2024年6月10日发(作者：王天骄)
第26卷 第3期兵器材料科学与工程Vol.26 No.3
2003年 5月
ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERING
May 2003
深冷处理原理及其在工业上的应用
陈 鼎
,陈吉华,严红革,黄培云
1221
(1.中南大学材料学院湖南长沙410083;2.湖南大学材料学院湖南长沙410082)
摘 要:作为一种新型的热处理工艺,深冷处理已经受到越来越广泛关注。综合现有的资料,较为详细的介绍了深
冷处理的机理以及在生产实际上的应用。并针对国内外研究现状提出了一些观点和展望。
关键词:深冷处理;机理;应用
中图分类号:TG14;TG156.91 文献标识码:A 文章编号:1004—244X(2003)03—0068—05
深冷处理,又称超低温处理(SSZ),是指在以液
氮为制冷剂、-130℃以下对材料进行处理的方法而
达到给材料改性的目的。它是常规冷处理(CSZ)的
一种延伸,其英文名称为Cryogenictreatment,是一
种从上世纪中期开始广泛应用于工业生产的一种新
工艺
[1]
。现有研究表明,深冷处理不仅可以显著提
高黑色金属、有色金属、金属合金、碳化物、塑料(包
括尼龙,泰弗龙)、硅酸盐等材料的力学性能和使用
寿命,稳定尺寸,改善均匀性,减小变形,而且操作简
便、不破坏工件、无污染、成本低。具有可观的经济
效益和市场前景。
至-150℃,温度偏差为3℃以内。中科院低温技术
实验中心于96年研制的深井式冷处理装置,最低工
作温度为-100℃,温度偏差为2℃以内,升、降温速
率为5～40℃/h,不仅可调节还可以自动控制。此
外国内也有一些从国外引进的深冷处理设备,如宝
钢双频淬火车间引进的轧辊深冷装置,采用液氮制
冷,最低温度可达-180℃以下。在美国,六七十年
代出现了许多液氮气体法的深冷设备,如BOC公司
的Ellenite设备,可以均匀的冷却,精确控温。且可
以在-150℃保温。八十年代以来,出现了电脑控制
升降温和处理飞机机翼的大型液氮深冷设备,如
Cosmos公司的CI系列带电脑控制的深冷设备。采
用固化的程序严格控制升温降温速度,可实现-
190℃下的长时超低温保温。工件处理周期为40～
72h。表1为各种冷处理设备的主要性能对比表。
1.2 深冷处理的制度
深冷处理根据制冷剂使用方法的不同可以分为
液体法和气体法,但前者因为冷却温度较高(-
150℃),且具有热冲击性容易导致某些脆性部件的
断裂,现在已经不大采用,而气体法则因为冷却温度
表1 各种冷处理设备的主要性能对比表
种
类
冷处理对环境
最低温的污染
度/℃
-78
程度
有酒精
或丙酮
排出
-80
-160
-196
-196
有
无
无
无
不能
能
不能
能
不能
能
不能
能
较大
很小
最大
很小
1～1.5
0.1
1.5～2
0.8～1
外购
空气随时
无价供应
外购
外购
不能不能大1～1.5外购
冷处理
温度能
否选择
降温速
度能否
控制
工件受处理每介质
来源
1 深冷处理工艺简介
1.1 深冷处理的设备
[2]
一般用于普通冷处理(0～-100℃)的设备,通
常用干冰,氨(或甲醇)和氟里昂压缩机来制冷。也
有用液氧制冷的,如1965年山西机床厂研制的液氧
冷处理设备,使用温度为-80～-100℃,最低可以
达到-135℃。至于深冷处理有采用压缩空气来致
冷的,如杭州制氧机研究所的大型轧辊深冷设备最
低使用温度为-130℃和航空航天部青云仪器厂的
空气涡轮深冷机等最低使用温度为-160℃。最常
用的深冷设备都采用液氮致冷,它既经济又方便,一
般用液氮深冷罐来存储液氮。国内外众多学者和厂
家研制了多种气体制冷的液氮深冷设备,其中天津
市热处理研究所于1989年研制的液氮汽化型深冷
箱,温度调节范围为常温至-180℃,液氮消耗量为
每千克工件0.7kg液氮。华中理工大学于93年研
制的嵌套式深冷设备采用了双重致冷方式,即外层
箱机械致冷至-18～-24℃,内层箱采用液氮制冷
收稿日期:2002-09-29;修订日期:2003-03-05
温差的千克钢的
应力成本费/元
干冰冷处
理设备
氟里昂复
合冷冻机
空气涡轮
深冷机
一般液氮
深冷设备
可调液氮
深冷设备
作者简介:陈 鼎(1975-),男,博士研究生,主要从事深冷处理和机械合金化研究,发表论文近20篇
第3期 陈 鼎等:深冷处理原理及其在工业上的应用
69
低(-196℃)也没有热冲击性而得到广泛采用。
关于深冷处理工艺参数中的升降温速度、保温
时间、深冷处理次数和是否采用回火工艺以及回火
工艺和深冷处理工艺顺序的关系,由于研究的结果
不同,至今尚未有一个统一的认识,但一般认为适当
地控制升降温速度(缓慢升降温)对于材料的深冷处
理效果为佳。而保温时间和相关回火工艺的问题则
与所要进行深冷的材料本身有关,如材料本身体积
越大,导热性越差以及组织的稳定性越好则所需的
保温时间越长;而对于受冲击载荷较大、易弯曲载荷
的模具,应采用淬火+回火一次+深冷+回火一次
的处理工艺,对于要求高硬度、动载荷较小的模具材
料采用淬火+深冷+回火一次的工艺较佳
[3]
。
2.1.4 表面产生残余压应力
冷却过程可能引起缺陷(微孔,内应力集中部
位)的塑性流变。复温过程中在空位表面产生残余
应力,这种应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损
害。最终表现为磨料磨损抗力的提高。
2.1.5 深冷处理部分转移了金属原子的动能
原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力,又
存在使之分开的动能。深冷处理部分转移了原子间
的动能,从而使原子结合的更紧密,提高了金属的性
能。
2.2 非铁合金的深冷处理机理
2.2.1 深冷处理对硬质合金的作用机理
据文献报道深冷处理可以提高硬质合金的硬度
和抗弯强度、冲击韧性和磁矫顽力;但会使其磁导率
下降。据分析深冷处理作用对其的作用机理是:深
冷处理使一部分的α—Co转变为ε—Co,并在表层
产生一定的残余压应力
[9]
。
2.2.2 深冷处理对铜及铜基合金的作用机理
李智超等人
[10]
研究了深冷处理对H62黄铜组
织和性能的影响,研究结果表明深冷处理可以提高
组织中β相的相对含量,从而使组织趋向稳定,并且
可以显著提高H62黄铜的硬度和强度。对于减少
变形、稳定尺寸,改善切削性能也大有好处。而大连
理工大学的丛吉林和王秀敏等人
[11,12]
对于铜基材
料主要是CuCr50真空开关触头材料的深冷处理研
究结果表明,深冷处理可以使组织明显细化,且在两
种合金的交界处有相互渗析的现象,两种合金表面
还有大量的颗粒析出,类似于高速钢深冷处理后在
晶界及基体表面析出碳化物的现象。另外经深冷处
理后的该真空触头材料的抗电蚀性得到了改善。国
外关于铜电极的深冷处理研究结果为提高电导率,
减小焊接端的塑性变形,寿命提高了近9倍
。而
关于铜合金机理现在没有明确的理论,一般可能是
在低温下铜合金发生了类似钢中残余奥氏体向马氏
体转变的相变,并且晶粒得以细化。但详细机制目
前还未有定论。
2.2.3 深冷处理对镍基合金性能的影响及作用和
机制
[14]
镍基合金深冷处理的文献报道很少,文献报道
深冷处理可以提高该合金的塑性,并使其对交变应
力集中的敏感性降低。文献[14]的作者对作用机理
的解释是深冷处理造成材料的应力松弛,微裂纹向
相反的方向发展。
[13]
2 深冷处理机理
关于深冷处理的机理问题,现在还处于一个研
究初期阶段。相对来说有关黑色金属(钢铁)的深冷
机理已经研究得较为清楚,而有色金属及其它材料
的深冷机制研究的较少,也不是十分清楚,现有的机
理分析基本上是沿用钢铁材料的。
2.1 黑色合金(钢铁)的深冷机理
关于钢铁材料的深冷处理的作用机理,国内外
的研究已较为广泛和深入,且大家均已基本取得共
识,主要的观点如下。
2.1.1 从马氏体中析出超细碳化物,从而弥散强化
这一点得到了几乎所有研究的证实,主要原因
为马氏体经-196℃深冷,由于体积收缩,Fe的晶格
常数有缩小的趋势,从而加强了碳原子析出的驱动
力,但由于低温下的扩散更为困难,扩散距离更短,
于是在马氏体的基体上析出了大量的弥散的超微细
碳化物。
2.1.2 残余奥氏体的改变
低温下(即Mf点以下)残余奥氏体发生分解,
转变为马氏体,提高了工件的硬度和强度。有学者
认为深冷可完全消除残余奥氏体;也有学者发现深
冷只能降低残余奥氏体的数量,但不能完全消除;还
有人认为深冷改变了残余奥氏体的形状、分布和亚
结构,有利于提高钢的强韧性。
2.1.3 组织细化
组织细化引起工件的强韧化。这主要指原来粗
大的马氏体板条发生了碎化。有学者认为马氏体点
阵常数发生了变化;也有学者认为马氏体分解析出
微细碳化物时造成了组织细化。
[2,4-8]
兵器材料科学与工程 第26卷
70
2.2.4 深冷处理对非晶合金性能的影响及作用和
机理
[15]
关于深冷处理对非晶合金性能的影响,文献
[15]研究了Co
57
Ni
10
Fe
5
B
17
,研究发现深冷处理可以
改善该非晶材料的耐磨性和力学性能。作者认为是
深冷处理促进了非磁性元素的表面沉积,发生类似
于结晶时的结构松弛的结构转变。
2.2.5 深冷处理对铝、铝基合金的影响及作用机理
铝和铝合金的深冷处理研究是近几年国内深冷
处理研究的一个热点,李寰和姜传海等人研
究发现深冷处理可以消除铝基碳化硅复合材料的残
余应力和改善其弹性模量,汤光平
[18]
和晋芳伟
[19]
等人发现深冷处理提高铝合金的尺寸稳定性,减少
加工变形,提高材料的强度和硬度,但是他们对有关
的机理没有进行系统的研究,只是笼统的认为是温
度产生的应力增加了位错密度而引起的。中南工业
大学的陈鼎等人则系统的研究了深冷处理对常用铝
合金的性能影响,他们在研究中发现了深冷处理导
致铝合金发生晶粒转动的现象,并就此提出了一系
列新的铝合金的深冷强化机制
[20,21]
。
[16][17]
采用低温深冷处理工艺可以明显提高使用寿命
的材料有:高速钢、工具钢、模具钢、铜电极、粉末材
料、硬质合金、陶瓷等。表2和表3分别为美国部分
公司和我国部分单位采用深冷处理延长零件使用寿
命的实例;表4为部分常用模具材料经深冷处理后
耐磨性变化的比例系数。从下面三个表格可以看
出,深冷处理对于不同材料的零部件和工具产生了
不同的效果,零部件和工具的耐磨性显著提高。
表2 美国部分公司采用深冷处理延长零件使用寿命的实例
公司
HowThorne
Metals
Chrysler1020钢
1020钢
Ford
Dayton
ApploCry
M2
处理的
材料
处理的
零部件
冲模
铜电极触头
拉刀
(拉钢套管)
拉刀
(拉连杆锻件)
拉刀
冲头
高尔夫球
长统袜和
连裤袜
端铣刀
食品研磨机
转子
圆盘剪切刀
汽车生产
用拉刀
模具镶块
钻头
铣齿刀
原寿命
冲40000次
2星期
拉1810件
拉1500件
处理后
的寿命
冲25000次
6星期
拉8600件
拉8600件
效果
(提高倍率)
6.25
3.0
4.76
5.73
6.0
1.2
可以多击
20—30码
每双多穿
3个月
2.5
2.5
3.5
4.0
4.2
1.5
1.75
拉孔2000件拉孔12000件
经-84℃处理经-184℃处理
Amcry尼龙
工具钢
工具钢
工具钢
工具钢
模具钢
3 深冷处理的优点和工业应用现状
3.1 深冷处理的主要优点
可以增强抗磨性;增强强度和韧性;提高抗腐
蚀、耐磨性;增强抗冲击性;提高抗疲劳强度;经过一
次深冷处理可以保证被处理材料始终具有被提高的
力学性能;不引起外形尺寸变形;可以应用于新/旧
工件;可以消除内应力;提高材料稳定性;处理成本
低廉,由于延长刀具寿命可以降低换刀、修磨的时
间,以节约生产成本;可以取得与其他表面处理相同
的表面结果(如镀钛、铬、泰弗龙);可以生产更加紧
密的分子结构,从而在较大的接触面上降低摩擦力、
发热和磨损。
3.2 深冷处理可以处理的主要工件
切削刀具;内燃机配件;枪管;丝锥;传动轴;医
疗器械;钻头;曲轴;农机配件;铣刀;凸轮;乐器;可
转位刀片;轴;不锈钢;冲模;齿轮;镍基合金;级进
模;链条;铜电极材料;剪刀;冲击杆;陶瓷材料;刀
片;挤压杆;铝基合金;滚剪刀;尼龙、泰弗龙;粉末冶
金零件;一切需要在高硬度的同时又要有较高强度、
韧性的金属构件。
3.3 深冷处理在工业上的主要应用
[2]
3.3.1 延长零部件及工具使用寿命,提高耐磨性能
3XInst.
&Tool
表3 国内深冷处理提高工件使用寿命的实例
材 料
5cm端面铣刀,加工C1065钢
钢锯条,加工C107壳体上的轮毂
冲孔冲头
切丝板牙,用在M485壳体上
AMT-38切去刀片
9SiCr钢冷拉伸凸模制造202轴承内圈
处理前
寿命
65件
4h
64件
225件
60h
5000件
处理后
寿命
200件
6h
5820件
487件
928h
15000件
效果
(提高倍率)
3.07
1.50
82.5
2.12
15.4
2.0
表4 模具经深冷处理后的寿命变化
模具名称
M22切边模
M16切边模
M16冲孔冲头
M16冲孔冲头
材料
012A1
9SiCr
未深冷的深冷处理效果
工具寿命后的寿命
(提高倍率)
8000件30000件
1000件5000件
3.75
5.00
2.00
3.00
2.25
1.67
W12RE20000件40000件
65Nb1000件3000件
M3×0.5搓丝板Cr12MoV8000件18000件
搓丝板滚针W18Cr4V15副25副
第3期 陈 鼎等:深冷处理原理及其在工业上的应用
71
表5 深冷处理现场生产和试验结果
工具和刀具
(被处理件)
钻头
铣刀
倒角工具
齿轮切削工具
拉刀
冲孔
端铣刀
滚铣刀
平面铣刀
键槽铣刀
切片刀
切碎刀
切碎机
丝锥
模具
牙科用具
拉刀
伐木工具
铣刀
木材切削
冲压模具
腐蚀
加工性能
焊条
公司
飞机制造厂
飞机制造厂
大学研究
主要制造厂
金属铣削公司
主要制造厂
飞机制造厂
气轮机制造厂
宇航公司
飞机制造厂
塑料制造厂
纸箱制造厂
纸厂
刀(刃)具
铸造厂
牙医
汽车制造厂
伐木公司
机械加工
木材厂
钢材家具厂
大学研究
机械加工厂
七个研究案例
试件材料
M42,M7,C2
M42
Incoel合金
Ti—Ni镀层
硬质合金
M7
M7
M42
C2硬质合金
M2—M7
M7
硬质合金
M7
C2硬质合金
高镍合金
400不锈钢
高镍合金
锯链
347不锈钢
高速钢
D3
S2,M2,4142,316
薄壁铝铸件
焊接
性能提高结果
300%
250%
400%
350%
300%
600%
450%
300%
400%
250%
600%
500%
400%
600%
300%
500%
300%
400%
375%
500%
1000%
均减少腐蚀
减少50%加工时间
平均60%
冷处理研究无论是在工艺的稳定性和某些材料的作
用机制研究方面还存在着许多不足之处,为深冷处
理在工业上的大规模应用带来了阻碍,所以稳定的
深冷工艺制度和有色金属的深冷处理机制的开发和
研究将是经后该领域的研究重点。
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3.3.2 改善材料的稳定性
改善材料的稳定性是深冷处理在铝、铜、钛和
300系列不锈钢中的又一成功应用,效果最明显的
是铝和其合金。
3.3.3改善材料性能
深冷处理可以提高和改善材料性能,如强度、抗
疲劳性能、耐蚀性等。表5是大学研究和工业研究
应用在工业生产得到的现场结果。
4 结束语
随着现代工业的发展,对材料性能的要求也越
来越高。而当代材料研究有两大的趋势:①不断开
发新技术、新工艺、新设备,以研制各种具有特殊要
求或优异性能的新材料,如采用快速凝固、机械合金
化、喷射沉积、注射成型等工艺开发微晶、非晶、准
晶、纳米晶结构和功能材料。②对现有传统材料如
钢铁、铝、铜采用超纯净化、大变形量加工、深冷处理
等特殊的加工和处理工艺,在基本不改变现有材料
的成分基础上大幅度提高其性能,从而有效地提高
资源的利用率和回收率。在材料性能得以改善的同
时还可以降低成本,减小对环境的损害,这对解决越
来越严重的能源和环境问题无疑提供了一个好的办
法。因此有关材料深冷处理的研究必将成为国内外
材料科学工作者的一个重要研究方向,但现有的深
兵器材料科学与工程 第26卷
72
[19]晋芳伟,黄云战,张永华.深冷处理对铸造铝合金活塞
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[21]陈 鼎,黎文献.深冷处理下铝和铝合金的晶粒转动
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-547.
Mechanism&industrialapplicationsofcryogenictreatment
CHENDing
1
,CHENJi-hua
2
,YANHong-ge
2
,HUANGPei-yun
1
(ofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;of
MaterialScienceandEngineering,Hu'nanUniversity,Changsha410082,China)
Abstract:Asanovelheattreatmenttechnology,paper,
themechanism&ition,someprospects
werereferred.
Keywords:cryogenictreatment;mechanism;industrialapplication
(上接第54页)
Failureanalysingoftractortyreretainerringbreaking
WANGGuo-fan
(ShandongArchitectureandEngineeringInstitute,Jinan250014,China)
Abstract:Throughobservingthemetallographicstructurewithaopticalmicroscopeandanalyzingthechemicalcomposi-
tionwithadirect-readingopticalspectrometer,themaincauseofthebreakingofatractortyreretainerringisfound.
Keywords:tractor;retainerring;breaking
兵器材料科学与工程
(1978年3月创刊 双月刊)
2003年5月
第26卷 第3期(总第198期)
中国兵工学会金属材料学会
主办单位
兵器工业金属材料专业情报网
中国兵器工业第五二研究所
编辑出版
兵器材料科学与工程 编辑部
发行订购
主 编 赵宝荣(兼)
中国兵器工业
印 刷 印 刷 厂
第五二研究所
通讯地址 包头市第四号信箱(014034)
ISSN1004-244X
国际
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国内
CN 15-1105/TJ
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每册订价8.00元 全年订价48.00元
ORDNANCEMATERIALSCIENCE
ANDENGINEERING
(Bimonthly)
May 2003
Vol.26 No.3(Sum198)
Sponsoredby:MetalsSocietyofChina
OrdnanceSociety
MetalsInformationNetwork
ofOrdnanceIndustry
No.52 InstituteofChina
OrdnanceIndustry
Edited & Publishedby:Editorial
OfficeofOrdnanceMaterial
ScienceandEngineering
Editorinchief:ZhaoBaorong
Address:4,Baotou014034,
InnerMongoliaChina
CodeNo:ISSN1004-244X
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深冷处理原理及其在工业上的应用
陈 鼎
,陈吉华,严红革,黄培云
1221
(1.中南大学材料学院湖南长沙410083;2.湖南大学材料学院湖南长沙410082)
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深冷处理,又称超低温处理(SSZ),是指在以液
氮为制冷剂、-130℃以下对材料进行处理的方法而
达到给材料改性的目的。它是常规冷处理(CSZ)的
一种延伸,其英文名称为Cryogenictreatment,是一
种从上世纪中期开始广泛应用于工业生产的一种新
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[1]
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高黑色金属、有色金属、金属合金、碳化物、塑料(包
括尼龙,泰弗龙)、硅酸盐等材料的力学性能和使用
寿命,稳定尺寸,改善均匀性,减小变形,而且操作简
便、不破坏工件、无污染、成本低。具有可观的经济
效益和市场前景。
至-150℃,温度偏差为3℃以内。中科院低温技术
实验中心于96年研制的深井式冷处理装置,最低工
作温度为-100℃,温度偏差为2℃以内,升、降温速
率为5～40℃/h,不仅可调节还可以自动控制。此
外国内也有一些从国外引进的深冷处理设备,如宝
钢双频淬火车间引进的轧辊深冷装置,采用液氮制
冷,最低温度可达-180℃以下。在美国,六七十年
代出现了许多液氮气体法的深冷设备,如BOC公司
的Ellenite设备,可以均匀的冷却,精确控温。且可
以在-150℃保温。八十年代以来,出现了电脑控制
升降温和处理飞机机翼的大型液氮深冷设备,如
Cosmos公司的CI系列带电脑控制的深冷设备。采
用固化的程序严格控制升温降温速度,可实现-
190℃下的长时超低温保温。工件处理周期为40～
72h。表1为各种冷处理设备的主要性能对比表。
1.2 深冷处理的制度
深冷处理根据制冷剂使用方法的不同可以分为
液体法和气体法,但前者因为冷却温度较高(-
150℃),且具有热冲击性容易导致某些脆性部件的
断裂,现在已经不大采用,而气体法则因为冷却温度
表1 各种冷处理设备的主要性能对比表
种
类
冷处理对环境
最低温的污染
度/℃
-78
程度
有酒精
或丙酮
排出
-80
-160
-196
-196
有
无
无
无
不能
能
不能
能
不能
能
不能
能
较大
很小
最大
很小
1～1.5
0.1
1.5～2
0.8～1
外购
空气随时
无价供应
外购
外购
不能不能大1～1.5外购
冷处理
温度能
否选择
降温速
度能否
控制
工件受处理每介质
来源
1 深冷处理工艺简介
1.1 深冷处理的设备
[2]
一般用于普通冷处理(0～-100℃)的设备,通
常用干冰,氨(或甲醇)和氟里昂压缩机来制冷。也
有用液氧制冷的,如1965年山西机床厂研制的液氧
冷处理设备,使用温度为-80～-100℃,最低可以
达到-135℃。至于深冷处理有采用压缩空气来致
冷的,如杭州制氧机研究所的大型轧辊深冷设备最
低使用温度为-130℃和航空航天部青云仪器厂的
空气涡轮深冷机等最低使用温度为-160℃。最常
用的深冷设备都采用液氮致冷,它既经济又方便,一
般用液氮深冷罐来存储液氮。国内外众多学者和厂
家研制了多种气体制冷的液氮深冷设备,其中天津
市热处理研究所于1989年研制的液氮汽化型深冷
箱,温度调节范围为常温至-180℃,液氮消耗量为
每千克工件0.7kg液氮。华中理工大学于93年研
制的嵌套式深冷设备采用了双重致冷方式,即外层
箱机械致冷至-18～-24℃,内层箱采用液氮制冷
收稿日期:2002-09-29;修订日期:2003-03-05
温差的千克钢的
应力成本费/元
干冰冷处
理设备
氟里昂复
合冷冻机
空气涡轮
深冷机
一般液氮
深冷设备
可调液氮
深冷设备
作者简介:陈 鼎(1975-),男,博士研究生,主要从事深冷处理和机械合金化研究,发表论文近20篇
第3期 陈 鼎等:深冷处理原理及其在工业上的应用
69
低(-196℃)也没有热冲击性而得到广泛采用。
关于深冷处理工艺参数中的升降温速度、保温
时间、深冷处理次数和是否采用回火工艺以及回火
工艺和深冷处理工艺顺序的关系,由于研究的结果
不同,至今尚未有一个统一的认识,但一般认为适当
地控制升降温速度(缓慢升降温)对于材料的深冷处
理效果为佳。而保温时间和相关回火工艺的问题则
与所要进行深冷的材料本身有关,如材料本身体积
越大,导热性越差以及组织的稳定性越好则所需的
保温时间越长;而对于受冲击载荷较大、易弯曲载荷
的模具,应采用淬火+回火一次+深冷+回火一次
的处理工艺,对于要求高硬度、动载荷较小的模具材
料采用淬火+深冷+回火一次的工艺较佳
[3]
。
2.1.4 表面产生残余压应力
冷却过程可能引起缺陷(微孔,内应力集中部
位)的塑性流变。复温过程中在空位表面产生残余
应力,这种应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损
害。最终表现为磨料磨损抗力的提高。
2.1.5 深冷处理部分转移了金属原子的动能
原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力,又
存在使之分开的动能。深冷处理部分转移了原子间
的动能,从而使原子结合的更紧密,提高了金属的性
能。
2.2 非铁合金的深冷处理机理
2.2.1 深冷处理对硬质合金的作用机理
据文献报道深冷处理可以提高硬质合金的硬度
和抗弯强度、冲击韧性和磁矫顽力;但会使其磁导率
下降。据分析深冷处理作用对其的作用机理是:深
冷处理使一部分的α—Co转变为ε—Co,并在表层
产生一定的残余压应力
[9]
。
2.2.2 深冷处理对铜及铜基合金的作用机理
李智超等人
[10]
研究了深冷处理对H62黄铜组
织和性能的影响,研究结果表明深冷处理可以提高
组织中β相的相对含量,从而使组织趋向稳定,并且
可以显著提高H62黄铜的硬度和强度。对于减少
变形、稳定尺寸,改善切削性能也大有好处。而大连
理工大学的丛吉林和王秀敏等人
[11,12]
对于铜基材
料主要是CuCr50真空开关触头材料的深冷处理研
究结果表明,深冷处理可以使组织明显细化,且在两
种合金的交界处有相互渗析的现象,两种合金表面
还有大量的颗粒析出,类似于高速钢深冷处理后在
晶界及基体表面析出碳化物的现象。另外经深冷处
理后的该真空触头材料的抗电蚀性得到了改善。国
外关于铜电极的深冷处理研究结果为提高电导率,
减小焊接端的塑性变形,寿命提高了近9倍
。而
关于铜合金机理现在没有明确的理论,一般可能是
在低温下铜合金发生了类似钢中残余奥氏体向马氏
体转变的相变,并且晶粒得以细化。但详细机制目
前还未有定论。
2.2.3 深冷处理对镍基合金性能的影响及作用和
机制
[14]
镍基合金深冷处理的文献报道很少,文献报道
深冷处理可以提高该合金的塑性,并使其对交变应
力集中的敏感性降低。文献[14]的作者对作用机理
的解释是深冷处理造成材料的应力松弛,微裂纹向
相反的方向发展。
[13]
2 深冷处理机理
关于深冷处理的机理问题,现在还处于一个研
究初期阶段。相对来说有关黑色金属(钢铁)的深冷
机理已经研究得较为清楚,而有色金属及其它材料
的深冷机制研究的较少,也不是十分清楚,现有的机
理分析基本上是沿用钢铁材料的。
2.1 黑色合金(钢铁)的深冷机理
关于钢铁材料的深冷处理的作用机理,国内外
的研究已较为广泛和深入,且大家均已基本取得共
识,主要的观点如下。
2.1.1 从马氏体中析出超细碳化物,从而弥散强化
这一点得到了几乎所有研究的证实,主要原因
为马氏体经-196℃深冷,由于体积收缩,Fe的晶格
常数有缩小的趋势,从而加强了碳原子析出的驱动
力,但由于低温下的扩散更为困难,扩散距离更短,
于是在马氏体的基体上析出了大量的弥散的超微细
碳化物。
2.1.2 残余奥氏体的改变
低温下(即Mf点以下)残余奥氏体发生分解,
转变为马氏体,提高了工件的硬度和强度。有学者
认为深冷可完全消除残余奥氏体;也有学者发现深
冷只能降低残余奥氏体的数量,但不能完全消除;还
有人认为深冷改变了残余奥氏体的形状、分布和亚
结构,有利于提高钢的强韧性。
2.1.3 组织细化
组织细化引起工件的强韧化。这主要指原来粗
大的马氏体板条发生了碎化。有学者认为马氏体点
阵常数发生了变化;也有学者认为马氏体分解析出
微细碳化物时造成了组织细化。
[2,4-8]
兵器材料科学与工程 第26卷
70
2.2.4 深冷处理对非晶合金性能的影响及作用和
机理
[15]
关于深冷处理对非晶合金性能的影响,文献
[15]研究了Co
57
Ni
10
Fe
5
B
17
,研究发现深冷处理可以
改善该非晶材料的耐磨性和力学性能。作者认为是
深冷处理促进了非磁性元素的表面沉积,发生类似
于结晶时的结构松弛的结构转变。
2.2.5 深冷处理对铝、铝基合金的影响及作用机理
铝和铝合金的深冷处理研究是近几年国内深冷
处理研究的一个热点,李寰和姜传海等人研
究发现深冷处理可以消除铝基碳化硅复合材料的残
余应力和改善其弹性模量,汤光平
[18]
和晋芳伟
[19]
等人发现深冷处理提高铝合金的尺寸稳定性,减少
加工变形,提高材料的强度和硬度,但是他们对有关
的机理没有进行系统的研究,只是笼统的认为是温
度产生的应力增加了位错密度而引起的。中南工业
大学的陈鼎等人则系统的研究了深冷处理对常用铝
合金的性能影响,他们在研究中发现了深冷处理导
致铝合金发生晶粒转动的现象,并就此提出了一系
列新的铝合金的深冷强化机制
[20,21]
。
[16][17]
采用低温深冷处理工艺可以明显提高使用寿命
的材料有:高速钢、工具钢、模具钢、铜电极、粉末材
料、硬质合金、陶瓷等。表2和表3分别为美国部分
公司和我国部分单位采用深冷处理延长零件使用寿
命的实例;表4为部分常用模具材料经深冷处理后
耐磨性变化的比例系数。从下面三个表格可以看
出,深冷处理对于不同材料的零部件和工具产生了
不同的效果,零部件和工具的耐磨性显著提高。
表2 美国部分公司采用深冷处理延长零件使用寿命的实例
公司
HowThorne
Metals
Chrysler1020钢
1020钢
Ford
Dayton
ApploCry
M2
处理的
材料
处理的
零部件
冲模
铜电极触头
拉刀
(拉钢套管)
拉刀
(拉连杆锻件)
拉刀
冲头
高尔夫球
长统袜和
连裤袜
端铣刀
食品研磨机
转子
圆盘剪切刀
汽车生产
用拉刀
模具镶块
钻头
铣齿刀
原寿命
冲40000次
2星期
拉1810件
拉1500件
处理后
的寿命
冲25000次
6星期
拉8600件
拉8600件
效果
(提高倍率)
6.25
3.0
4.76
5.73
6.0
1.2
可以多击
20—30码
每双多穿
3个月
2.5
2.5
3.5
4.0
4.2
1.5
1.75
拉孔2000件拉孔12000件
经-84℃处理经-184℃处理
Amcry尼龙
工具钢
工具钢
工具钢
工具钢
模具钢
3 深冷处理的优点和工业应用现状
3.1 深冷处理的主要优点
可以增强抗磨性;增强强度和韧性;提高抗腐
蚀、耐磨性;增强抗冲击性;提高抗疲劳强度;经过一
次深冷处理可以保证被处理材料始终具有被提高的
力学性能;不引起外形尺寸变形;可以应用于新/旧
工件;可以消除内应力;提高材料稳定性;处理成本
低廉,由于延长刀具寿命可以降低换刀、修磨的时
间,以节约生产成本;可以取得与其他表面处理相同
的表面结果(如镀钛、铬、泰弗龙);可以生产更加紧
密的分子结构,从而在较大的接触面上降低摩擦力、
发热和磨损。
3.2 深冷处理可以处理的主要工件
切削刀具;内燃机配件;枪管;丝锥;传动轴;医
疗器械;钻头;曲轴;农机配件;铣刀;凸轮;乐器;可
转位刀片;轴;不锈钢;冲模;齿轮;镍基合金;级进
模;链条;铜电极材料;剪刀;冲击杆;陶瓷材料;刀
片;挤压杆;铝基合金;滚剪刀;尼龙、泰弗龙;粉末冶
金零件;一切需要在高硬度的同时又要有较高强度、
韧性的金属构件。
3.3 深冷处理在工业上的主要应用
[2]
3.3.1 延长零部件及工具使用寿命,提高耐磨性能
3XInst.
&Tool
表3 国内深冷处理提高工件使用寿命的实例
材 料
5cm端面铣刀,加工C1065钢
钢锯条,加工C107壳体上的轮毂
冲孔冲头
切丝板牙,用在M485壳体上
AMT-38切去刀片
9SiCr钢冷拉伸凸模制造202轴承内圈
处理前
寿命
65件
4h
64件
225件
60h
5000件
处理后
寿命
200件
6h
5820件
487件
928h
15000件
效果
(提高倍率)
3.07
1.50
82.5
2.12
15.4
2.0
表4 模具经深冷处理后的寿命变化
模具名称
M22切边模
M16切边模
M16冲孔冲头
M16冲孔冲头
材料
012A1
9SiCr
未深冷的深冷处理效果
工具寿命后的寿命
(提高倍率)
8000件30000件
1000件5000件
3.75
5.00
2.00
3.00
2.25
1.67
W12RE20000件40000件
65Nb1000件3000件
M3×0.5搓丝板Cr12MoV8000件18000件
搓丝板滚针W18Cr4V15副25副
第3期 陈 鼎等:深冷处理原理及其在工业上的应用
71
表5 深冷处理现场生产和试验结果
工具和刀具
(被处理件)
钻头
铣刀
倒角工具
齿轮切削工具
拉刀
冲孔
端铣刀
滚铣刀
平面铣刀
键槽铣刀
切片刀
切碎刀
切碎机
丝锥
模具
牙科用具
拉刀
伐木工具
铣刀
木材切削
冲压模具
腐蚀
加工性能
焊条
公司
飞机制造厂
飞机制造厂
大学研究
主要制造厂
金属铣削公司
主要制造厂
飞机制造厂
气轮机制造厂
宇航公司
飞机制造厂
塑料制造厂
纸箱制造厂
纸厂
刀(刃)具
铸造厂
牙医
汽车制造厂
伐木公司
机械加工
木材厂
钢材家具厂
大学研究
机械加工厂
七个研究案例
试件材料
M42,M7,C2
M42
Incoel合金
Ti—Ni镀层
硬质合金
M7
M7
M42
C2硬质合金
M2—M7
M7
硬质合金
M7
C2硬质合金
高镍合金
400不锈钢
高镍合金
锯链
347不锈钢
高速钢
D3
S2,M2,4142,316
薄壁铝铸件
焊接
性能提高结果
300%
250%
400%
350%
300%
600%
450%
300%
400%
250%
600%
500%
400%
600%
300%
500%
300%
400%
375%
500%
1000%
均减少腐蚀
减少50%加工时间
平均60%
冷处理研究无论是在工艺的稳定性和某些材料的作
用机制研究方面还存在着许多不足之处,为深冷处
理在工业上的大规模应用带来了阻碍,所以稳定的
深冷工艺制度和有色金属的深冷处理机制的开发和
研究将是经后该领域的研究重点。
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3.3.2 改善材料的稳定性
改善材料的稳定性是深冷处理在铝、铜、钛和
300系列不锈钢中的又一成功应用,效果最明显的
是铝和其合金。
3.3.3改善材料性能
深冷处理可以提高和改善材料性能,如强度、抗
疲劳性能、耐蚀性等。表5是大学研究和工业研究
应用在工业生产得到的现场结果。
4 结束语
随着现代工业的发展,对材料性能的要求也越
来越高。而当代材料研究有两大的趋势:①不断开
发新技术、新工艺、新设备,以研制各种具有特殊要
求或优异性能的新材料,如采用快速凝固、机械合金
化、喷射沉积、注射成型等工艺开发微晶、非晶、准
晶、纳米晶结构和功能材料。②对现有传统材料如
钢铁、铝、铜采用超纯净化、大变形量加工、深冷处理
等特殊的加工和处理工艺,在基本不改变现有材料
的成分基础上大幅度提高其性能,从而有效地提高
资源的利用率和回收率。在材料性能得以改善的同
时还可以降低成本,减小对环境的损害,这对解决越
来越严重的能源和环境问题无疑提供了一个好的办
法。因此有关材料深冷处理的研究必将成为国内外
材料科学工作者的一个重要研究方向,但现有的深
兵器材料科学与工程 第26卷
72
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Mechanism&industrialapplicationsofcryogenictreatment
CHENDing
1
,CHENJi-hua
2
,YANHong-ge
2
,HUANGPei-yun
1
(ofMaterialScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;of
MaterialScienceandEngineering,Hu'nanUniversity,Changsha410082,China)
Abstract:Asanovelheattreatmenttechnology,paper,
themechanism&ition,someprospects
werereferred.
Keywords:cryogenictreatment;mechanism;industrialapplication
(上接第54页)
Failureanalysingoftractortyreretainerringbreaking
WANGGuo-fan
(ShandongArchitectureandEngineeringInstitute,Jinan250014,China)
Abstract:Throughobservingthemetallographicstructurewithaopticalmicroscopeandanalyzingthechemicalcomposi-
tionwithadirect-readingopticalspectrometer,themaincauseofthebreakingofatractortyreretainerringisfound.
Keywords:tractor;retainerring;breaking
兵器材料科学与工程
(1978年3月创刊 双月刊)
2003年5月
第26卷 第3期(总第198期)
中国兵工学会金属材料学会
主办单位
兵器工业金属材料专业情报网
中国兵器工业第五二研究所
编辑出版
兵器材料科学与工程 编辑部
发行订购
主 编 赵宝荣(兼)
中国兵器工业
印 刷 印 刷 厂
第五二研究所
通讯地址 包头市第四号信箱(014034)
ISSN1004-244X
国际
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国内
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广告经营许可证 蒙02-2-053
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ORDNANCEMATERIALSCIENCE
ANDENGINEERING
(Bimonthly)
May 2003
Vol.26 No.3(Sum198)
Sponsoredby:MetalsSocietyofChina
OrdnanceSociety
MetalsInformationNetwork
ofOrdnanceIndustry
No.52 InstituteofChina
OrdnanceIndustry
Edited & Publishedby:Editorial
OfficeofOrdnanceMaterial
ScienceandEngineering
Editorinchief:ZhaoBaorong
Address:4,Baotou014034,
InnerMongoliaChina
CodeNo:ISSN1004-244X