深冷处理材料低温技术

材料低温处理技术提纲材料处理的目的热处理概念深冷处理过程影响深冷效果的因素分析不同类型材料深冷处理的机理深冷处理效果示例深冷处理设备介绍前景展望和研究方向材料处理的目的1、背景2010年全球钢产量达到14.14亿吨

中国以6.267亿吨位居全球第一位

占全球钢产量的44.3%2、存在问题：粗钢多，优质钢少，利润低；

重加工，轻处理，处理工艺相对落后3、解决方法之一完善材料热处理制度，引入深冷处理工艺提高金属材料的机械性能、消除残余应力、改善金属的切削加工性，提高材料的品质和我国制造业的能力和水平热处理概念一、概念热处理就是将钢在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺。1、预备热处理改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。一般工艺为退火、正火、时效、调质等。2、最终热处理

提高硬度、耐磨性和强度等力学性能3、冷处理（低温处理）--在普通热处理的基础上一种新的工艺三、热处理的分类普通热处理退火热正火处淬火理回火表面热处理表面淬火感应加热淬火

火焰加热淬火渗碳化学热处理渗氮碳氮共渗

渗金属渗金属低温处理冷处理（冰冷处理）

深冷处理深冷处理一、冷处理意义

耐磨性机械性能硬度尺寸稳定性

冲击韧性

导电性物理性能导热性

二、深冷处理的定义

普通冷处理

0℃

～-100℃

冷处理

深冷处理-100℃以下

起步发展源头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。1939年由俄罗斯人最先提出深冷处理概念。实验室的摸索美国路易斯安娜大学处理后，耐磨性提高2.0-6.6涡轮发动机冲头处理后使用寿命提高1倍1965年，美国将深冷技术工业化。70年代，美国成立了若干个专业化的深冷处理公司。随后，英国、俄罗斯、日本相继开始了研究。中国于70年代开始研究，理化所80年代开始研究三、深冷处理的发展历史四、深冷处理基本工艺

1、加热被处理的工具钢到奥氏体化温度以最大限度的减少残余奥氏体的量；2、保温一定时间；3、以一定的速率进行淬火；4、置于室温停留不超过1小时，立即转到下一步；5、以较慢的速率冷却到较低的温度，6、在低温下保持较长的时间；7、以较慢的速率加热到室温8、按照该材料所允许

的回火温度回火。四、深冷处理工艺一、残余奥氏体的改变低温下，残余奥氏体继续发生相变，转变为马氏体，提高了材料的硬度和强度。低温下，未完全转变的残余奥氏体的改变了其形状、分布和亚结构，变成了相对稳定的组织，提高了材料的强韧性。所以，深冷处理对降低材料中的残余奥氏体含量，提高材料的硬度及耐磨性起了很大作用，此外材料中一定量残余奥氏体的存在对提高材料的韧性也是有好处的。深冷处理(钢铁为例）的机理残余奥氏体转变成马氏体

晶格结构：

1、塑性：面心立方（FCC）结构比体心立方（BCC）晶格结构的好2、强度：体心立方（BCC）晶格结构比面心立方（FCC）晶格结构高二、析出碳化物颗粒改善晶格结构

马氏体体积收缩、铁的晶格常数缩小残余奥氏体转变成马氏体增加了碳原子析出的动力材料内应力增加，促进了碳化物的析出马氏体基体上析出大量的超微细碳化物（回火过程完成）析出碳化物颗粒改善晶格结构高合金钢深冷前后微观组织对比：三、组织细化组织细化引起工件的强韧化；原来粗大的马氏体板条发生了碎化；马氏体点阵常数发生了变化；马氏体分解析出微细碳化物时造成了组织细化。四、表面产生残余压应力深冷处理过程引起了材料内部缺陷(微孔，内应力集中部位)的塑性流变。

在随后的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。五、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。深冷处理增加了原子间的结合能影响深冷效果的因素

1、深冷温度2、低温下保温时间3、降温速率温度对深冷处理效果的影响几种不同钢材在深冷温度为-190℃和-84℃时耐磨性的比较。

深冷温度与耐磨性的关系

温度对深冷处理效果的影响深冷处理温度与磨损量的关系温度对深冷处理效果的影响对于D2钢，碳化物颗粒的数量随着深冷温度的低而增加深冷处理温度与碳化物颗粒的数量保温时间对深冷处理效果的影响D2钢深冷保温时间与硬度的关系保温时间对深冷处理效果的影响D2钢深冷保温时间与碳化物颗粒数量的关系降温速率对深冷处理效果的影响

降温速率

降温速率快会产生热冲击，

降温速率太慢花费的时间太多，快速冷却会使材料内部缺陷的平衡条件被破坏，从而产生非平衡缺陷。影响深冷效果的因素的评价

深冷处理各个过程对改善钢的机械性能的贡献深冷温度占到72%保温时间占到24%降温速率占到10%回火温度占到2%深冷处理过程深冷处理分三步完成：1、冷处理过程：当温度降到-130℃以上时，残余奥氏体转化成马氏体，增加了材料的硬度。2、深冷处理过程：当温度降到-196℃时，开始析出碳化物颗粒，并且深冷时间越长形成的碳化物颗粒更多，材料的耐磨性越高。3、回火过程：组织稳定和巩固冷处理的成果。如果材料中最初含有较高的残余奥氏体量，则第1步的转化能极大的提高材料的硬度；反之，第2步碳化物的析出，能极大的提高材料的耐磨性。铝及铝合金的深冷处理机理铝合金深冷处理的机理是一个复杂的问题，它不像钢铁材料那样在深冷处理过程中产生马氏体相变，即残余奥氏体转变为马氏体，铝合金在低温下不存在相变问题，在金相照片中没有发现晶粒明显的细化现象。有研究表明，深冷后体积收缩可以使材料内的部分缺陷如空位和微孔得到弥合，提高铝合金的强度。硬质合金的深冷处理机理深冷处理可以提高硬质合金的硬度和抗弯强度、冲击韧性及耐磨性，但同时会使其磁导率下降。据分析，深冷处理对硬质合金的作用机理是使组织中的一部分α-Co转变为ε-Co，并在表层产生一定的残余压应力，从而使材料的性能提高。

铜及铜基合金的深冷处理机理研究表明深冷处理可以提高黄铜组织中β相的相对含量，从而使组织趋向稳定，并且可以显著提高黄铜的硬度和强度，深冷处理对于减少变形、稳定尺寸，改善切削性能也大有好处。此外，深冷处理还能使铜合金的组织细化，改善铜合金的电学及热学性能，使其电导率和热导率得到提高。高速钢W9Mo3Cr4V钢深冷处理

化学成分（Wt%）CWMoCrVMnSiSP0.819.253.103.921.350.300.35≤0.03≤0.03

高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。W9Mo3Cr4V处理工艺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指高速钢的淬火工艺制度，即一次预热750℃～800℃，3分钟，二次预热900℃～950℃，3分钟，1220℃～1230℃淬火，1.5分钟，580℃～620℃硝盐中分级冷却1.5分钟。深冷处理应用-W9高速钢室温硬度与冷处理温度的关系室温冲击韧性与冷处理温度的关系硬度随冷处理温度降低而升高，并在-140℃附近保持稳定；冲击韧性随冷处理温度降低而升高；冷处理可以同时提高W9钢的强度和韧性，是提高材料性能的有效手段。深冷处理应用-W9高速钢回火后红硬性变化抗弯强度变化W9钢深冷处理温度对红硬性的影响变化不是很明显，但是深冷处理后钢的红硬性保持在58.5-62.0之间。W9钢的抗弯强度随深冷处理温度降低而升高深冷处理应用-W9钢扫描对比普通热处理-120℃深冷处理-196℃深冷处理析出的碳化物颗粒120℃最为均匀，细小；深冷处理温度并不是越低越好。深冷处理应用-W9钢透射对比普通热处理-120℃深冷处理深冷处理后马氏体板条取向清晰、浮凸度减小；马氏体板条位错密度增加。-196℃深冷处理深冷处理效果-W9钢投射对比普通热处理-120℃深冷处理冷处理后马氏体板条内孪晶密度增加；孪晶在马氏体内部平行排列；深冷处理效果-W9高速钢普通热处理工艺深冷处理温度（℃）-80-120-140-160-1964.84.84.84.44.03.7W9钢不同深冷处理温度的残余奥氏体含量（%）深冷处理效果-W9钢W9Mo3Cr4V高速钢丝锥切削1Cr18Ni9Ti铝合金的深冷处理研究铝合金深冷研究方面的结果深冷前后机械性能变化深冷前后端面跳动值提高产品质量，节约成本，减少损耗，发展低碳经济！耐磨性尺寸稳定性抗拉强度等机械性能导电、导热等物理性能深冷处理总结应用的领域航空航天精密仪器仪表矿山机械汽车工业军事科学深冷处理的应用领域航空航天：中航集团、航天集团、中船重工、核工业集团军事领域：卫星、枪械、炮弹、坦克汽车工业：比亚迪、奇瑞、大众、长安等机械领域：中钢集团、三一重工、秦川集团、碳素结构钢合金结构钢合金工具钢高速钢硬质合金铜、铝及其合金涉及材料涉及到的材料非金属材料钛合金玻纤碳纤深冷处理国内外应用实例钢种描述-97℃（%）-169℃D2高碳/铬钢316817S7铬钼合金组成，适用于热作和冷作之冲击工具、塑胶模具24150352100轴承钢195420O1油淬硬化工具钢,221418A10石墨工具钢230264M1钼高速钢145225H13热作模具钢164209M2钨/钼高速钢117203T1钨系高速钢141176CPM10V合金钢94131P20模具钢123130440马氏体不锈钢128121