深冷处理对材料组织和性能的影响（模具钢深冷设备）

　　随着机械工业的不断发展，对金属材料的要求越来越高。如何在材料和热处理工艺既定的前提下，尽可能地提高金属工件的力学性能和使用寿命，已经成为很多处于热处理行业前沿的人思考和探索的问题。

　　首先，这个问题:

　　热处理后，钢的硬度和机械性能大大提高，但热处理后仍存在以下问题:

　　1.残余奥氏体。比例大概在10%-20%左右。由于奥氏体非常不稳定，在受到外力或环境温度变化时，很容易转变为马氏体。但奥氏体和马氏体的比容不同，会造成材料的不规则膨胀，降低工件的尺寸精度。

　　2.组织晶粒粗大，材料的碳化物被固溶体过饱和。

　　3.残余内应力。热处理后的残余内应力会降低材料的疲劳强度等力学性能，在应力释放过程中容易导致工件变形。

　　二.深冷工艺的优点:

　　经过国内外许多金属材料研究者的不懈研究，深冷和超深冷处理工艺被认为是解决上述问题的最佳方法，其优点如下:

　　1.它将硬度较低的残余奥氏体转变为更硬、更稳定、耐磨性和耐热性更高的马氏体。

　　2.马氏体的晶界、晶界边缘和晶界分解细化，析出大量超细碳化物。深冷处理过程中，过饱和马氏体的过饱和度降低，析出的超细碳化物与基体保持共格关系，可使马氏体的晶格畸变减少，降低微观应力，而细小弥散的碳化物可阻碍材料塑性变形过程中的位错运动，从而强化基体结构。同时，由于超细碳化物的析出，均匀分布在马氏体基体上，削弱了晶界催化作用，基体组织的细化不仅削弱了杂质元素在晶界的偏析程度，还起到了强化晶界的作用。从而从三个方面提高了材料的综合力学性能:提高了材料的韧性，冲击韧性高，提高了基体的回火稳定性和抗疲劳性；耐磨性提高；尺寸稳定性得到改善。从而达到强化基体、提高热处理质量、减少回火次数、延长模具使用寿命的目的。

　　3.深冷处理后，材料内部的热应力和机械应力大大降低，在冷却过程中微孔或应力集中部位发生塑性流变，而在加热过程中此类空位表面会产生压应力，可以大大降低缺陷对工件局部性能的破坏，从而有效降低金属工件变形和开裂的可能性。

　　三.深冷工艺的生产及应用效果

　　1.高速钢冷作模具的深冷处理

　　不同处理工艺对W6Cr5Mo4V2Co(M2)钢中残余奥氏体(体积百分比)的影响

　　热处理技术

　　残余奥氏体氩

　　240℃淬火+560℃回火× 1h× 3次

　　10-196℃深冷处理

　　在冷处理过程中，大量的残余奥氏体转变为马氏体，特别是过饱和亚稳马氏体从-196℃到室温会降低过饱和度，析出尺寸仅为20-60 a的超细碳化物，可以降低马氏体的晶格畸变和微观应力，细小弥散的碳化物可以阻碍材料塑性变形过程中的位错运动，从而强化基体结构。同时，由于超细碳化物颗粒的析出，均匀分布在马氏体基体上，削弱了晶界催化作用，基体组织的细化不仅削弱了杂质元素在晶界的偏析程度，还起到了晶界强化的作用，从而改善了高速钢的性能，使硬度、冲击韧性和耐磨性显著提高。模具的硬度越高，耐磨性越好。比如硬度从60HRC提高到62-63HRC，模具的耐磨性会提高30%-40%。

　　可以看出，经深冷处理后，模具的相对耐磨性提高了40%。长时间深冷处理后，相对耐磨性提高，硬度变化不大。举个例子来说明:

　　(1)冲头:汽车厂高速钢的冲头不经深冷处理只能使用10万次，但经-196℃×4h液氮超冷处理后400℃回火，寿命提高到130万次。

　　(2)冲压凹模:生产应用结果表明，深冷处理后产量提高了2倍以上。

　　(3)硅钢片冷冲压模具:为降低深冷处理后模具的脆性和内应力，深冷处理和中温回火相结合，可提高模具的抗破坏性等综合性能，模具磨削寿命可提高3倍以上，并稳定在5-7万次。

　　经过深冷处理或超深冷处理后，精密测量工具的尺寸稳定性和耐磨性显著提高。

　　2.H13钢铝型材热挤压模具的深冷处理

　　H13(4Cr5MoSiV1)钢是国外广泛使用的一种热作模具钢。近年来，H13钢在中国被广泛用于制造铝型材热作模具。在生产过程中，铝型材热挤压模具要经受高温(4500-5200℃)、高压和铝的强烈摩擦。模具失效主要是由于磨损和热疲劳，以及热处理不当，导致早期失效(如断裂、软、塌、缺等因素)。目前国内模具平均使用寿命与国际先进水平还有一定差距。热处理技术和表面处理技术的落后是模具使用寿命低的主要原因。H13合金钢经深冷处理后，显微组织有以下三种变化:1)部分甚至全部残余奥氏体转变为马氏体；2)残余奥氏体的结构相对稳定，其内部组织细化，因此得到强化，有助于韧性；3)提高了材料的韧性，冲击韧性高；

　　例子如下:

　　测试工件是铝挤压模具。工件加工，但不精加工，按照模具常规热处理工艺:1040℃淬火，580℃回火(两次)，渗氮。

　　常规模具热处理+深冷处理工艺:

　　(1)1040℃淬火，580℃两次回火，过冷(-196℃×24h ), 150℃×30分钟回火，渗氮。

　　(2)1040℃淬火，590℃两次回火，过冷(-196℃×24h ), 100℃×30分钟回火，渗氮。

　　深加工工艺(2)两套模具由铝型材厂投入使用，结果一套模具生产出9.5吨合格型材，工厂认为效果良好。另一家铝型材厂使用了工艺(1)的两套模具，产能达到9.2吨/套。按生产的型材壁厚偏差0.1mm的质量标准，一般只能生产4-5吨铝型材；深冷处理后的两对模具已超过上述输出水平。拉制的型材产品质量优良，主要表现在光洁度高，截面均匀性好。实验结果基本表明，采用深冷处理工艺(1)，H13钢铝型材的使用寿命可提高40%以上。

　　3.Cr12MoV钢冷镦模具的深冷处理

　　Cr12MoV钢含碳量和含铬量高，能形成大量高合金化程度的碳化物和马氏体，使钢具有较高的硬度和耐磨性。同时，铬使钢具有较高的淬透性和回火稳定性，钼增加钢的淬透性，细化晶粒，钒可以细化晶粒，增加材料的韧性，它可以形成高硬度的VC，进一步增加钢的耐磨性。因此，Cr12MoV钢是一种广泛用于制造冷作模具的材料。

　　以Cr12MoV钢硅钢片的冲头为例；

　　制造工艺:下料→锻造→球化退火→机加工→最终热处理→磨削。最终热处理工艺为:1030℃淬火，220℃回火。虽然在加工前对毛坯进行了改造，但热处理后的模具使用寿命并不高。

　　(1)冲头失效分析

　　通过对26个失效冲头的分析，发现模具失效的原因是劈裂和折断，折断位置基本在冲头长度方向的中间，劈裂位置都在韧性接头的底部。断裂前后冲头的尺寸和形状没有变化，断裂过程中没有发现塑性变形，均为脆性断裂。失效冲头化学成分:1.65C，0.36Si，0.30Mn，12.1Cr，0.46Mo0.23V，0.027S，0.026P金相组织:回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，其中残余奥氏体含量较大，碳化物大小不均匀，部分颗粒较大，大的碳化物有棱角。

　　Cr12MoV钢属于莱氏体钢。尽管大的共晶碳化合物在锻造过程中被压碎，但颗粒仍然很大且分布不均匀。这些粗糙且有棱角的碳化物降低了冲头的强度和韧性。冲头工作时承受较高的载荷，容易在角状碳化物与基体的结合处萌生疲劳裂纹，并沿纵向向上发展。可以看出，冲头的早期失效主要是疲劳断裂，疲劳断裂的疲劳源主要在刃口和中部的角状碳化物与基体的交界处。只有通过锻造工艺和热处理工艺改变大块共晶碳化物的形态，才能提高钢的强度和韧性。

　　另外，低温淬火回火后，显微组织中残留奥氏体较多，其含量约为30%以上，使模具的硬度和耐磨性不足。因为冲裁硅钢片的冲头需要锋利的刃口，一旦在冲裁过程中刃口变钝，冲孔边缘就会产生毛刺，所以冲头在使用中稍有钝角就必须打磨修边，同时冲头的长度也缩短了。冲头的长度减少到一定程度就会报废，所以模具的使用寿命不高。除强化锻造工艺外，在正常模具热处理的基础上增加了深冷处理工艺。深冷处理实际上是淬火的继续，利用过冷来增加马氏体相变的驱动力。随着低温温度的降低，过冷度增加，残余奥氏体向马氏体的转变更加完全。此外，深冷处理还能促进淬火后形成的马氏体中析出超细碳化物，其数量和扩散程度明显大于未经深冷处理的。这些从马氏体中析出的高度弥散的碳化物可以提高基体的抗压强度和冲击韧性，即提高强度和韧性。这些碳化物的析出将显著提高材料的耐磨性、耐热性、硬度和其他性能。冲头经1030℃油淬后，放入液氮中进行深冷处理，时间≤25分钟；材料经深度处理后，在220℃回火。在冲裁同一批硅钢片的条件下，对新工艺处理的52对冲头与原工艺处理的冲头进行了对比。经深冷处理的52副冲头中，合格率达到95%以上，使用寿命提高了8倍。由于韧性和疲劳强度的提高，避免了冲头的断裂，显著延长了冲头的使用寿命，降低了电机用硅钢片的生产成本，提高了工厂的经济效益。

　　四.深冷处理在制造业中的应用前景

　　在模具制造过程中，模具的质量直接影响企业的经营状况。采用深冷处理技术可以延长模具的使用寿命，增加企业的经济效益。因此，低温改性技术已在模具行业得到应用，并取得了良好的经济效益，具有很大的实用价值。深度处理在航空航天、兵器、工程机械、道路桥梁、半导体、电器、计算机等领域有着广泛的应用前景。