金屬深冷處理機(jī)理耐磨面增大

 

隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)金屬材料的要求也越來(lái)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(jī)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(wèn)題。鋼材在熱處理工藝之后，其硬度及機(jī)械性能均大大提高，但熱處理后依然有殘存的以下問(wèn)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(shí)，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(guò)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(qiáng)度以及其他機(jī)械性能，在應(yīng)力釋放過(guò)程中且易導(dǎo)致工件的變形。

經(jīng)過(guò)國(guó)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(rèn)為可以解決以上問(wèn)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(jìn)行處理，使柔軟的殘余奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)變成高強(qiáng)度的馬氏體，并能減少表面疏松，降低表面粗糙度的一個(gè)熱處理后工序，當(dāng)這個(gè)工序完成后，不僅僅是表面，幾乎可以使整個(gè)金屬的強(qiáng)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(qiáng)度，壽命成倍增加。而未進(jìn)行深冷處理的刀剪產(chǎn)品，翻新后壽命會(huì)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(jī)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(huì)隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步馬氏體化，在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，會(huì)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(yán)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(qiáng)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(bǔ)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(bǔ)內(nèi)部空隙，使得金屬表面更加密實(shí)，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(xì)化馬氏體孿晶，由于深冷時(shí)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(kuò)散困難，因而形成的碳化物尺寸達(dá)納米級(jí)，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(shuō)明它們的磨損機(jī)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(xì)微化，這種改變無(wú)法用傳統(tǒng)的金屬學(xué)，相變理論來(lái)解釋，也不是以原子擴(kuò)散形式來(lái)進(jìn)行的，一般 -150℃～－180℃下，原子已經(jīng)失去了擴(kuò)散能力，只能以物理學(xué)能量觀點(diǎn)來(lái)解釋，其轉(zhuǎn)變機(jī)理目前尚未研究清楚。因此有待人們進(jìn)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(qiáng)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(gè)階段來(lái)進(jìn)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(shí)間約12小時(shí)，然后保溫24～36小時(shí)，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?yàn)榇慊鸷突鼗鸬倪^(guò)程中，金屬基體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在殘余奧氏體在向馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，發(fā)生體積膨脹，也會(huì)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?huì)增加殘余應(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?yàn)闅堄鄪W氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程是個(gè)緩慢的過(guò)程，保溫時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響到殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的量，同時(shí)深冷后壽命的高低主要是保溫時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)決定的，通常情況下，保溫2～4小時(shí)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(shí)以上的保溫時(shí)間，壽命的提高倍數(shù)與保溫時(shí)間的長(zhǎng)短有直接關(guān)系。

（3）升溫階段

緩慢升溫的過(guò)程主要目的就是防止殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

3、深冷處理*時(shí)機(jī)

      一般認(rèn)為，深冷處理應(yīng)該在工件淬火兩個(gè)小時(shí)內(nèi)處理效果，因?yàn)闅堄鄪W氏體隨著時(shí)間的推移會(huì)逐步向馬氏體轉(zhuǎn)變，而且轉(zhuǎn)變后的馬氏體會(huì)進(jìn)行固化，從而析出碳化物的能力降低。