工、模具深冷處理及其應(yīng)用前景分析

王鋒　湯立松　李艷艷　張靜謐　郝清龍

【摘 要】深冷處理是一種極具前景的（材料處理的）新工藝，不僅可以提高材料的使用壽命，而且成本較低、無污染，是符合21世紀(jì)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展潮流的一種綠色的制造技術(shù)。本文綜述了深冷處理的機(jī)理、研究現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要分析了深冷處理在某煤機(jī)制造公司的應(yīng)用前景，并對(duì)該技術(shù)在煤機(jī)制造領(lǐng)域的推行進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】液氨；深冷處理；耐磨性

Analysis of the application prospect of deep cryogenic treatment of tool and die

WANG Feng1 TANG Li-song1 LI Yan-yan1 ZHANG Jing-mi1 HAO Qing-long2

（1.Department of Mechanicl Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde Hebei 067000， China；

2.Industrial Technology Center， Chengde Petroleum College， Chengde Hebei 067000， China）

【Abstract】Deep cryogenic treatment is a promising technology on material processing. It can improve the service life of materials， and the cost is lower. Deep cryogenic treatment is a green manufacturing technology which meet the development trend of modern manufacturing industry. This paper reviews the mechanism and research status of deep cryogenic treatment and briefly annlysises the application of deep cryogenic treatment in one mining machine manufacturing companyof northwest. The implementation of Deep cryogenic treatment in the mining machine manfacturing field is also prospected in this paper）

【Key words】Liquid nitrogen； Deep cryogenic treatment； Wear resistance

0 前言

隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，各種數(shù)控機(jī)床及加工中心層出不窮，使生產(chǎn)效率大為提高，與此同時(shí)制造行業(yè)對(duì)工、模具的需求及性能要求也越來越高。如何提高工、模具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本成為諸多研究者研究的重要課題。大量研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理不僅可以顯著提高材料的力學(xué)性能及使用壽命，穩(wěn)定零部件尺寸、減少變形，而且操作簡(jiǎn)單，不用破壞工件，無污染、成本低，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景，是一種挖掘材料潛能的綠色制造技術(shù)[1]。

所謂深冷處理，又稱“超低溫處理”，是指在以液氮為制冷劑、在

-130℃以下的環(huán)境中對(duì)材料進(jìn)行冷處理，從而達(dá)到對(duì)材料改性的目的，是常規(guī)冷處理的一種延伸[2]。早在100多年以前，深冷處理技術(shù)就得以應(yīng)用，如瑞士鐘表商將鐘表中的一些關(guān)鍵零件埋在寒冷的阿爾卑斯雪山中，以提高其強(qiáng)度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性及使用壽命。20世紀(jì)80年代，該技術(shù)傳入我國(guó)，逐漸在工、模具制造方面上進(jìn)行了廣泛研究和應(yīng)用，并取得一定的進(jìn)展。近年來，隨著儀器設(shè)備的進(jìn)步和深冷處理技術(shù)理論及應(yīng)用技術(shù)的不斷革新，其應(yīng)用范圍也逐步從黑色金屬擴(kuò)大到有色金屬（鋁合金、銅合金等）及復(fù)合材料等方面[3]。但我國(guó)現(xiàn)有的深冷處理技術(shù)還不夠成熟，尚屬一門年輕學(xué)科，需要對(duì)其進(jìn)行深入研究，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。

1 深冷處理機(jī)理

關(guān)于深冷處理的機(jī)理問題，國(guó)內(nèi)外科研工作者進(jìn)行了廣泛而深入的研究，但許多方面仍處于研究初期。相對(duì)來說有關(guān)黑色金屬（鋼鐵），其深冷機(jī)理較為清楚，且已基本達(dá)成共識(shí)，主要觀點(diǎn)如下[4]：

1.1 從馬氏體中析出超細(xì)碳化物，從而達(dá)到彌散強(qiáng)化的效果

這一觀點(diǎn)已得到了幾乎所有實(shí)驗(yàn)研究的證實(shí)，主要原因?yàn)轳R氏體經(jīng)-196℃深冷，由于（由于去掉）體積收縮，F(xiàn)e的晶格常數(shù)有縮小的趨勢(shì)，從而加強(qiáng)了碳原子析出的驅(qū)動(dòng)力，但由于低溫的擴(kuò)散更為困難，擴(kuò)散距離更短，于是在馬氏體基體上析出了大量彌散的超微細(xì)碳化物。

1.2 殘余奧氏體的改變

低溫下（即Mf點(diǎn)以下）殘余奧氏體發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高了工件的硬度和強(qiáng)度。有些學(xué)者認(rèn)為深冷處理可完全消除殘余奧氏體；也有學(xué)者認(rèn)為深冷只能降低殘余奧氏體的數(shù)量，但不能完全消除；還有人認(rèn)為深冷改變了殘余奧氏體的形狀、分布和亞結(jié)構(gòu)，從而提高了鋼的強(qiáng)韌性。

1.3 組織細(xì)化

組織細(xì)化使工件的強(qiáng)韌性得到提高，這主要指原來粗大的馬氏體板條發(fā)生了碎化，組織變得更均勻、更致密、更細(xì)化。有些學(xué)者認(rèn)為這是馬氏體點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生了變化，也有學(xué)者認(rèn)為是馬氏體分解析出細(xì)微碳化物時(shí)造成了組織細(xì)化。

1.4 表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力

冷卻過程可能引起缺陷（微孔、內(nèi)應(yīng)力集中部位）的塑性流變。復(fù)溫過程在空位表面產(chǎn)生殘余壓應(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。

1.5 深冷處理部分轉(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。

2 工、模具深冷處理研究現(xiàn)狀

目前深冷處理在改善金屬力學(xué)性能，提高耐磨性以及延長(zhǎng)零部件使用壽命、增加材料穩(wěn)定性方面已經(jīng)得到了人們認(rèn)可，是一種比較實(shí)用且具有廣闊市場(chǎng)前景的技術(shù)，尤其在工、模具生產(chǎn)制造上得到了較為廣泛的應(yīng)用。

馮銘瑤[5]等對(duì)比了深冷處理工藝和常規(guī)熱處理工藝對(duì)冷作模具鋼9SiCr鋼沖模性能的影響。研究表明工件在回火后深冷處理，硬度略高于常規(guī)處理，而沖擊韌性值比常規(guī)處理高兩倍，對(duì)防止沖模脆性斷裂有利，與其它強(qiáng)韌性處理法相比，該方法操作簡(jiǎn)單，成本低、無污染，值得推廣。

于瑞媛[6]等采用正交試驗(yàn)方法研究了冷作模具鋼Cr12鋼的深冷處理工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明深冷處理過程中，殘留奧氏體進(jìn)一步向馬氏體轉(zhuǎn)變，并在馬氏體基體上析出微細(xì)碳化物，提高了材料的硬度和耐磨性。深冷后，Cr12鋼材料的微觀組織明顯致密化、微細(xì)化和均勻化，與文獻(xiàn)[7]所得出的結(jié)論類似。

劉勇[8]等研究了深冷處理對(duì)冷作模具鋼Cr12MoV鋼力學(xué)性能的影響。研究表明：深冷處理可以明顯提高Cr12MoV鋼的硬度，最高增量達(dá)到228HV0.2，并且可減少Cr12MoV鋼的殘留奧氏體并提高其耐磨性，工件殘留奧氏體量由未冷處理的34.36%降至2.58%，降幅達(dá)92.5%；而且耐磨性提高顯著，磨損失重率下降37.1%。

劉勁松[9]研究了深冷處理對(duì)高速鋼模具的影響，結(jié)果表明對(duì)高速鋼采用-196℃液氮深冷處理可使組織發(fā)生明顯變化，有效促使殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變及超細(xì)碳化物的析出，使模具獲得較佳的綜合力學(xué)性能。深冷處理后高速鋼模具的使用壽命較常規(guī)熱處理提高3倍以上，具有十分重要的使用價(jià)值。

錢志強(qiáng)[10]等對(duì)常規(guī)熱處理后的部分高合金模具鋼和鋼結(jié)硬質(zhì)合金的冷擠壓模具進(jìn)行深冷處理。結(jié)果表明，模具的硬度略微變化而紅硬性和耐磨性增加，大大提高冷擠壓模具的使用壽命，材料強(qiáng)化的原因主要是殘余奧氏體轉(zhuǎn)變、超微細(xì)碳化物析出及表面粗糙度和摩擦性的改善。

閻紅娟[11]采用正交試驗(yàn)法對(duì)YT15硬質(zhì)合金車刀刀片深冷處理工藝進(jìn)行了研究，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)刀具性能的影響。結(jié)果表明，深冷溫度對(duì)刀片性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度。深冷處理促使硬質(zhì)合金的粘結(jié)相Co發(fā)生了多型性馬氏體轉(zhuǎn)變，從而提高了刀具的硬度和耐磨性。

劉亞俊[12]研究了深冷處理顯著提高YW1硬質(zhì)合金車刀片耐磨損性能的內(nèi)在機(jī)理，研究表明YW1硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相Co發(fā)生完全的多型性馬氏體轉(zhuǎn)變是刀片耐磨損性能提高的主要原因。

楊永雷[13]通過微機(jī)控制的刀具深冷處理裝置對(duì)高速鋼W9Mo3Cr4V， W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4Vsi鉆頭的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，經(jīng)過深冷處理后，W9Mo3Cr4V鉆頭硬度增加量為0.4-1.5HRC，W6Mo5Cr4V2鉆頭硬度增加量為1.4HRC，W4Mo3Cr4VSi鉆頭硬度增加量為1.2-1.5HRC，一定程度上提高刀具材料的硬度。通過改變刀具材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，深冷處理降低了刀具的表面粗糙度，從而增強(qiáng)刀具材料的耐磨損性能。

李新民[14]等研究了深冷處理對(duì)硬質(zhì)合金YT15刀具材料的影響規(guī)律。結(jié)果表明：深冷處理明顯改變了硬質(zhì)合金YT15刀具材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高了硬質(zhì)合金YT15刀具材料的耐磨損性，很大程度上提高刀具材料的硬度。

3 深冷處理在某公司的應(yīng)用前景

作為機(jī)械制造企業(yè)，近年來，西北某煤炭機(jī)械制造公司緊緊圍繞產(chǎn)能、質(zhì)量、效率、成本4個(gè)方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)建設(shè)，尤其是在成本建設(shè)方面，公司倡導(dǎo)開源節(jié)流、降本增效，大力推進(jìn)精益化管理工作。

經(jīng)過深冷處理的工具或模具，其強(qiáng)度、硬度得到增加，韌性改善，同時(shí)內(nèi)應(yīng)力得以消除，耐磨性成倍地提高。其經(jīng)濟(jì)效益已不僅僅停留在可以減少工具或模具的損耗，延長(zhǎng)使用壽命方面，更可以提高工作效率，減少修、換工時(shí)，降低保養(yǎng)時(shí)間和費(fèi)用，減少庫(kù)存和廢件數(shù)量。本文采用深冷處理技術(shù)對(duì)公司數(shù)控臥式雙面銑鏜床TPX6513使用的M12HSS絲錐和鉆頭進(jìn)行了處理，耐磨性顯著增加，使用壽命提高了近1.6倍；對(duì)落地鏜銑床TPX6913使用的YT15銑刀片進(jìn)行深冷處理后，相對(duì)于未深冷處理的刀片，其硬度提高了HRA0.8～HRA1.1，后刀面磨損現(xiàn)象得到明顯改善，大大延長(zhǎng)了其使用壽命。

目前，該公司每年就刀具、模具消耗費(fèi)用高達(dá)近百萬元，成本較高，而深冷處理無疑是一種“降本減耗、挖潛增效”的好辦法。深冷處理的推廣應(yīng)用不僅可得到較好的經(jīng)濟(jì)效益，并且推動(dòng)了公司向著高效、高質(zhì)、低耗、綠色的機(jī)械制造業(yè)前進(jìn)。

4 結(jié)論

深冷處理是一種極具前景的材料處理新工藝，在航空、航天、鐵路、軍工、工模具制造業(yè)已經(jīng)開始了廣泛的使用，逐漸成為一種常規(guī)的處理程序。煤機(jī)產(chǎn)品長(zhǎng)期以來一直以“大粗笨”的形象出現(xiàn)在人們心中，往往只重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而忽略材料內(nèi)在性能的挖潛[15]。通過把深冷處理技術(shù)引入煤機(jī)制造領(lǐng)域，對(duì)一些主要部件或壽命要求較高的部件，如脹套、聯(lián)軸器半體、逆止器內(nèi)外圈等，在現(xiàn)有材料和工藝的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)簡(jiǎn)單的深冷處理程序，不僅能夠用較低的成本換取高性能和長(zhǎng)壽命，而且能夠?qū)ξ磥淼拿簷C(jī)制造業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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[責(zé)任編輯：王楠]