚。因此有待人們進一步探討。 

4、減少殘余應力。

5、使金屬基體更加穩(wěn)定。 

6、使金屬材料的強度、韌性增加 

7、使金屬硬度提高約HRC1～2 

8、紅硬性顯著增加。 

【冷處理工藝】 熱處理淬火后在室溫停留：淬火后，一定要使套圈內外均勻冷至室溫后進行冷處理，否則容易開裂，冷至室溫后馬上冷處理（一般不超過30min），否則會中止奧氏體向馬氏體的轉變。 

冷處理溫度：冷處理的溫度主要根據(jù)鋼的馬氏體轉變終止溫度Mf，另外還要考慮冷處理對機械性能的影響及工藝性等因素。對于GCr15鋼，冷處理選用-70℃；精度要求不甚高的套圈或設備有限制時，冷處理溫度可選為-40～-70℃；超精密軸承，可在-70℃～-80℃之間進行冷處理。過冷的溫度影響軸承沖擊疲勞和接觸壽命。 

冷處理保溫：雖然大量馬氏體的轉變是在冷到一定溫度傾刻間完成的，但為使一批套圈表面與心部都均勻達到冷處理溫度，需要一定的保溫時間，一般為1～1.5h。 

冷處理后的回火：套圈冷處理后放在空氣中,其溫度緩慢升至室溫后及時進行回火。溫升不能太快，否則容易開裂；回火及時，否則套圈內部較大的殘余應力會導致套圈開裂，一般不超過2h。 

【深冷處理工藝】 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、 殘余內應力。熱處理后的殘余內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變形。 

二、深冷工藝的優(yōu)點： 

經過國內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*優(yōu)方法，其優(yōu)點如下： 

1、 它使硬度較低的殘余奧氏體轉變?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元素在晶界的偏聚程度，又發(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，改善熱處理質量，減少回火次數(shù)，延長模具壽命的目的。 

3、 材料經深冷處理后內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生了塑性流變，而在升溫過程中會在此類空位表面產生壓應力，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生變形、開裂的可能性。 三、深冷工藝的生產使用效果 

1、高速鋼冷作模具深冷處理 不同處理工藝對W6Cr5Mo4V2Co鋼殘留奧氏體的影響（體積百分數(shù)%） 深冷處理過程中，大量的殘留奧氏體轉變?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20―60A并與基體保持共格關系的超微細碳化物，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，其耐磨性也就好，如硬度由60HRC提高至62-63HRC，模具耐磨性增加30%―40%。

 　　可看出深冷處理后模具的相對耐磨性提高40%，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，未經深冷處理時只能使用10萬次，而采用液氮經-196℃×4h深冷處理后再400℃回火，使用壽命提高到130萬次。 

（2）沖壓凹模：生產使用結果表明，深冷處理后產量提高二倍多。

（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5―7萬沖次。 經過深冷或超深冷處理的精密量具，尺寸穩(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，國內模具平均使用壽命與******還存在一定的差距。熱處理技術和表面處理技術的落后是造成模具壽命低的主要原因。經深冷處理使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變成馬氏體；

2）殘余奧氏體的殘余部分組織相對穩(wěn)定，其組織內部細化，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： 

⑴、1040℃淬火580℃兩次回火，深冷（-196℃×24h），150℃×30min回火，氮化。 

⑵、1040℃淬火590℃兩次回火，深冷（-196℃×24h），100℃×30min回火，氮化。 

深冷處理工藝的兩套模具在另一鋁型材廠使用，生產量達到9.2噸/套。按所生產型材壁厚0.1mm偏差的質量標準計算，一般只能產出鋁型材4-5噸的水平；經過深冷處理的兩副模具已經超過上述產量水平。拉出的型材產品質量優(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→*終熱處理→磨削。*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，毛坯經過改鍛，但熱處理后模具使用壽命不高。 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。失效凸模化學成分：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。 Cr12MoV鋼屬于萊氏體鋼，大塊的共晶碳化合物盡管在鍛造中已被擊碎，但顆粒仍然較大，且分布不均，這些粗大且有棱角的碳化物降低了凸模的強度和韌性。工作時凸模受到較高載荷的作用，易在塊狀碳化物棱角與基體的交界處萌生疲勞裂紋，并沿著縱向向上發(fā)展，由此可見凸模的早期失效主要是疲勞斷裂，而疲勞斷裂的疲勞源主要處于刃口部位和中間部位帶有棱角碳化物與基體的交界處。只有通過鍛造工藝和熱處理工藝對大塊的共晶碳化物的形態(tài)改變來提高鋼的強韌性。 另外淬火低溫回火后組織中有較多的殘余奧氏體，其含量大約在30%以上，使模具硬度不夠，耐磨性不足。因為沖裁硅鋼片的凸模要求剪切刃口鋒利，沖裁過程中刃口一經磨鈍，沖下來的孔邊就會產生毛刺，所以凸模在使用中稍有鈍角必須磨削修刃，修刃的同時凸模的長度縮短，當凸模的長度減少到一定程度就報廢了，因此模具壽命不高。除了加強鍛造工藝外，在正常模具熱處理的基礎上增加深冷處理工藝。深冷處理其實是淬火的延續(xù)，是利用過冷度來增加馬氏體轉變的驅動力，隨著深冷溫度降低，過冷度增加，殘余奧氏體向馬氏體轉變越完全。另外深冷處理還能促進從淬后形成的馬氏體中析出超微細碳化物，其數(shù)量和擴散程度明顯大于未經深冷處理者，這些從馬氏體中析出的高度彌散的碳化物，可使基體的抗壓強度升高，沖擊韌性提高，即提高強韌性。這些碳化物的析出，將會使材料的耐磨性、耐熱性、硬度等性能顯著提高。在凸模經1030℃油淬后，在≦25min時間內，將模具放入液氮中進行深冷處理；深冷處理后再對材料采用220℃回火.。用新工藝處理52副凸模在沖裁同一批硅鋼片的條件下，與原工藝處理的凸模進行比較實驗，經深冷處理的52副凸模中，合格率達到95%以上，使用壽命提高了8倍。由于韌性、疲勞強度的提高，避免了凸模的斷裂，顯著提高了凸模的使用壽命，降低了電機用硅鋼片的生產成本，提高了生產廠的經濟效益。 四、深冷處理在制造業(yè)的應用前景 在模具的制造生產過程中，模具質量的優(yōu)劣直接影響企業(yè)的經營狀況，利用深冷處理技術，，提高模具的使用壽命，增加企業(yè)的經濟效益。所以低溫改性技術在模具行業(yè)中得到應用，取得良好的經濟效益，推而廣之具有很大的實用價值。深冷處理在航空航天、**、工程機械、道路橋梁、半導體、電器、計算機等領域有著廣泛的應用前景。模具冷處理、壽命沒的比！

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