金屬深冷處理機理耐磨面增大

 

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。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(dāng)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(yīng)力。熱處理后的殘余內(nèi)應(yīng)力將降低材料的疲勞強度以及其他機械性能，在應(yīng)力釋放過程中且易導(dǎo)致工件的變形。

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被認為可以解決以上問題。

   一、 什么是金屬深冷處理？

金屬深冷處理是將金屬在-100℃下進行處理，使柔軟的殘余奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)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(dāng)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(biāo)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(chǎn)品，翻新后壽命會顯著降低。深冷處理不僅應(yīng)用于刀剪產(chǎn)品，而且能應(yīng)用于制作刀剪產(chǎn)品的模具上，同樣可以使模具壽命顯著提高

二、金屬深冷處理的機理

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(zhuǎn)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(nèi)部應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生剝落坑，形成較大粗糙度的表面。

2、 填補內(nèi)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(nèi)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(qū)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(nèi)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(xué)，相變理論來解釋，也不是以原子擴散形式來進行的，一般 -150℃～－180℃下，原子已經(jīng)失去了擴散能力，只能以物理學(xué)能量觀點來解釋，其轉(zhuǎn)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(yīng)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；

三、 深冷工藝

通常的深冷處理，是按照降溫，保溫，和升溫三個階段來進行的。

1、 通用的深冷處理工藝：

以每分鐘降低0.25~0.5℃以內(nèi)的速度，降低到－185℃，降溫時間約12小時，然后保溫24～36小時，再緩慢的以每分鐘降低0.25~0.5℃以內(nèi)的速度升到室溫或更高溫度（＋160℃）

2、各階段的意義

（1）降溫階段

緩慢降溫的目的是*消除殘余應(yīng)力。因為淬火和回火的過程中，金屬基體內(nèi)會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在殘余奧氏體在向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中，發(fā)生體積膨脹，也會使得殘余應(yīng)力增加，只有緩慢降溫，才能抵消殘余應(yīng)力的增加，并*消除殘余應(yīng)力?；w內(nèi)的殘余應(yīng)力一般情況下大家不予重視，但正是基體內(nèi)的殘余應(yīng)力，使得刀剪產(chǎn)品產(chǎn)生崩裂等缺陷?？焖俳禍胤炊鴷黾託堄鄳?yīng)力。

（2） 保溫階段

保溫的目的是使基體內(nèi)的殘余奧氏體盡可能的全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并盡可能多的產(chǎn)生碳化物顆粒，因為殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程是個緩慢的過程，保溫時間的長短會影響到殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的量，同時深冷后壽命的高低主要是保溫時間的長短來決定的，通常情況下，保溫2～4小時性能已經(jīng)有所改善，但如果是高質(zhì)量的產(chǎn)品，均需要使用24小時以上的保溫時間，壽命的提高倍數(shù)與保溫時間的長短有直接關(guān)系。

（3）升溫階段

緩慢升溫的過程主要目的就是防止殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

3、深冷處理*時機

      一般認為，深冷處理應(yīng)該在工件淬火兩個小時內(nèi)處理效果，因為殘余奧氏體隨著時間的推移會逐步向馬氏體轉(zhuǎn)變，而且轉(zhuǎn)變后的馬氏體會進行固化，從而析出碳化物的能力降低。