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金属冷处理技术及应用点击下载PDF文件

一、冷处理的概念和发展史

 当钢中含碳及合金元素较多时(AI、Co除外)马氏体转变终止点将降到0℃以下低温,淬火后组织中含有较多数量的残余奥氏体。为使残余奥氏体转变为马氏体,可将淬火后的工件置于寒剂或制冷机中继续冷却,统称为冷处理。冷处理为冰冷处理和深冷处理。

冰冷处理是指温度在-80℃左右的冷处理;冰冷处理温度应根据钢材的化学成分(Mf点)来选定。对于大多数钢材来说干冰、酒精混合(-78℃)物即可满足。深冷处理是指温度在-130~-190℃的冷处理;目前大多是利用液氮的挥发气达到深冷的效果。

深冷处理的根源要追随到100多年前,瑞士的钟表制造者把钟表的关键零件埋入寒冷的阿尔卑斯雪山中以提高钟表的使用寿命; 随着制冷技术的发展,在上世纪三十年代出现了深冷处理技术。1939年俄罗斯人首次提出了深冷处理的概念, 随着液氮技术及保温材料的发展,1965年美国首次将深冷处理实用化,主要应用对象针对航空领域。此后,深冷技术才开始引起世界各国研究人员的关注。随即英、俄罗斯、日本等各国学者都对其进行了较为广泛和深入的研究。许多研究表明,材料经深冷处理后比普通冷处理的硬度及耐磨性有较大提高。
   我国对深冷处理的研究与开发起步较晚,在二十世纪80年代末,我国的科研学者们才开始对深冷处理的工艺、机理进行研究,材料主要集中在工具钢、模具钢和高速钢。研究结果表明,材料经深冷处理后的性能比一般冷处理后的性能普遍得到了明显改善。近几年来,随着深冷技术的发展,深冷处理从黑色金属的研究逐步扩大到有色金属及复合材料方面,并取得了一定的研究进展。

二、冷处理技术和作用

 冰冷处理应在淬火后立即进行,以免长期放置导致残余奥氏体产生稳定化而影响冷处理的效果。一些形状复杂的工件为避免冷处理时产生的裂纹,可经一次回火后在进行冷处理。对于一些尺寸稳定性要求更高的工件,如螺纹量规等,长需两次冷处理。冷处理后必须经行回火或者时效处理。,以消除所形成的应力及稳定新生成的马氏体组织。工件在冰冷处理时无需保温,只当其心部达到寒剂温度即可(一般1~2h)。冰冷处理后的工件从寒剂中取出,在空气中缓慢升温至室温后,在进行回火处理。冰冷处理多应用于刀具、量具、精密轴承和其他尺寸精度要求较高的工件上,以提高其硬度、耐磨度、尺寸稳定性等。

深冷处理主要用于高速钢、模具钢和易磨损的工件上,其作用是使接近全部的残余奥氏体转变为马氏体、使弥散碳化物从淬火组织的基体析出、深冷处理时在钢的硬度、冲击韧度、抗拉强度变化不大的情况下,时期耐磨性能显著提高。据资料显示冰冷处理后钢的耐磨性能提高了1.2~2.0倍,而深冷处理提高了2.0~6.6倍。

三、深冷在金属处理的应运及案例

1模具钢的深冷处理

在正常工作条件下,磨损是冷作模具的主要失效形式之一。因此,通过适当的工艺手段控制或减小磨损,从而提高模具的使用寿命,在生产实践中具有中重要的意义。

 例如Cr12MoV钢是制造冷作模具的重要材料,深冷处理可有效的提高其强韧性和冲击磨损抗力。Cr12MoV钢的深冷处理规范及强韧性效果如下表1和表2。

工艺序号

淬火温度/℃

深冷处理温度/℃×次数+回火温度/℃

1

1120

未深冷+T200

2

1120

-90×1+T200

3

1120

-120×1+T200

4

1120

-196×1+T200

5

1120

-196×2+T200

6

1120

-196×3+T200

表1 Cr12MoV钢的深冷处理规范

工艺序号

φ(A)

(%)

HRC

Ak/

(j/cm²)

Σsc/

MPa

Np100³

/次

Αc

/mm

磨痕宽

/mm

失重

/mg

冲击次数

/(1×10³)

1

40

58

6.97

1940

23.3

13.45

3.56

6.15

15

2

30

64

4.25

2574

21.8

11.54

3.35

5.86

21

3

22

64

3083

2653

24.9

11.32

3.13

4.98

23

4

16

64

3.09

2707

22.5

11.17

2.88

4.54

28

5

14

65

3.45

2882

23.6

10.93

2.36

3.68

37

6

12

65

3.66

2957

24.8

10.81

2.25

3.36

42

表2 Cr12MoV钢不同规范的深冷处理后的

2高速钢刀具的深冷处理

高速钢制刀具的深冷处理,可在刀具加工过程,也可在成品刀具(已经过淬火和三次回火最终热处理)上进行,并都能起到延长使用寿命的作用。

例如W6Mo5Cr4V2高速钢制ф7mm直柄麻花钻头,热处理及深冷处理工艺曲线图如图3所示。由图表中的数据可见,φ7mm钻头的深冷处理有一最佳规范:-106 -123℃×1h。过分降低温度和延长时间对这种工件是不利的。

                                                                     

图1直柄麻花钻头的热处理工艺曲线


工艺制度

淬火+三次回火

-106×1h

-123×1h

-137×1h

-196×1h

-196×30h

钻孔数

233.6

527.6

547.3

465.3

233.0

344.3

3深冷处理对钻头切削寿命的影响

由表3可以看出刀具经过深冷处理后可以使钢的强韧性、红硬性显著提高,刀具的切削寿命增长50%以上等优点。