李虎
庆阳职业技术学院 甘肃 庆阳 745000
摘要：特殊钢经过-196℃液氮深冷处理后，硬度、韧性及耐磨性能都得到不同程度的提升，从而使特殊钢具有更加优异的力学性能。特殊钢中的残余奥氏体在深冷条件下发生马氏体相变，使特殊钢的硬度及耐磨性提高，与此同时，马氏体在深冷环境下碳原子析出形成细小的碳化物，这些细小的碳化物在特殊钢基体内形成弥散强化，从而使特殊钢的性能得到进一步的提升，除此之外，深冷处理还会通过影响特殊钢的残余应力及金属原子动能来影响特殊钢的性能。
关键字：深冷处理 残余奥氏体 马氏体 碳化物
深冷处理可以使特殊钢的硬度、韧性及耐磨性等力学性能得到提升，研究深冷处理在微观机制上如何对特殊钢的性能产生影响对指导深冷处理的使用场合，工艺方法等有着巨大帮助。
1 简述
深冷处理是冷处理的一种方式，通常指将材料在-196℃进行处理的方法。早在100多年前，人们就将深冷处理应用于钟表零件，铸件等产品，发现它能提高材料的强度、耐磨性、尺寸稳定性和使用寿命。深冷处理最早是1939年由俄国人首先提出，但是一直不太成熟。随着液氮技术及保温材料的发展，1965年美国将其实用化。美国的若干个专业化深冷公司，如3xistruments&Toling、Material Improvement和Ame cry等，分别对刀具、磨具、齿轮、特殊弹簧、硬质合金、高速钢、钴基合金进行了冷处理，实验结果表明，深冷处理对于上述材料零件的使用寿命有显著的作用。
2 深冷处理的微观机制
2.1 残余奥氏体转变
对合金工具钢和结构钢来说，硬度主要取决于内部残余奥氏体的量。在深冷处理过程中，残余奥氏体的量受两个因素制约：一是深冷处理前材料中奥氏体的量；二是材料的马氏体开始转变点Ms和马氏体转变结束点Mf。而马氏体开始转变点Ms主要取决于钢的化学成份，其中又以碳含量的影响最为显著。材料中残余奥氏体的存在，除了降低硬度以外，在使用或保存过程中残余奥氏体还会发生转变，使材料在磨削过程中可能出现裂缝。从这个角度来看，残余奥氏体的存在会损害材料的耐磨性。但是，经深冷处理之后的残余奥氏体是相当稳定的组织，此时残余奥氏体处于等轴压应力状态，而等轴压应力不会引起塑性变形，这部分残余奥氏体很少再发生转变，它在磨损过程中以韧性相出现，起到缓和应力，防止接触疲劳扩展的作用，使材料的韧性增加。所以，深冷处理对降低材料中的残余奥氏体含量，提高材料的硬度及耐磨性起了很大作用，此外材料中一定量残余奥氏体的存在对提高材料的韧性也是有好处的。
2.2 细小碳化物的析出
除了残余奥氏体的原因外，金属经过深冷处理后性能得以改善的第二个原因是组织中各种碳化物颗粒的析出。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆马氏体经- 196℃深冷，由于体积收缩，F e 的晶格常数有缩小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力，但由于低温下的扩散更为困难，扩散距离更短，于是在马氏体的基体上析出了大量的弥散的超微细碳化物。
材料中的马氏体与细小的碳化物结合在一起，增加了彼此间的结合强度。在深冷处理过程中被细化了的碳化物颗粒更填充到材料微孔内的残留空间中，形成了比原来细密的结构。这种显微结构也能使特殊钢增加韧性和耐磨性。
2.3 组织细化
深冷处理可以引起粗大的马氏体板条的碎化与细化，从而引起组织的细化，有学者认为，马氏体点阵常数的改变引起了组织细化，也有学者认为，马氏体分解析出微小的碳化物时造成了组织细化。组织细化在提高强度的同时也提升了材料的韧性，使得材料获得了较好的强韧性配合，对材料性能的提升有很大的作用。
2.4 残余应力
低温冷却的收缩可使材料本身存在的微小缺陷（如微孔、应力集中部位）产生塑性流变；温度回升的过程中在空位表面产生残余应力，这种残余应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损害，最终表现为材料抗力的提高；
2.5 金属原子动能
对钢或其他合金来说，深冷处理能部分转移金属原子的动能，原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力，又存在使之分开的动能。深冷处理正是部分转移了原子间的动能，从而使原子结合更紧密，提高了金属性能。
3 展望
深冷处理作为一种公认的能效提高特殊钢硬度与耐磨性的工艺手段，逐渐为世界各国所采用。深冷处理能稳定材料尺寸，改善均匀性，减小变形，且操作简单、不破坏工件、无污染、成本低等,具有可观的经济效益和市场前景。在当今建设节约型社会的理念引导下，采用深冷处理改善钢铁材料的性能，提高材料使用寿命，减少钢材浪费是节约资源，减少浪费的有效途径。
但是目前学界对深冷处理如何影响性能的微观机制尚没有形成统一的看法，这主要是因为钢材各类繁多，从碳钢到合金钢，不同元素的添加或多少都可能对深冷处理的效果产生影响，因此，深冷处理对钢性能影响的微观机制还需要进一步完善。
参考文献
[1]李士燕，刘天佐，李钢. 在深冷条件下残余奥氏体转变的研究[J]. 材料导报, 2003, (8): 80-104.
[2]段春争, 王敏杰. 高速钢循环深冷处理后的显微组织和力学性能[J]. 金属热处理, 2008, 33(3): 90-93.
[3]D. Das, A.K. Dutta, K.K. Ray. Inconsistent wear behavior of cryotreated tool steels: role of mode and mechanism[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 25(10): 1249-1257.
论文作者:李虎
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/5
标签：冷处理论文; 奥氏体论文; 残余论文; 材料论文; 碳化物论文; 应力论文; 特殊钢论文; 《防护工程》2018年第25期论文;