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深冷處理

2016-12-21 10:40 中國泵閥第一網 點擊:6229

超深冷處理(cryogenic treatment)指物料需要在 -190°C 至-230°C 的環境下作處理。適用于所有金屬或非金屬物料,如合金、碳化物、塑膠 (尼龍與鐵氟龍)、鋁、陶瓷等。

深冷處理,又稱超低溫處理(SSZ),是指在以液氮為制冷劑、-l30C以下對材料進行處理的方法而 達到給材料改性的目的。它是常規冷處理(CSZ)的一種延伸,其英文名稱為Cryogenictreatment, 是一種從上世紀中期開始廣泛應用于工業生產的一種新 工藝[l],F有研究表明,深冷處理不僅可以顯著提 高黑色金屬、有色金屬、金屬合金、碳化物、塑料(包括尼龍,泰弗龍)、硅酸鹽等材料的力學性能和使用壽命,穩定尺寸,改善均勻性,減小變形,而且操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低。具有可觀的經濟效益和市場前景。

深冷處理工藝

深冷處理的設備 一般用于普通冷處理(0~-l00C)的設備,通常用干冰,氨(或甲醇)和氟里昂壓縮機來制冷。也有用液氧制冷的,如l965年山西機床廠研制的液氧冷處理設備,使用溫度為-80~-l00C,最低可以達到-l35C。至于深冷處理有采用壓縮空氣來致冷的,如杭州制氧機研究所的大型軋輥深冷設備最低使用溫度為-l30C和航空航天部青云儀器廠的空氣渦輪深冷機等最低使用溫度為-l60C。

最常用的深冷設備都采用液氮致冷,它既經濟又方便,一般用液氮深冷罐來存儲液氮。國內外眾多學者和廠家研制了多種氣體制冷的液氮深冷設備,其中天津市熱處理研究所于l989年研制的液氮汽化型深冷箱,溫度調節范圍為常溫至-l80C,液氮消耗量為每千克工件0.7kg液氮。華中理工大學于93年研制的嵌套式深冷設備采用了雙重致冷方式,即外層箱機械致冷至-l8~-24C,內層箱采用液氮制冷至-l50C,溫度偏差為3C以內。

中科院低溫技術實驗中心于96年研制的深井式冷處理裝置,最低工作溫度為-l00C,溫度偏差為2C以內,升、降溫速率為5~40C/

1,不僅可調節還可以自動控制。此外國內也有一些從國外引進的深冷處理設備,如寶鋼雙頻淬火車間引進的軋輥深冷裝置,采用液氮制冷,最低溫度可達-l80C以下。在美國,六七十年代出現了許多液氮氣體法的深冷設備,如BOC公司的Ellenite設備,可以均勻的冷卻,精確控溫。且可以在-l50C保溫。八十年代以來,出現了電腦控制升降溫和處理飛機機翼的大型液氮深冷設備。

" 深冷處理的制度 深冷處理根據制冷劑使用方法的不同可以分為液體法和氣體法,但前者因為冷卻溫度較高(-l50C) ,且具有熱沖擊性容易導致某些脆性部件的斷裂,現在已經不大采用,而氣體法則因為冷卻溫度低(-l96C)也沒有熱沖擊性而得到廣泛采用。 關于深冷處理工藝參數中的升降溫速度、保溫時間、深冷處理次數和是否采用回火工藝以及回火工藝和深冷處理工藝順序的關系,由于研究的結果不同,至今尚未有一個統一的認識,但一般認為適當地控制升降溫速度(緩慢升降溫)對于材料的深冷處理效果為佳。而保溫時間和相關回火工藝的問題則與所要進行深冷的材料本身有關,如材料本身體積越大,導熱性越差以及組織的穩定性越好則所需的保溫時間越長;而對于受沖擊載荷較大、易彎曲載荷的模具,應采用淬火+回火一次+深冷+回火一次的處理工藝,對于要求高硬度、動載荷較小的模具材 料采用淬火+深冷+回火一次的工藝較佳 。

 2深冷處理機理 關于深冷處理的機理問題

現在還處于一個研 究初期階段。相對來說有關黑色金屬(鋼鐵)的深冷機理已經研究得較為清楚,而有色金屬及其它材料的深冷機制研究的較少,也不是十分清楚,現有的機理分析基本上是沿用鋼鐵材料的。

2.1 黑色合金(鋼鐵)的深冷機理 [2,4-8] 關于鋼鐵材料的深冷處理的作用機理,國內外的研究已較為廣泛和深入,且大家均已基本取得共識,主要的觀點如下。

 2.l.l從馬氏體中析出超細碳化物,從而彌散強化這一點得到了幾乎所有研究的證實,主要原因為馬氏體經-l96C深冷,由于體積收縮,Fe的晶格常數有縮小的趨勢,從而加強了碳原子析出的驅動力,但由于低溫下的擴散更為困難,擴散距離更短,于是在馬氏體的基體上析出了大量的彌散的超微細碳化物。

2.l.2殘余奧氏體的改變低溫下(即Mf點以下)殘余奧氏體發生分解,轉變為馬氏體,提高了工件的硬度和強度。有學者認為深冷可完全消除殘余奧氏體;也有學者發現深冷只能降低殘余奧氏體的數量,但不能完全消除;還有人認為深冷改變了殘余奧氏體的形狀、分布和亞結構,有利于提高鋼的強韌性。

 2.l.3組織細化 組織細化引起工件的強韌化。這主要指原來粗大的馬氏體板條發生了碎化。有學者認為馬氏體點陣常數發生了變化;也有學者認為馬氏體分解析出微細碳化物時造成了組織細化。

 2.l.4表面產生殘余壓應力 冷卻過程可能引起缺陷(微孔,內應力集中部位)的塑性流變。復溫過程中在空位表面產生殘余應力,這種應力可以減輕缺陷對材料局部強度的損害。最終表現為磨料磨損抗力的提高。

 2.l.5深冷處理部分轉移了金屬原子的動能原子間既存在使原子緊靠在一起的結合力,又存在使之分開的動能。深冷處理部分轉移了原子間的動能,從而使原子結合的更緊密,提高了金屬的性能。

2.2 非鐵合金的深冷處理機理

2.2.l深冷處理對硬質合金的作用機理 據文獻報道深冷處理可以提高硬質合金的硬度和抗彎強度、沖擊韌性和磁矯頑力;但會使其磁導率下降。據分析深冷處理作用對其的作用機理是:深冷處理使一部分的!—CO轉變為"—CO,并在表層 產生一定的殘余壓應力 。

2.2.2深冷處理對銅及銅基合金的作用機理 李智超等人研究了深冷處理對H62黃銅組織和性能的影響,研究結果表明深冷處理可以提高組織中#相的相對含量,從而使組織趨向穩定,并且可以顯著提高H62黃銅的硬度和強度。對于減少變形、穩定尺寸,改善切削性能也大有好處。而大連 理工大學的叢吉林和王秀敏等人對于銅基材 料主要是CLCI50真空開關觸頭材料的深冷處理研 究結果表明,深冷處理可以使組織明顯細化,且在兩種合金的交界處有相互滲析的現象,兩種合金表面還有大量的顆粒析出,類似于高速鋼深冷處理后在晶界及基體表面析出碳化物的現象。另外經深冷處理后的該真空觸頭材料的抗電蝕性得到了改善。國外關于銅電極的深冷處理研究結果為提高電導率, 減小焊接端的塑性變形,壽命提高了近9倍。

而關于銅合金機理現在沒有明確的理論,一般可能是在低溫下銅合金發生了類似鋼中殘余奧氏體向馬氏體轉變的相變,并且晶粒得以細化。但詳細機制目前還未有定論。

2.2.3 深冷處理對鎳基合金性能的影響及作用和機制鎳基合金深冷處理的文獻報道很少,文獻報道深冷處理可以提高該合金的塑性,并使其對交變應力集中的敏感性降低。

文獻的作者對作用機理的解釋是深冷處理造成材料的應力松弛,微裂紋向相反的方向發展。 

2.2.4 深冷處理對非晶合金性能的影響及作用和 機理關于深冷處理對非晶合金性能的影響,

文獻研究了CO57Ni10Fe5B17,研究發現深冷處理可以改善該非晶材料的耐磨性和力學性能。作者認為是深冷處理促進了非磁性元素的表面沉積,發生類似于結晶時的結構松弛的結構轉變。

 2.2.5深冷處理對鋁、 鋁基合金的影響及作用機理鋁和鋁合金的深冷處理研究是近幾年國內深冷 處理研究的一個熱點,李寰和姜傳海 等人研 究發現深冷處理可以消除鋁基碳化硅復合材料的殘 余應力和改善其彈性模量,湯光平和晉芳偉等人發現深冷處理提高鋁合金的尺寸穩定性,減少加工變形,提高材料的強度和硬度,但是他們對有關的機理沒有進行系統的研究,只是籠統的認為是溫度產生的應力增加了位錯密度而引起的。中南工業大學的陳鼎等人則系統的研究了深冷處理對常用鋁合金的性能影響,他們在研究中發現了深冷處理導致鋁合金發生晶粒轉動的現象,并就此提出了一系 列新的鋁合金的深冷強化機制。

 3 深冷處理的優點和工業應用現狀

深冷處理的主要優點 可以增強抗磨性;增強強度和韌性;提高抗腐 蝕、耐磨性;增強抗沖擊性;提高抗疲勞強度;經過一次深冷處理可以保證被處理材料始終具有被提高的力學性能;不引起外形尺寸變形;可以應用于新/舊工件;可以消除內應力;提高材料穩定性;處理成本低廉,由于延長刀具壽命可以降低換刀、修磨的時間,以節約生產成本;可以取得與其他表面處理相同的表面結果(如鍍鈦、鉻、泰弗龍);可以生產更加緊密的分子結構,從而在較大的接觸面上降低摩擦力、發熱和磨損。

深冷處理可以處理的主要工件 切削刀具;內燃機配件;槍管;絲錐;傳動軸;醫療器械;鉆頭;曲軸;農機配件;銑刀;凸輪;樂器;可轉位刀片;軸;不銹鋼;沖模;齒輪;鎳基合金;級進模;鏈條;銅電極材料;剪刀;沖擊桿;陶瓷材料;刀片;擠壓桿;鋁基合金;滾剪刀;尼龍、泰弗龍;粉末冶金零件;一切需要在高硬度的同時又要有較高強度、韌性的金屬構件。!.!深冷處理在工業上的主要應用 

3.3.1 延長零部件及工具使用壽命,提高耐磨性能采用低溫深冷處理工藝可以明顯提高使用壽命的材料有:高速鋼、工具鋼、模具鋼、銅電極、粉末材料、硬質合金、陶瓷等。表2和表3分別為美國部分公司和我國部分單位采用深冷處理延長零件使用壽命的實例;表4為部分常用模具材料經深冷處理后耐磨性變化的比例系數。從下面三個表格可以看出,深冷處理對于不同材料的零部件和工具產生了不同的效果,零部件和工具的耐磨性顯著提高。

3.3.2改善材料的穩定性 改善材料的穩定性是深冷處理在鋁、銅、鈦和300系列不銹鋼中的又一成功應用,效果最明顯的是鋁和其合金。

3.3.3改善材料性能 深冷處理可以提高和改善材料性能,如強度、抗疲勞性能、耐蝕性等。

大學研究和工業研究應用在工業生產得到的現場結果。

結束語

隨著現代工業的發展,對材料性能的要求也越 來越高。而當代材料研究有兩大的趨勢:!不斷開發新技術、新工藝、新設備,以研制各種具有特殊要求或優異性能的新材料,如采用快速凝固、機械合金化、噴射沉積、注射成型等工藝開發微晶、非晶、準晶、納米晶結構和功能材料。"對現有傳統材料如鋼鐵、鋁、銅采用超純凈化、大變形量加工、深冷處理等特殊的加工和處理工藝,在基本不改變現有材料的成分基礎上大幅度提高其性能,從而有效地提高

冷處理研究無論是在工藝的穩定性和某些材料的作用機制研究方面還存在著許多不足之處,為深冷處理在工業上的大規模應用帶來了阻礙,所以穩定的深冷工藝制度和有色金屬的深冷處理機制的開發和研究將是經后該領域的研究重點。

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