深冷处理原理及其在工业上的应用

深冷处理原理及其在工业上的应用班级:热能12-2姓名：黄靖学号:120123206067深冷处理，又称超低温处理（SSZ），是指在以液氮为制冷剂、-l30C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［l］。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.1.1深冷处理工艺简介深冷处理的设备一般用于普通冷处理（0~-l00C）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l965年山西机床厂研制的液氧冷处理设备，使用温度为-80~-l00C，最低可以达到-l35C。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-l30C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-l60C。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l989年研制的液氮汽化型深冷箱，温度调节范围为常温至-l80C，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-l8~-24C，内层箱采用液氮制冷至-l50C，温度偏差为3C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-l00C，温度偏差为2C以内，升、降温速率为5~40C/1，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-l80C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-l50C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-l90C下的长时超低温保温。工件处理周期为40~721。表l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（-l50C），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低（-l96C）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.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［2，4-8］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.l.l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-l96C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.l.l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-l96C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.l.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.l.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.l.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.l.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.l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!—CO转变为—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［l0］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#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［ll，l2］对于铜基材料主要是CLCI50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［l3］。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［l4］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。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CO57Ni10Fe5B17，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近几年国内深冷处理研究的一个热点，李寰［16］和姜传海［17］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］。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。!.#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。!.!深冷处理在工业上的主要应用［#］3.3.1延长零部件及工具使用寿命，提高耐磨性能。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。3.32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：!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。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。参考文献：［1］OwakuS.CryOgenictreatment［J］.HeatingTreatment，1981，21（1）：44-48.［2］陈鼎.铝及铝合金的深冷处理［D］.长沙：中南工业大学，2000.［3］李智超，董允.回火深冷处理试验［J］.热加工工艺，1989，81（5）：37-40.COIIinsDN.DeepcryOgenictreatmentOftOOIste［J］.HeatingTreatmentOfMetaI，1996，23（2）：40-44.［5］DavidV.CryOgenictreatmentOfmetaI［J］.AdvanceMate-riaIs&PrOcesses，1998，（12）：23-25.［6］黎文献，龚浩然，柏振海等.金属的深冷处理［J］.材料导报，2000，14（3）16-18