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专栏:风物长宜放眼量——兼谈深冷处理工艺

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前些日子,人民网官微的一篇文章火了,《新闻联播的气势你感受下!》吸引了众多国人的眼球。“谈,大门敞开;打,奉陪到底。”的庄严宣言,点燃了无数人的胸膛。后台的留言也是五彩纷呈。


有网友留言:“很燃,激动了”。


谁的一生中没有激动的一刻?


然鹅,在激动之余,我们还需要多一点理性的思考,哲人说,人在头脑发热的时候,往往难以做出正确的判断。


北宋王安石在他的那首《登飞来峰》中,这样写道:


飞来山上千寻塔,闻说鸡鸣见日升。

不畏浮云遮望眼,只缘身在最高层。


时刻不忘寻常心。


在工程技术方面上,有一种技术,叫做深冷处理。今天,让我们一起来了解一下。


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在第二次世界大战期间,科学家发现,冷冻到低温的金属,会表现出更强的耐磨性,这一重大发现推动了低温学技术领域不断发展。


正是基于这种低温硬化理论,Ed Busch于1966年创立了商业化的低温处理产业。凭借其热处理行业的丰富工作经历,Busch于1966年在底特律成立了一家名为CryoTech的公司,于1999年与300 Below公司合并,成为当时世界上最大的和历史最悠久的商业化低温处理公司。


Busch原创性地试验了使用“低温回火”来代替“热处理”的方案,将金属工具的寿命,延长到其原始预期寿命的200%到400%之间。在20世纪90年代后期,这项深冷处理技术已扩展应用到其他部件上。


深冷处理不是对现有常规热处理工艺的替代,通常被视为加热-淬火-回火热处理循环的一种可选延伸。深冷处理的工艺,是在构件常规淬火处理后,进一步冷却,使其所处的环境温度,从室温下降到-320°F(140°R; 78 K; -196°C)。在大多数情况下,深冷处理之后是回火处理。


对构件和材料的深冷处理,通常通过使用液氮,液氦,或机械低温制冷器(会使用高压氦气管路)来实现。目前,广泛使用的制冷器包括Gifford-McMahon低温制冷器,脉冲管低温制冷器和Stirling低温制冷器,可根据所需的基本温度和冷却能力进行选择。


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对于深冷处理技术,其处理工艺是决定处理效果的关键。深冷处理工艺中的关键影响因素主要包括:深冷处理方式、升降温速度、回火前处理或者回火后处理、保温时间、深冷次数等。


1、深冷处理方式

可分为液体法和气体法两种。


液体法是将工件直接放入液氮中,处理温度为- 150℃。该方法的缺点是热冲击性大,有时甚至造成工件开裂。


气体法是通过液氮的汽化潜热和低温氮气吸热来制冷,处理温度达- 196℃,处理效果较好。


2、升降温速度

目前,对深冷升、降温速度主要有两种观点。


一种观点认为深冷的升降温速度不能太快,即不赞成将工件直接浸入液氮中,因为激冷将导致工件内部的应力增大,易造成工件的变形或开裂。


如日本的“深冷急热法”,工件淬火后不马上进行冷处理,而是先放入水浴,再放入处理槽中在-80℃或-180℃下进行冷处理,保温一段时间后立即放人60℃热水浴中,使试样快速回温以减小内应力,然后选用不同温度回火1h。


另一种观点则认为应快速冷却或升温,这样会使奥氏体更易转变为马氏体,且直浸冷却速率比油淬慢,不易引起材料的变形或开裂。


如前苏联的“冲击法”,将被处理的工件直接快速地放入液氮中,深冷到所需的温度后保温5 ~30min,然后取出放在室温下,待其恢复到室温后,再在200~500℃的油中回火1h。该方法明显地提高了高速钢刀具的使用寿命。


3、回火前处理或者回火后处理

按回火工艺的顺序,深冷处理可分为回火后深冷处理与回火前深冷处理。


研究表明:回火前深冷能较大地提高工件的可加工性,回火后深冷能大幅度提高工件的力学性能。


对于受冲击载荷较大、易弯曲的模具,应进行回火后深冷,而对于要求硬度高、动载荷较大的模具,则进行回火前深冷。(回火后深冷能使硬度较低的奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和耐热性更高的马氏体。)


对于20钢(GB/T699-2015)而言,采用回火后深冷处理对其硬度、强度提高不明显,因为中低碳钢淬火后残留奥氏体的数量较少,回火后会形成残留奥氏体稳定相。


对于T8钢(GB/T 1299-2014)、3Cr2W8V(GB/T 1299-2014)钢和9SiCr(GB/T 1299-2014)钢,采用回火后深冷处理能显著提高强度,但冲击韧度下降;采用回火前深冷处理,T8钢的硬度、韧性不变而抗弯强度提高,3Cr2W8V钢的硬度、强度、韧性均提高,9SiCr钢的硬度提高不明显,但冲击韧度提高近两倍。


4、深冷处理的时间

深冷处理时间的长短,主要应考虑被处理工件的导热性、体积、冷透所需的时间及残留奥氏体的转化稳定情况等因素,不必考虑奥氏体向马氏体的转变速度。


很多学者认为,深冷处理时间长的要比短的效果好,因为长时间深冷可以使钢中的残留奥氏体充分地转变及更有利于碳化物粒子的形成,转变完成后,材料的硬度不会再有明显的变化。工件尺寸越小,完成转变所需的时问越短,所以当前深冷处理时间一般取24h以上,也有些取48h以上。


5、深冷处理的次数

一般认为经二次深冷处理效果最佳,如前苏联采用的“热循环稳定处理法”。


因为经二次深冷处理可以最大限度地改善材料的力学性能,重复第一次的变化,即细小碳化物的析出、马氏体针(片)的细化以及残留奥氏体向马氏体的转变;经二次深冷处理后,材料的组织将不再发生变化。


材料不同,深冷处理温度也不同,材料硬度的增加也就不一样,但有一点可以肯定,深冷处理不会降低材料的原有硬度。


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由于深冷处理可有效提高钢铁材料、非铁金属及复合材料的力学性能和使用寿命,稳定尺寸,改善均匀性,减小变形;而且操作简便,不破坏工件,无污染,成本低,因此,具有积极的应用前景和发展空间。


目前,特别是大部分西方工业先进国家都在积极地开展这方面的研究,并把这一技术应用到很多领域中,如航空航天、精密仪器仪表、摩擦偶件、工具、模具和量具、纺织机械零件、汽车工业和军事科学领域,取得了很大的经济效益。


被深冷处理的材料主要是工具钢、轴承钢和高速钢。


深冷处理的好处,大致可总结为以下几点:


1、提升工件的硬度及强度;

2、保证工件的尺寸精度;

3、提高工件的耐磨性;

4、提高工件的冲击韧性;

5、改善工件内应力分布,提高疲劳强度;

6、提高工件的耐腐蚀性能。


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“四海翻腾云水怒,五洲震荡风雷激。”


有些事情,来得太急,容易让人迷失,此时,不妨也做个冷处理。


毛泽东当年写下的《七律·和柳亚子先生》,似乎很切合当下的情势:


饮茶粤海未能忘,索句渝州叶正黄。

三十一年还旧国,落花时节读华章。

牢骚太盛防肠断,风物长宜放眼量。

莫道昆明池水浅,观鱼胜过富春江。


让我们不妨把眼光放得远一点,日子还要好好过下去。


《老子第五十八章》有言:“祸兮,福之所倚;福兮,祸之所伏。”


塞翁失马,焉知非福?



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