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1、第巧卷第期了年刀低温与超导刃习礴尸刀刀,厂了于一,沁液氮低温处理对金属材料机械性能的影响李 智超杨月君王洪才甲一新矿业学院打七械系【内容提要】用液氮对各种金属材料进行低温处理,使金属材料的机械性能得到明显提高。金属材料低温下组织结构变化过程尚需深入研究。月西由于金属材料钢铁材料、有色金属及合金在加热、冷却过程中,可发生同素异构转变或溶解度变化,因此 可以通过加热冷却方法,即“热处理”改变金属材料微观组织结构,从而获得所需的特性。热 处理是改变 金属材料组 织性能的重要工艺手段。金属材料热处理时,加 热 后一般冷却到室温。但有 时为了促进高温相向低温相转变如奥氏体转变为马 氏体也进行低于。的冷却
2、,称为冷处理。冷处理一般采用干冰固体二氧化碳,一作为冷却介质。近几年在美国、苏联、日本等国兴起用液氮一对金 属材料进行冷处理的工艺,为区别于一般冷处理,称为低温处理国内外某些资料称其为深冷处理。人们发现,对 金属材料进行低温处理可以明显地改善其性能,并超过一般冷处理状态。虽然对其原理 尚不完全明确,但其实用效果已毋容置疑。因而越来越引起人们 的注意,应用范围亦日趋扩大。近几年我们对 多种金属材料用液氮进行了低温处理,初步试验表明各种金属材料经液氮低温处理后,组织性能均发生 一定程度 变化。二、试验材料与试验方法、试验材料为了解金属材料在液氮低温处理后组 织和性能 的变化,选用高速钢、热模具钢、
3、结构钢、黄铜和硬质合金等金属材料进行试 验。各种材料分别进行常 规热 处理和低温处理,具体工艺规范见 表。、机械 性能测试对不 同工艺处理 的金属材料根据情况进行拉伸。、。、们冲击仇、静弯。、断裂韧性、硬度。、厂、显微硬度、热稳定性等性能试验,以了解低温处理引起的性能变化。本文于年月日收到,修改稿于同年月日收到。低温与超导年第期表、试验 材 料试验材料及处理工艺处理工艺类另。牌号序号淬火回火,次高速钢一不犷、模具钢、。五刀结构钢 了”犷了黄铜一硬质合金尸、一。淬火。火回火,次一处理。淬火劝回火。淬火一卜一处理忿。八回火。淬火人回火一工郭处理淬火十回火淬火一处理加。火回火。淬火回火。淬火一处理回
4、火退火态退火态一处理退火态退火态一处理烧结态烧结态十一处理、微观 组织观察宏观性能的变化在于微观组 织结构的改变,为此,采用一型光学显微镜、一型 电子显微镜和犷一型射线衍射仪等仪器对 各种金属材料进行微观组织结构观察与分析。三、试验结果与初步分析、合金工具 钢低 温处理后组织与性 能的变化合金工 具钢甲,。厂、班厂含有大量的碳及合金元素,在高温加热时,、研、,、厂等元素溶入高温相一奥氏体中,使奥氏体成为高合 金化稳定的组织。因此合金工具钢淬火冷却到室温后,组 织内仍含有较多的残余奥氏休。所以高合金工具钢淬火后经常采用冷处理,以减 少残余奥氏体含量,稳定组织,提高性能。由厅。厂俐悴火 后低温处理
5、工艺工艺一可看出由于液氮处理促使残余的软韧奥氏体转变为硬脆马氏体,造成强度升高,塑 韧性有所下降表。金属学观点认为,冷处理作用就在于减少残余奥氏体含一敏。总第期扮智超 等液氛低从处理对金属材料机械性能的影啊表兀、“低温处理刘班。钢机械性能影晌工艺辰诬蕊石蔺冲击 韧性样丝二型星,。、回火回火,、蔫子一厂二才工了口、,刀一,一夕日以门口二 区孟、七卿竺咧弓州淬火、回火态。,淬火、回火十低温处理、一杠一洲一哪一不 同工艺处理后平犷钢机械性能,八一一吮一,劝,甘一门至一 一 州,纽二丫一一一一,一,闭为奋甲月,尸,尸山叫门,一门,嗯阳,产叭、姗分,网,一。乃。,卜左。,、。,。,一、。、。,。,。一几
6、一能性表盗、工艺淬火回火。淬火十一处理十。回火。一一一洛 了 忿一娜巡二生丝卫交处塑型一理理淬火十。回火一卜高速钢班。淬火后尽管有较多残 余奥氏休左右,但经过三 次。回火,由于二次淬火作用,残余奥氏体含量已大大减 少低于。因此,过去依照金属学相变理论,对三次回火的高速钢 不再进行冷处理。但我们对 淬火、三 次回火状态的砰,。犷钢再进行低温处理,机械性能试验表明红硬性、冲击韧性、抗弯强度和耐磨性均明显提高。这用金属学观点无法解释。对高速钢 金相试样进行电镜观察时发现低温处理后,组织 中有大量微细碳化物均匀弥散析出,墓体回火马氏体也较原淬火回火状态发生明显碎化、细化。这种性能及组织变化在试验用钢班
7、。中工艺亦可观察到。因此,淬火回火状 态高速钢尽管组织内残余奥氏体含量很少,但由于低温处理时发生微细碳化物析出及基体组织细化,亦可使机械性能大幅度提高。淬回火态合金工具钢低温处理 时这种微观组织变化以往从未提及。近年美国、日本有资璐对这种微观组织变化虽略有提及,但缺少深入研究。图班。钢淬一回火态电镜组织低温与超导。年第 期义图低温处理后班,犷钢电镜组织、低 温处理对结构钢性能 的影 晌前已述及,按金属 学观点,冷处理一般只用于高碳高合金的合全工 具钢,用来减少残 余奥氏体含量。一般结构钢因含碳量较低,奥氏体向马 氏体转变开始点衬、终了点几几较高、所以淬火冷却后组织内残 余奥氏体含量很少,无须采
8、用冷处理。特别是本试验采用 的。犷钢、均远高于室温,淬火后获得板条马 氏体,只在板条之 间有残余奥氏体薄膜,可以认 为淬火后不存在残余奥氏体。但机械性能试验表明结构钢低温处理后在硬度 提高的同时,冲击韧性亦明显提高 表夏。对低碳结构钢经低温处理硬度特别是 冲击韧性的提高,不能再用残余奥氏体转变解释。电镜观察也发现。环钢低温处理后,板条马氏体碎化。组织细化基体组织 细化,碳化物细化,具有同时提高强度、韧性的作用。表、结构钢低温处理后机械性能,别卜、即护一闷阳叫,尸,沪目州,电门,产,加,一,一、叼一艘,币门叮月,尸自勺国尸,一一一,了白一犷目门月片一刁曰内甘一峨一,、一一试验用钢夕,爪。鹉犷打犷
9、处理工艺淬火回火。淬火十一处理加。回火淬火一卜。回火淬火十一处理回火了很根悴火回火态高合金工具钢和淬火态结构钢低温处理后强韧性的改善,我们认为对于具有同素异构转变的钢铁材料,在液氮温度 处理 时,不仅有残余奥氏体转变,而且还有微细碳化物析出及组织细化过程。、有色金属低温处理对有色金属低温处理,国外多用于稳定组织、稳定尺寸,减少变形或改善切削加工性能。本试验对双相黄铜低温处理前后微观组织性能进行了测定,以了解组织结构的变化。双相黄铜退火组织为刀。相是。溶于、中的固溶体刀 相是以电子化合物“。为基体的固溶休。两相相对含量根据。、刀溶解度 曲线及合金成分线相互位置,依照杠杆定律计算。通过两相显微硬度
10、测定可以看到、刀两相经一处理后显微 硬度下降表。而 组织观察发现低温处理后刀 相相对含量增多。总第。期李智超等液氮低温处理对金属材料机械性能 的影晌裹、显微征微硬夸低遇处理对黄拥显橄硬度的影晌工艺退火态退火一卜一邪处理对料山一一一月,、口口双相黄铜含铅黄铜尸一。右至名。分子为显微硬度阴数值范围,分母为显微硬度平均值对于不发生同素异构转变的铜合金,低温处理过程中不存在结构类型的改变,但却存在溶解度变化。由。一。状态 图可知以下随温度下降,相溶解度 曲线偏向低锌方 向,刀 相溶解度曲线偏 向低铜 方向。按热力学观点,室温至一温度区间,两相溶解度曲线应沿原溶解度曲线延续图。这样经一低温处理 的。、刀
11、两相溶质浓度应低于室温状态,因而两相显微硬度均有所下降。由于二相溶烟变曲线随温度变化的倾向斜率不同,所以降温至一之 后,二相相对含量亦发生变化。显然,二相相对含量的变化及相显微硬度 的变化必将影响铜合金宏观性能。硬质合金是以难熔金属碳化物主要是平、犷为基本成分和以铁族 全属主要是。、其次是为辅助成 分,采用粉末冶金方法制成。难熔金属碳化物具有很高的硬度,而铁族金属具有足够强度、韧性,且二者可很好的结合,所以白然硬化的硬质合金具备高硬度、高耐磨性和一定的韧性。烧结后自然硬化的硬度合金不再进行任何处理 即可直接使用。对不同成分的硬质合金进行低温处理硬度均发生变化,虽 然硬度提高幅度 不大表班图但说
12、明硬质合金在液氮温度下组织结构亦发生变化。日前对硬质合金在温度变化时丫丫珊刚。二的洲翔咖咖咖口。创强工 忍 奋习奋。吞。母。面面 示云备佑口。习,认态图。心一、。区状态图取 自资料,、一溶解度曲线外延部分为示意图组织结构改变尚了解很少,但初步试验可以使 人相信,烧结后 自然硬化的硬质合金通过再次处理还可再进一步改善性能。国外亦有采用液氮处理提高硬质合金刀具使用寿命的试验报导。对硬质合金采用热处理包括低温处理提高其性能是令人感兴趣,但又未充分开展的研究题课。已裹班、牌号低温与超导昭年第 期液氮处理对硬质合金硬度的影晌化学浅分肠刀人了止“丫谙潇一一烧结态低温处理犷厂才综上所述可以认为,以往金属学理
13、论认 为全属材料冷处理时只发生残 余奥氏体转变是不全面的。金属材料在低温处理过程 中除可能发生残佘奥氏体转变外,毯可能发生碳化物析出、基体组织 细化相变过程。还可能由于溶解度变化引起相组成和相对含量 的变化。因此,金属材料经低温处理后机械性能的改养,共内在原因可能是上述 一种组织转变引起的,亦可能是 几种组织变化综合作用 的结果。通过初步试验,我们 感到金属材料液氮温赓下组织转变过程值得深入研究。以往金属学观点认为冷处理过程只有残 余奥氏体转变,因而冷处理工艺在工业生产 中只在有限场合下应用。对金属材料在低温处理过程组织转变的深入了解,将扩大冷处理包括低温处理的应用范围。四、低温处理应用及存在
14、问题低温处理作为一种新的热处理工艺在美国、苏联、日本等国得到应用。美国的许多大工厂企业,如休斯飞机制造公司、通用 电机公司、通用汽车公司等都已将低温处理应用于生产。其中各种切削刀具应用最多,效果最明显。此外,模具、凸轮、齿轮等零件采用低温处理后,寿命也得到提高。低温处理除了用于各种工具钢外,还可 以用于不锈钢、硬质合金、有色金属、甚至用于塑料、玻璃等材料。国内目前已有资料报导采用低温处理提高刀具、模具使用寿命。我们对于高速钢成品刀具和牙。犷钢热冲模具进行低温处理,在几家工厂试用 均有良好效果表。低温处理的强化效果已为大量生产实例所证实。但目前对低温处理原理尚缺乏本质了解。金属学观点认为,在冷处
15、理时,由于温度降低提供更大的两相自由能差,促进高温相转变。但由于低温 下,铁、碳原子失去扩散能力,高温相奥氏体只能以无扩散方式转变为亚稳相马氏体。低温下金属材料内部结构除残余奥氏体转变外,可能还发生碳化物析出,组织细化或溶解度二相相对含量的变化,这些变化一般认为是以扩散方式进行的。对于液氮温度卞发生扩散型组织转变用以往金属 学观点无法解释。上述几种组织转变是在降温、恒温一过程,还是在回温一恢复到室温 过程中发生其转变机理如何尚无人论述。这是有待金属学者、物理学者今后深入研究的课题。美国金属学者尸在其论文中提到“深冷处理原理只能用物理学观点加以解释”。美国特拉克斯是一位物理学家,对深冷处理也有较
16、深造诣,他试 图用原子动能随温度的变化解释低温处理过程。深入研究金属原子在液氮温度下的行为,将有助于了解低温处理原理,扩大低温处理工艺应用范围,获得更大社会经济效益。总第。期仁 智超等液氮低温处理对金属材料机械性能的影 响表租低温处理刀其、摸具生产使用效果使用寿命件工具种类工具来柳加工工件材料加工规范未低温处理低温处理立铣刀。卜阴阴北京量共尸钢板,镀刀具厂。脚铜合全。立铣刀小主沉,。矩形花键铣刀无杨量具刀具厂哈尔滨第二工具厂主轴,碳素结构钢,调质处理。”明,“,”。久二阴、州阴。“。犷,二川,理。护 刀 万了齿轮轴一调质处理。”阴 阴。、。使用一自,。,轴承套。五、结论合金工具钢、结构钢、黄铜、硬质合金等金属材料在液氮 温度 卜下处理后,机械性能均得到提高,低温处理是改善金属材料性能的一种新的强化工艺手段。金属材料在低温处理时,组织内可能发生残余奥 氏体转变、碳化物析出、组 织细化、溶解度变化等组 织转变。金属材料在低温下组织转变过程有待深入研究。参考文献二。,沁袱,只。,几,滩大和久重雄,金属,凡 李智超,新技术新工艺,掩。中国热处理信息报,掩、。史美堂,金属材料及热处理,上海科学技术出版社,。黑龙江省机械工业研究所,机械科技,饨一阴”。,“劣几 了,。一三兮