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一、什么叫深冷处理 美国低温学会将深冷温度定义为温度低于120K(-153℃),国内将一般要求下的深冷处理温度定义为-70℃~-100℃,特殊要求下的深冷处理温度定义为-120℃~-190℃。深冷处理已经在航空航天工业中应用超过30年,目的主要是改善钢的性能,提高使用寿命。 深冷处理是用极冷的温度来改变材料的结构,其是将金属在深冷温度下进行处理,使内部晶体结构中的马氏体量增加,释放钢内部残余应力,表面粗糙度降低的一个热处理工序,在该处理过程中,基体中存在细小碳化物(η碳化物)的沉淀,这赋予钢非常高的耐磨性。
通过深冷处理后,磨损减少,使用寿命延长;由于应力的传播导致的开裂故障减少;改善了热性能;降低抛光金属的摩擦系数,更容易加工,抛光和研磨,以获得更好的边缘和表面处理;减少蠕变和形变,改善关键公差部件的平整度。 特别对于磨具和刀具而言,即使翻新数次后仍然具有高的耐磨性和高的强度,寿命成倍增加,而深冷处理用于模具上,同样使模具寿命显著提高。 飞机发动机部件、机床主轴或床身等制造过程中都采用了深冷处理技术。深冷处理将增加钢的疲劳寿命和耐磨性,如车辆的高应力部件会获得更长的使用寿命,发动机部件、螺钉会更耐用。更长的运行时间和更少的维护成本节省了资金,这直接影响到使用者的底线。 著名的瑞士军刀、双立人菜刀和吉列公司的剃须刀片给消费者直观的感受就是耐用,而这些产品均进行过深冷处理。
二、深冷处理的原理解析 根据热力学定律,可以实现的最低温度存在极限,即大名鼎鼎的“绝对零度(absoult zero)=-273.15℃”论断。在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动,所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动,包括某些形式的电子运动。根据热力学定律,绝对零度永远无法达到,只可无限逼近。
瑞典和美国天文学家1979年发现的布莫让星云,距地球5000光年,外形酷似蝴蝶领结。温度可达零下272℃,比绝对零度(零下273.15℃)仅高1.15℃,是目前已知的宇宙中最冷的地方。 在一定的温度下,常见的永久性气体在大气压下从气体变为液体,称为正常沸点(NBP),这种液体被称为低温液体或冷冻剂。
典型的钢深冷处理工艺是:在低温液体或冷冻剂中,钢从室温下以-3℃ /分钟的速率缓慢冷却到-196℃,保持24到72小时,再缓慢预热到环境温度。然后对经低温处理的钢进行回火处理(149℃至538℃)至少1小时。
金属晶体结构随温度而变化。随着温度下降,原子在材料中的运动开始减慢,合金原子在基质中的溶解度发生变化,原子之间的空间开始以这种较低的动量收缩,消除了晶体基质中的空位。低温处理的结果是将晶体结构细化成更均匀和耐用的形成。随着材料缓慢回到室温,颗粒的速度增加,但间隙更少,合金元素的分布更好,形成细小的碳化物和更完美的晶体排列。
三、深冷处理钢的渊源和流长 《论语•公冶长》:季文子三思而后行。子闻之,曰:“再,斯可矣”。万物溯源,冷静处世;圣人之道,为而不争。 多年以前,阿尔卑斯山脚下的人们发现刀剑被雪埋藏了一段时间后更加锋利,瑞士的钟表零件更是持久耐用。 二战时期,德国人已经开始试探运用深冷处理。 六十年代,美国将深冷处理工业化应用。 八十年代,我国开始研究深冷处理。 2004年,美国“后天”电影上映。 2019年,中国“流浪地球”电影上映。
发动机部件的深冷处理