深冷處理材料低溫技術(shù)

材料低溫處理技術(shù)提綱材料處理的目的熱處理概念深冷處理過程影響深冷效果的因素分析不同類型材料深冷處理的機(jī)理深冷處理效果示例深冷處理設(shè)備介紹前景展望和研究方向材料處理的目的1、背景2010年全球鋼產(chǎn)量達(dá)到14.14億噸

中國以6.267億噸位居全球第一位

占全球鋼產(chǎn)量的44.3%2、存在問題：粗鋼多，優(yōu)質(zhì)鋼少，利潤低；

重加工，輕處理，處理工藝相對(duì)落后3、解決方法之一完善材料熱處理制度，引入深冷處理工藝提高金屬材料的機(jī)械性能、消除殘余應(yīng)力、改善金屬的切削加工性，提高材料的品質(zhì)和我國制造業(yè)的能力和水平熱處理概念一、概念熱處理就是將鋼在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的操作工藝。1、預(yù)備熱處理改善加工性能、消除內(nèi)應(yīng)力和為最終熱處理準(zhǔn)備良好的金相組織。一般工藝為退火、正火、時(shí)效、調(diào)質(zhì)等。2、最終熱處理

提高硬度、耐磨性和強(qiáng)度等力學(xué)性能3、冷處理（低溫處理）--在普通熱處理的基礎(chǔ)上一種新的工藝三、熱處理的分類普通熱處理退火熱正火處淬火理回火表面熱處理表面淬火感應(yīng)加熱淬火

火焰加熱淬火滲碳化學(xué)熱處理滲氮碳氮共滲

滲金屬滲金屬低溫處理冷處理（冰冷處理）

深冷處理深冷處理一、冷處理意義

耐磨性機(jī)械性能硬度尺寸穩(wěn)定性

沖擊韌性

導(dǎo)電性物理性能導(dǎo)熱性

二、深冷處理的定義

普通冷處理

0℃

～-100℃

冷處理

深冷處理-100℃以下

起步發(fā)展源頭瑞士的鐘表制造者把鐘表的關(guān)鍵零件埋入寒冷的阿爾卑斯雪山中以提高鐘表的使用壽命。1939年由俄羅斯人最先提出深冷處理概念。實(shí)驗(yàn)室的摸索美國路易斯安娜大學(xué)處理后，耐磨性提高2.0-6.6渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)沖頭處理后使用壽命提高1倍1965年，美國將深冷技術(shù)工業(yè)化。70年代，美國成立了若干個(gè)專業(yè)化的深冷處理公司。隨后，英國、俄羅斯、日本相繼開始了研究。中國于70年代開始研究，理化所80年代開始研究三、深冷處理的發(fā)展歷史四、深冷處理基本工藝

1、加熱被處理的工具鋼到奧氏體化溫度以最大限度的減少殘余奧氏體的量；2、保溫一定時(shí)間；3、以一定的速率進(jìn)行淬火；4、置于室溫停留不超過1小時(shí)，立即轉(zhuǎn)到下一步；5、以較慢的速率冷卻到較低的溫度，6、在低溫下保持較長的時(shí)間；7、以較慢的速率加熱到室溫8、按照該材料所允許

的回火溫度回火。四、深冷處理工藝一、殘余奧氏體的改變低溫下，殘余奧氏體繼續(xù)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高了材料的硬度和強(qiáng)度。低溫下，未完全轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體的改變了其形狀、分布和亞結(jié)構(gòu)，變成了相對(duì)穩(wěn)定的組織，提高了材料的強(qiáng)韌性。所以，深冷處理對(duì)降低材料中的殘余奧氏體含量，提高材料的硬度及耐磨性起了很大作用，此外材料中一定量殘余奧氏體的存在對(duì)提高材料的韌性也是有好處的。深冷處理(鋼鐵為例）的機(jī)理殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體

晶格結(jié)構(gòu)：

1、塑性：面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)比體心立方（BCC）晶格結(jié)構(gòu)的好2、強(qiáng)度：體心立方（BCC）晶格結(jié)構(gòu)比面心立方（FCC）晶格結(jié)構(gòu)高二、析出碳化物顆粒改善晶格結(jié)構(gòu)

馬氏體體積收縮、鐵的晶格常數(shù)縮小殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體增加了碳原子析出的動(dòng)力材料內(nèi)應(yīng)力增加，促進(jìn)了碳化物的析出馬氏體基體上析出大量的超微細(xì)碳化物（回火過程完成）析出碳化物顆粒改善晶格結(jié)構(gòu)高合金鋼深冷前后微觀組織對(duì)比：三、組織細(xì)化組織細(xì)化引起工件的強(qiáng)韌化；原來粗大的馬氏體板條發(fā)生了碎化；馬氏體點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生了變化；馬氏體分解析出微細(xì)碳化物時(shí)造成了組織細(xì)化。四、表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力深冷處理過程引起了材料內(nèi)部缺陷(微孔，內(nèi)應(yīng)力集中部位)的塑性流變。

在隨后的復(fù)溫過程中在空位表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力可以減輕缺陷對(duì)材料局部強(qiáng)度的損害。

最終表現(xiàn)為磨料磨損抗力的提高。五、部分轉(zhuǎn)移了金屬原子的動(dòng)能原子間既存在使原子緊靠在一起的結(jié)合力，又存在使之分開的動(dòng)能。深冷處理部分轉(zhuǎn)移了原子間的動(dòng)能，從而使原子結(jié)合的更緊密，提高了金屬的性能。深冷處理增加了原子間的結(jié)合能影響深冷效果的因素

1、深冷溫度2、低溫下保溫時(shí)間3、降溫速率溫度對(duì)深冷處理效果的影響幾種不同鋼材在深冷溫度為-190℃和-84℃時(shí)耐磨性的比較。

深冷溫度與耐磨性的關(guān)系

溫度對(duì)深冷處理效果的影響深冷處理溫度與磨損量的關(guān)系溫度對(duì)深冷處理效果的影響對(duì)于D2鋼，碳化物顆粒的數(shù)量隨著深冷溫度的低而增加深冷處理溫度與碳化物顆粒的數(shù)量保溫時(shí)間對(duì)深冷處理效果的影響D2鋼深冷保溫時(shí)間與硬度的關(guān)系保溫時(shí)間對(duì)深冷處理效果的影響D2鋼深冷保溫時(shí)間與碳化物顆粒數(shù)量的關(guān)系降溫速率對(duì)深冷處理效果的影響

降溫速率

降溫速率快會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，

降溫速率太慢花費(fèi)的時(shí)間太多，快速冷卻會(huì)使材料內(nèi)部缺陷的平衡條件被破壞，從而產(chǎn)生非平衡缺陷。影響深冷效果的因素的評(píng)價(jià)

深冷處理各個(gè)過程對(duì)改善鋼的機(jī)械性能的貢獻(xiàn)深冷溫度占到72%保溫時(shí)間占到24%降溫速率占到10%回火溫度占到2%深冷處理過程深冷處理分三步完成：1、冷處理過程：當(dāng)溫度降到-130℃以上時(shí)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，增加了材料的硬度。2、深冷處理過程：當(dāng)溫度降到-196℃時(shí)，開始析出碳化物顆粒，并且深冷時(shí)間越長形成的碳化物顆粒更多，材料的耐磨性越高。3、回火過程：組織穩(wěn)定和鞏固冷處理的成果。如果材料中最初含有較高的殘余奧氏體量，則第1步的轉(zhuǎn)化能極大的提高材料的硬度；反之，第2步碳化物的析出，能極大的提高材料的耐磨性。鋁及鋁合金的深冷處理機(jī)理鋁合金深冷處理的機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的問題，它不像鋼鐵材料那樣在深冷處理過程中產(chǎn)生馬氏體相變，即殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，鋁合金在低溫下不存在相變問題，在金相照片中沒有發(fā)現(xiàn)晶粒明顯的細(xì)化現(xiàn)象。有研究表明，深冷后體積收縮可以使材料內(nèi)的部分缺陷如空位和微孔得到彌合，提高鋁合金的強(qiáng)度。硬質(zhì)合金的深冷處理機(jī)理深冷處理可以提高硬質(zhì)合金的硬度和抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性及耐磨性，但同時(shí)會(huì)使其磁導(dǎo)率下降。據(jù)分析，深冷處理對(duì)硬質(zhì)合金的作用機(jī)理是使組織中的一部分α-Co轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Co，并在表層產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，從而使材料的性能提高。

銅及銅基合金的深冷處理機(jī)理研究表明深冷處理可以提高黃銅組織中β相的相對(duì)含量，從而使組織趨向穩(wěn)定，并且可以顯著提高黃銅的硬度和強(qiáng)度，深冷處理對(duì)于減少變形、穩(wěn)定尺寸，改善切削性能也大有好處。此外，深冷處理還能使銅合金的組織細(xì)化，改善銅合金的電學(xué)及熱學(xué)性能，使其電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率得到提高。高速鋼W9Mo3Cr4V鋼深冷處理

化學(xué)成分（Wt%）CWMoCrVMnSiSP0.819.253.103.921.350.300.35≤0.03≤0.03

高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，又稱高速工具鋼或鋒鋼。主要用來制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具，也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等。W9Mo3Cr4V處理工藝QC+560℃×1h回火3次QC+-80℃×1h+560℃×1h回火1次QC+-120℃×1h+560℃×1h回火1次QC+-140℃×1h+560℃×1h回火1次QC+-160℃×1h+560℃×1h回火1次QC+-196℃×1h+560℃×1h回火1次QC+560℃×1h回火3次+-80℃×1hQC+560℃×1h回火3次+-120℃×1hQC+560℃×1h回火3次+-140℃×1hQC+560℃×1h回火3次+-160℃×1hQC+560℃×1h回火3次+-196℃×1hQC指高速鋼的淬火工藝制度，即一次預(yù)熱750℃～800℃，3分鐘，二次預(yù)熱900℃～950℃，3分鐘，1220℃～1230℃淬火，1.5分鐘，580℃～620℃硝鹽中分級(jí)冷卻1.5分鐘。深冷處理應(yīng)用-W9高速鋼室溫硬度與冷處理溫度的關(guān)系室溫沖擊韌性與冷處理溫度的關(guān)系硬度隨冷處理溫度降低而升高，并在-140℃附近保持穩(wěn)定；沖擊韌性隨冷處理溫度降低而升高；冷處理可以同時(shí)提高W9鋼的強(qiáng)度和韌性，是提高材料性能的有效手段。深冷處理應(yīng)用-W9高速鋼回火后紅硬性變化抗彎強(qiáng)度變化W9鋼深冷處理溫度對(duì)紅硬性的影響變化不是很明顯，但是深冷處理后鋼的紅硬性保持在58.5-62.0之間。W9鋼的抗彎強(qiáng)度隨深冷處理溫度降低而升高深冷處理應(yīng)用-W9鋼掃描對(duì)比普通熱處理-120℃深冷處理-196℃深冷處理析出的碳化物顆粒120℃最為均勻，細(xì)小；深冷處理溫度并不是越低越好。深冷處理應(yīng)用-W9鋼透射對(duì)比普通熱處理-120℃深冷處理深冷處理后馬氏體板條取向清晰、浮凸度減小；馬氏體板條位錯(cuò)密度增加。-196℃深冷處理深冷處理效果-W9鋼投射對(duì)比普通熱處理-120℃深冷處理冷處理后馬氏體板條內(nèi)孿晶密度增加；孿晶在馬氏體內(nèi)部平行排列；深冷處理效果-W9高速鋼普通熱處理工藝深冷處理溫度（℃）-80-120-140-160-1964.84.84.84.44.03.7W9鋼不同深冷處理溫度的殘余奧氏體含量（%）深冷處理效果-W9鋼W9Mo3Cr4V高速鋼絲錐切削1Cr18Ni9Ti鋁合金的深冷處理研究鋁合金深冷研究方面的結(jié)果深冷前后機(jī)械性能變化深冷前后端面跳動(dòng)值提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約成本，減少損耗，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)！耐磨性尺寸穩(wěn)定性抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能導(dǎo)電、導(dǎo)熱等物理性能深冷處理總結(jié)應(yīng)用的領(lǐng)域航空航天精密儀器儀表礦山機(jī)械汽車工業(yè)軍事科學(xué)深冷處理的應(yīng)用領(lǐng)域航空航天：中航集團(tuán)、航天集團(tuán)、中船重工、核工業(yè)集團(tuán)軍事領(lǐng)域：衛(wèi)星、槍械、炮彈、坦克汽車工業(yè)：比亞迪、奇瑞、大眾、長安等機(jī)械領(lǐng)域：中鋼集團(tuán)、三一重工、秦川集團(tuán)、碳素結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金銅、鋁及其合金涉及材料涉及到的材料非金屬材料鈦合金玻纖碳纖深冷處理國內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例鋼種描述-97℃（%）-169℃D2高碳/鉻鋼316817S7鉻鉬合金組成，適用于熱作和冷作之沖擊工具、塑膠模具24150352100軸承鋼195420O1油淬硬化工具鋼,221418A10石墨工具鋼230264M1鉬高速鋼145225H13熱作模具鋼164209M2鎢/鉬高速鋼117203T1鎢系高速鋼141176CPM10V合金鋼94131P20模具鋼123130440馬氏體不銹鋼128121