1、引言
深冷處理(Cryogenic Treatment)是一種用于改善金屬材料微觀組織及力學性能的成熟的后處理工藝,溫度通常在-130 ℃以下,也被稱為超冷處理或者超低溫處理[1]。深冷處理是常規熱處理的延伸工藝,因為其對金屬材料起到獨特的性能機制,在材料科學研究領域中具有特殊的研究意義。深冷處理是通過固態二氧化碳、液氮、液氧等冷卻介質制造的遠低于室溫的溫度,進而改變材料的微觀組織,從而提高硬度、強度、韌性以及疲勞壽命等一系列重要性能。特別值得指出的是,深冷處理過程中不會產生環境污染物質,并且操作簡單,不受零件尺寸及形狀的限制,是一種經濟環保的技術,具有較為廣闊的應用前景。
深冷處理的研究起源于 20 世紀,最初是希望通過低溫環境改善金屬材料的機械性能。隨著研究的逐漸深入,科學家們逐漸揭示了深冷處理對金屬材料微觀組織的影響機理,包括細化晶粒、組織轉變、位錯密度等。近年來,隨著材料科學研究領域的進一步發展,深冷處理已經從簡單的低溫處理發展為一種復雜且成熟的材料后處理工藝,不僅應用于傳統黑色金屬材料,還擴展到了有色金屬材料的性能改善。為了梳理和總結深冷處理對金屬材料組織和性能影響規律,本文綜述了當前的研究進展,包括深冷處理的基本原理、深冷處 理對金屬材料微觀組織的影響、深冷處理對材料性能的影響以及這些改善對工業應用的具體意義。
2、深冷處理技術的發展
冷處理的概念最早成形于 19 世紀中葉,瑞士鐘表匠將易磨損的手表零件置于高山洞穴使其處于低溫狀態以提高其穩定性和耐磨性。1939 年,蘇聯科學家提出了深冷處理技術,隨機引起了科學界和工業領域的高度關注。在20世紀60年代,美國科學家發現了深冷處理在提升金屬材料性能方面的巨大價值。1965 年,美國Boyer教授[2]發現經過深冷處理的模具鋼在硬度和耐磨性方面都有大幅度的提升,且經過-190℃保溫的材料耐磨性比-84℃保溫后高2.6倍。前蘇聯科學家也通過深冷處理改善高速鋼刀具的耐磨性,提升刀具使用 壽命。隨著科學技術的不斷發展與進步,眾多研究者對冷處理技術的不斷研究與改善,使深冷處理技術日益成熟。當前的深冷處理技術主要集中于對金屬材料微觀組織及性能的影響,并對大多數金屬材料的影響機理已經報道了成熟且深入的研究進展。
3、深冷處理工藝
深冷處理設備原理如圖 1 所示。該設備以存儲在液氮罐中的液氮為制冷劑,電磁閥控制液氮進入液氮分散器分散均勻,風機將分散均勻的液氮汽化并吹入處理腔內,處理腔中的空氣在低溫氮氣的作用下發生熱量交換后,剩余的溫度較高的氣體會通過上方排氣口排到大氣中,通過控制液氮流量可以調節處理腔內的溫度。
深冷處理主要的工藝參數包括:低溫介質、降溫方式、處理溫度、冷卻速率、保溫時間以及回溫速率。對于不同的金屬材料,選擇恰當的深冷處理工藝至關重要。
深冷處理的低溫介質通常有固態二氧化碳(干冰)、液氮、液氧等。每種低溫介質的最低溫度及安全性不同,就要依據不同的金屬材料仔細衡量。固態二氧化碳的溫度-78 ℃,難以實現超低溫環境;液氮可實現-196 ℃低溫,并且液氮對環境無害;液氧可實現-183 ℃低溫,然而液氧易爆炸,缺乏安全性。
降溫方式通常可分為液體浸泡法和氣體控溫法,液體浸泡法就是直接將待處理材料浸泡在低溫介質中,然而這種方式會使材料受到的熱沖擊過大,對部分材料而言,這種方法會導致低溫脆性。氣體控溫法則是通過氣體低溫介質的流量,使其在液化過程中的吸熱效果控制溫度,從而實現深冷的效果。氣體控溫法的降溫速率可控,有效避免材料驟冷驟熱受到冷、熱沖擊。
冷卻速率和回溫速率的謹慎選擇對于金屬材料來說是至關重要的,冷卻及回溫的速率過高會導致材料受到的冷、熱沖擊過大,造成材料脆性增加,甚至發生斷裂或變形。
保溫時間主要依據材料本身的性質來選擇,深冷處理過程持續低溫,金屬組織發生相變過程緩慢,因此適當延長保溫時間可以使材料的微觀組織得到充分轉變。然而深冷時間過長,超過了材料相變過程,則會造成時間和經濟成本增加。
4、深冷處理對黑色金屬材料的影響
近年來,深冷處理通常作為改善金屬材料組織和性能的一種后處理工藝。對于黑色金屬,深冷處理通過促進殘余奧氏體向馬氏體轉變、析出細小碳化物以及形成殘余壓應力等方式,有效改善材料的力學性能。
深冷處理對黑色金屬的組織及性能影響的主要機理主要有如下幾種:
4.1殘余奧氏體轉變成馬氏體
在深冷處理過程中,低溫環境可以誘導黑色金屬的殘余奧氏體組織向馬氏體組織轉變,進而提高了材料的硬度及強度。然而黑色金屬在深冷處理后的殘余奧氏體含量如何尚且沒有達成共識。部分學者認為,深冷處理會使黑色金屬中的殘余奧氏體全部轉化為馬氏體。蔣正行等人[4]研究冷沖模鋼(Cr12、Cr12MoV)在深冷處理時的相變,結果發現,深冷處理不僅使材料中的殘余奧氏體完全轉變為馬氏體,還能析出碳化物顆粒,進而提高了鋼的硬度和耐磨性。林曉娉等人[5]研究深冷處理對W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2微觀組織和力學性能的影響,實驗結果表明,深冷處理過程中完全馬氏體轉變及超微細碳化析出是高速鋼刀具使用壽命顯著提高重要原因。另一部分學者認為,深冷處理并不能完全消除材料中的殘余奧氏體。黃根哲等人[6]研究 LD鋼經不同工藝處理時的組織轉變及疲勞斷口,結果證實,在淬火后的深冷處理過程中,馬氏體發生分解,有細小碳化物析出,僅有部分殘余奧氏體轉變成馬氏體。
4.2彌散強化
深冷處理過程中,黑色金屬中的馬氏體會析出細小的碳化物顆粒,起到彌散強化的效果,進而改善了黑色金屬的力學性能。通常情況下,深冷處理使殘余奧氏體轉變成馬氏體的過程中也會伴隨發生細小碳化物的析出,因此在實驗表征的過程中,這兩種機理通常同時被發現。Senthilkumar 等人[7]通過對 EN31 鋼進行深冷處理,材料的抗拉強度和屈服強度得到明顯的提升,發現殘余奧氏體轉變為馬氏體及細小碳化物的析出是深冷處理導致材料性能改善的原因。Wang 等人[8]研究了淬火-深冷-低溫回火處理對CrWMn 工具鋼的影響,得到材料的抗拉強度、韌性及硬度均有所提高,同樣認為深冷處理誘導馬氏體轉變及碳化物析出是材料強化的主要原因。然而,無論是相變的原因,還是彌散強化的原因,都會導致黑色金屬材料機械性能得到有益的改善。
4.3降低殘余應力
在深冷處理過程中,材料由于熱脹冷縮的性質,在超低溫下會發生體積收縮,這相當于對材料施加了很高的壓應力,長時間低溫處理后,材料原始的參與拉應力被抵消,甚至形成了殘余壓應力,從而實現了材料力學性能的改善。Singh等人[9]將AISI 304L奧氏體不銹鋼焊縫在-185℃深冷處理,發現深冷誘發馬氏體相變,焊接件處的殘余拉應力轉化為殘余壓應力,疲勞壽命得到了顯著改善。Senthilkumar 等人[10]研究深冷處理對4140 鋼殘余應力的影響,結果表明在-196℃深冷處理時會產生殘余壓應力。David等人[11]通過低溫冷凍方法將電子束處理工具鋼中的殘余奧氏體轉變為馬氏體,降低殘余拉應力,使其殘余拉應力降低了28%。
5、深冷處理對有色金屬的影響
深冷處理對有色金屬如鋁、鎂和鈦合金的微觀組織及力學性能的影響也有大量研究。對于有色金屬而言,深冷處理通過促進不穩定相分解、細化晶粒、增加位錯密度和誘導孿晶等方式提高材料的力學性能。深冷處理對有色金屬的組織及性能影響的主要機理主要有如下幾種:
5.1優化相成分
Bhale 等人[12]對 AE42 鎂合金進行不同時間的深冷處理,發現未經過深冷處理的 AE42 鎂合金 Al4RE 相含量高,而Al4RE相脆性較大,易發生斷裂;經過深冷處理后 Al4RE 相體積分數相對降低,從而導致 AE42 鎂合金的伸長率、抗拉強度和屈服強度均有提升,并且隨著保溫時間延長,材料的性能改善更加明顯。王宏明等人[13]通過 EBSD 檢測,發現深冷處理促進了鈦合金中 α→β的轉變,從而改善鈦合金的力學性能;同時發現隨著深冷處理時間的增加,Ti6Al4V合金抗拉強度和延伸率呈現出先增加再減小,隨后又增加的趨勢,并在保溫48小時時獲得最佳的拉伸性能。朱江[14]研究發現深冷條件可以使 Ti6Al4V 合金電子束焊縫組織中 β 相轉變化成α'相,還能細化晶粒并增加網籃組織的密集度,降低殘余應力,進而提高接頭的疲勞壽命;同時也因為在深冷過程中原始β相向α'相轉變,使組織中殘余應力減小,網籃狀組織增加使 TC4 鈦合金組織的強度、韌性、塑性提高。鄭會會[15]發現深冷處理使 V 在 β 相中的溶解度降低,從而導致TC4及TC8板材中亞穩態β相逐漸轉化為穩定的α相和β相,隨著深冷時間的延長抗拉強度逐漸下降,但伸長率明顯提高,在12小時達到峰值。
5.2細化晶粒
晶粒細化被認為是深冷處理改善鈦合金力學性能的主要因素之一。Anil Kumar Singla等人[16]通過深冷處理通過獲得超細 α 和 β 相,增強材料的抗裂紋擴展能力,從而可以改善鈦合金的疲勞性能。顧開選[17]通過試驗證明深冷處理可以有效細化晶粒,使材料有高密度的位錯和大量孿晶,β 相數量明顯減少,導致材料的硬度及塑性明顯提高;并且Ti6Al4V合金的硬度隨著深冷溫度下降而增加。通過控制深冷處理的最低溫度與保溫時間,可以使Ti6Al4V獲得較小的摩擦系數和較高的維氏硬度。Domenico Umbrello 等人[18]在不同條件下使用PVD TiAlN 涂層刀車削Ti6Al4V合金,并測得每種條件下鈦合金的高周疲勞壽命,發現在深冷條件下加工的Ti6Al4V合金會形成更細小的晶粒,從而導致加工表面的硬度增加,加強了 Ti6Al4V 合金第抗裂紋的能力,同時低溫有助于避免切削時產生的高溫引起回復現象,使 Ti6Al4V 合金的細小晶粒在加工后得以保留,因此深冷條件下加工的鈦合金高周疲勞壽命增加。
5.3增加位錯密度和誘導孿晶
深冷處理也可以通過阻礙鈦合金位錯或誘導孿晶來改善疲勞性能。Deng等人[19]對Al-Cu-Li合金進行深冷軋制后時效處理,發現在深冷條件會抑制動態回復,使材料產生高密度位錯,從而提高材料的強度和塑性。Ali Aamir 等人[20]得出深冷處理會使 AA5083 鋁合金強度及硬度略降低,而塑性顯著提高,斷口處同時觀察到沿晶和穿晶斷裂。李月明[21]通過對深冷處理降溫速度、循環次數以及處理時間對鈦合金組織性能所產生的影響進行分析,發現經深冷處理后,TC4 鈦合金組織內部的位錯密度均呈上升態勢,研究表明,位錯密度增加主要是由于深冷處理后的體積收縮效應,導致合金中的晶體結構發生短時間快速冷卻,材料中的原子間隔變小,并通過強內應力打破金屬內部原有的應力平衡;由于存在強內應力,導致晶粒的晶格出現畸變,因此在晶粒內部出現大量位錯。Sun 等人[22]對退火后的純鈦和鈦合金在293K和77 K溫度下進行低周疲勞試驗,結果發現在77K低溫下鈦合金形成大量不同形貌的孿晶,進而提高其疲勞強度。
6、深冷處理的應用
6.1航空航天領域
在航空航天領域,材料的性能會直接關系到飛行器的安全和可靠性。由于深冷處理對材料的耐磨性、強度、沖擊韌性以及疲勞壽命等機械性能都具有積極的改善作用,因此可以作為航空航天飛行器零部件材料的后處理工藝。發動機中的渦輪葉片是航空航天領域關鍵零部件之一,在工作過程中主要受到耐磨性和疲勞壽命的限制,通過深冷處理,可以提高材料的耐磨性和疲勞壽命,有效減少材料在高溫高壓環境下的微裂紋萌生,延長其使用壽命。著陸裝置是確保飛行器安全著陸的關鍵部件,而其中的齒輪和軸承在工作中承受著巨大的沖擊載荷,通過深冷處理能夠顯著提高齒輪和軸承的強度和沖擊韌性,使其在工作過程中能夠較好的吸收沖擊力,增強著陸器裝置的安全和可靠性。
6.2汽車制造領域
在汽車制造領域的零部件,特別是在工作過程中承受高載荷和高疲勞的零部件,其耐久性和可靠性極為關鍵。深冷處理對材料的硬度、韌性、耐磨性及疲勞壽命等機械性能都具有積極的改善作用,因此可以作為汽車制造領域的零部件材料的后處理工藝。 汽車傳動系統中包含多個齒輪和軸承,在工作過程中受到摩擦磨損和較高的載荷。通過深冷處理通過改善材料的微觀組織,可以提高齒輪和軸承的硬度和耐磨性,進而提高汽車傳動系統的可靠性。汽車制動系統的可靠性對汽車整體安全性起到至關重要的作用。深冷處理可以提高制動系統關鍵零部件的耐磨性,進而確保制動系統在高速制動時的穩定性和可靠性。
6.3模具工業領域
在模具工業領域,模具材料的性能會直接影響到產品的成型質量和生產效率。深冷處理對材料的硬度、耐磨性、沖擊韌性以及疲勞壽命起到明顯的改善作用,因此可以將深冷處理作為延長模具壽命的后處理工藝。高速鋼、硬質合金等材料的模具需要具有較高的硬度和良好的韌性,以便在復雜的加工條件下保持性能穩定。在經過深冷處理后,模具材料可以實現細化晶粒,同時析出細小的碳化物顆粒,起到彌散強化的效果,從而提高模具材料的整體機械性能,在連續沖壓、注塑等高負荷作業中表現出更高的穩定性和更長的使用壽命。模具鋼材料在經過深冷處理后,調整鋼中碳化物的分布和大小,可以提高材料的韌性,從而避免其在高負載加工過程中發生脆斷。除此之外,模具在反復加載過程中容易產生疲勞裂紋,深冷處理可以通過改善材料的微觀組織,提高材料的抗裂紋萌生和擴展的能力。
6.4精密機械制造
在精密機械制造領域,深冷處理技術同樣可以作為材料的處理工藝發揮重要作用。通過對精密機械部件和各種切削工具進行深冷處理,不僅可以提高其硬度和耐磨性,還能提高工具的切削性能和加工精度。在切削加工過程中,刀具的耐磨性是決定其加工精度和使用壽命的關鍵因素之一。通過深冷處理,可以提高高速鋼、合金工具鋼等材料的耐磨性,有效提高刀具的使用壽命和加工效率。此外,在高精度要求的機械加工中,零部件的尺寸穩定性和疲勞壽命至關重要。深冷處理能夠通過減少材料的殘余應力,進而提高加工零部件的尺寸穩定性和使用壽命。
7、結論
深冷處理是改善金屬材料微觀組織和力學性能的有效方法,對于提高金屬材料的硬度、強度、耐磨性以及疲勞壽命等性能指標有著顯著效果,然而在不同種類的金屬材料中,深冷處理引發的作用機理略有不同。對于黑色金屬而言,深冷處理主要通過促進殘余奧氏體向馬氏體轉變、析出細小碳化物以及形成殘余壓應力等方式,進而有效改善材料的力學性能;對于有色金屬而言,如鈦合金、鋁合金以及鎂合金等,深冷處理主要通過促進不穩定相分解、細化晶粒、增加位錯密度和誘導孿晶等方式提高材料的力學性能。深冷處理以其
環保、經濟以及強化效果顯著等特點,深冷處理在航空航天、汽車制造、模具工業、精密機械制造等眾多領域具有極為廣闊的應用前景。因此,深冷處理不僅為材料科學研究提供了有價值的研究方向,也為工業應用提供了有效改善材料性能的有效途徑。
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