工、模具深冷處理及其應用前景分析

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世紀先進制造業的發展潮流的一種綠色的制造技術。本文綜述了深冷處理的機理、研究現狀，簡要分析了深冷處理在某煤機制造公司的應用前景，并對該技術在煤機制造領域的推行進行了展望。

【關鍵詞】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

隨著機械制造業的不斷發展，各種數控機床及加工中心層出不窮，使生產效率大為提高，與此同時制造行業對工、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，降低生產成本成為諸多研究者研究的重要課題。大量研究發現，深冷處理不僅可以顯著提高材料的力學性能及使用壽命，穩定零部件尺寸、減少變形，而且操作簡單，不用破壞工件，無污染、成本低，具有客觀的經濟效益和市場前景，是一種挖掘材料潛能的綠色制造技術[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℃以下的環境中對材料進行冷處理，從而達到對材料改性的目的，是常規冷處理的一種延伸[2]。早在100多年以前，深冷處理技術就得以應用，如瑞士鐘表商將鐘表中的一些關鍵零件埋在寒冷的阿爾卑斯雪山中，以提高其強度、耐磨性、尺寸穩定性及使用壽命。20世紀80年代，該技術傳入我國，逐漸在工、模具制造方面上進行了廣泛研究和應用，并取得一定的進展。近年來，隨著儀器設備的進步和深冷處理技術理論及應用技術的不斷革新，其應用范圍也逐步從黑色金屬擴大到有色金屬（鋁合金、銅合金等）及復合材料等方面[3]。但我國現有的深冷處理技術還不夠成熟，尚屬一門年輕學科，需要對其進行深入研究，以實現該技術在工業上的大規模應用。

1 深冷處理機理

關于深冷處理的機理問題，國內外科研工作者進行了廣泛而深入的研究，但許多方面仍處于研究初期。相對來說有關黑色金屬（鋼鐵），其深冷機理較為清楚，且已基本達成共識，主要觀點如下[4]：

1.1 從馬氏體中析出超細碳化物，從而達到彌散強化的效果

這一觀點已得到了幾乎所有實驗研究的證實，主要原因為馬氏體經-196℃深冷，由于（由于去掉）體積收縮，Fe的晶格常數有縮小的趨勢，從而加強了碳原子析出的驅動力，但由于低溫的擴散更為困難，擴散距離更短，于是在馬氏體基體上析出了大量彌散的超微細碳化物。

1.2 殘余奧氏體的改變

低溫下（即Mf點以下）殘余奧氏體發生分解，轉變為馬氏體，提高了工件的硬度和強度。有些學者認為深冷處理可完全消除殘余奧氏體；也有學者認為深冷只能降低殘余奧氏體的數量，但不能完全消除；還有人認為深冷改變了殘余奧氏體的形狀、分布和亞結構，從而提高了鋼的強韌性。

1.3 組織細化

組織細化使工件的強韌性得到提高，這主要指原來粗大的馬氏體板條發生了碎化，組織變得更均勻、更致密、更細化。有些學者認為這是馬氏體點陣常數發生了變化，也有學者認為是馬氏體分解析出細微碳化物時造成了組織細化。

1.4 表面產生殘余壓應力

冷卻過程可能引起缺陷（微孔、內應力集中部位）的塑性流變。復溫過程在空位表面產生殘余壓應力，這種應力可以減輕缺陷對材料局部強度的損害，最終表現為磨料磨損抗力的提高。

1.5 深冷處理部分轉移了金屬原子的動能

原子間既存在使原子緊靠在一起的結合力，又存在使之分開的動能。深冷處理部分轉移了原子間的動能，從而使原子結合的更緊密，提高了金屬的性能。

2 工、模具深冷處理研究現狀

目前深冷處理在改善金屬力學性能，提高耐磨性以及延長零部件使用壽命、增加材料穩定性方面已經得到了人們認可，是一種比較實用且具有廣闊市場前景的技術，尤其在工、模具生產制造上得到了較為廣泛的應用。

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

于瑞媛[6]等采用正交試驗方法研究了冷作模具鋼Cr12鋼的深冷處理工藝。試驗結果表明深冷處理過程中，殘留奧氏體進一步向馬氏體轉變，并在馬氏體基體上析出微細碳化物，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、微細化和均勻化，與文獻[7]所得出的結論類似。

劉勇[8]等研究了深冷處理對冷作模具鋼Cr12MoV鋼力學性能的影響。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]研究了深冷處理對高速鋼模具的影響，結果表明對高速鋼采用-196℃液氮深冷處理可使組織發生明顯變化，有效促使殘留奧氏體向馬氏體轉變及超細碳化物的析出，使模具獲得較佳的綜合力學性能。深冷處理后高速鋼模具的使用壽命較常規熱處理提高3倍以上，具有十分重要的使用價值。

錢志強[10]等對常規熱處理后的部分高合金模具鋼和鋼結硬質合金的冷擠壓模具進行深冷處理。結果表明，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，材料強化的原因主要是殘余奧氏體轉變、超微細碳化物析出及表面粗糙度和摩擦性的改善。

閻紅娟[11]采用正交試驗法對YT15硬質合金車刀刀片深冷處理工藝進行了研究，分析了不同工藝參數對刀具性能的影響。結果表明，深冷溫度對刀片性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度。深冷處理促使硬質合金的粘結相Co發生了多型性馬氏體轉變，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硬質合金車刀片耐磨損性能的內在機理，研究表明YW1硬質合金中的粘結相Co發生完全的多型性馬氏體轉變是刀片耐磨損性能提高的主要原因。

楊永雷[13]通過微機控制的刀具深冷處理裝置對高速鋼W9Mo3Cr4V， W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4Vsi鉆頭的影響進行了研究。結果表明，經過深冷處理后，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構，深冷處理降低了刀具的表面粗糙度，從而增強刀具材料的耐磨損性能。

李新民[14]等研究了深冷處理對硬質合金YT15刀具材料的影響規律。結果表明：深冷處理明顯改變了硬質合金YT15刀具材料的微觀組織結構，提高了硬質合金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用前景

作為機械制造企業，近年來，西北某煤炭機械制造公司緊緊圍繞產能、質量、效率、成本4個方面進行產業建設，尤其是在成本建設方面，公司倡導開源節流、降本增效，大力推進精益化管理工作。

經過深冷處理的工具或模具，其強度、硬度得到增加，韌性改善，同時內應力得以消除，耐磨性成倍地提高。其經濟效益已不僅僅停留在可以減少工具或模具的損耗，延長使用壽命方面，更可以提高工作效率，減少修、換工時，降低保養時間和費用，減少庫存和廢件數量。本文采用深冷處理技術對公司數控臥式雙面銑鏜床TPX6513使用的M12HSS絲錐和鉆頭進行了處理，耐磨性顯著增加，使用壽命提高了近1.6倍；對落地鏜銑床TPX6913使用的YT15銑刀片進行深冷處理后，相對于未深冷處理的刀片，其硬度提高了HRA0.8～HRA1.1，后刀面磨損現象得到明顯改善，大大延長了其使用壽命。

目前，該公司每年就刀具、模具消耗費用高達近百萬元，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。深冷處理的推廣應用不僅可得到較好的經濟效益，并且推動了公司向著高效、高質、低耗、綠色的機械制造業前進。

4 結論

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、工模具制造業已經開始了廣泛的使用，逐漸成為一種常規的處理程序。煤機產品長期以來一直以“大粗笨”的形象出現在人們心中，往往只重視結構設計而忽略材料內在性能的挖潛[15]。通過把深冷處理技術引入煤機制造領域，對一些主要部件或壽命要求較高的部件，如脹套、聯軸器半體、逆止器內外圈等，在現有材料和工藝的基礎上，增加一個簡單的深冷處理程序，不僅能夠用較低的成本換取高性能和長壽命，而且能夠對未來的煤機制造業產生巨大的經濟效益。

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[14]李新民，徐宏海，閆紅娟，劉東.深冷處理對硬質合金刀具耐磨性影響的研究[J].機械工程與自動化，2010，06：100-101.

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[責任編輯：王楠]