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這些金屬材料深冷處理工藝技術你一定想知道

2019-07-05 13人讀過

這些金屬材料深冷處理工藝技術你一定想知道!

1.深冷處理概述 1.1定義 工業中一般把材料經過普通的熱處理后進一步冷卻到攝氏零度以下某一溫度(通常為0~-130℃)的處理方法稱為普通冷處理;而把低于-130℃以下(通常為-130℃~-196℃)的冷處理叫做深冷處理。深冷處理又常稱為超低溫處理,它是普通熱處理的延續,低溫技術的一個分支。 深冷處理是將被處理工件置于特定的、可控的低溫環境中,使材料的微觀組織結構產生變化,從而達到提高或改善材料性能的一種新技術。被處理材料在低溫環境下由于微觀組織結構發生了改變,在宏觀上表現為材料的耐磨性

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,尺寸穩定性,抗拉強度,殘余應力等方面的提高,國內外學者對此開展了很多相關研究。隨著深冷技術的發展和試驗手段的完善,人們對深冷處理的研究逐步深入,材料除涉及鋼鐵材料外,現已延伸到粉末冶金、銅合金、鋁合金及其它非金屬材料(如塑料、尼龍等)。應用行業遍布于航空航天、精密儀器儀表、摩擦偶件、工模具、量具、紡織機械零件、汽車工業和軍事科學等諸多領域。新英格蘭深冷處理學院RobinRhodes教授最新研究發現,深冷處理可以使得賽車、摩托車、輪船、滑雪撬、小型賽車等上的發動機零部件的使用壽命大大延長。深冷處理技術的出現為低溫學在工業中的實際應用和發展開辟了又一個廣闊的研究領域。 1.2深冷處理發展歷史 早在100多年前,瑞士的鐘表制造者把鐘表的關鍵零件埋入寒冷的阿爾卑斯雪山中以提高鐘表的使用壽命;而一些經驗豐富的工具制造者在使用工具之前,把工具儲存在冷凍室內幾個月,也可以達到類似的效果?,F在看來,他們已經在不自覺中運用了冷處理。 隨著制冷技術的發展,在上世紀三十年代出現了深冷處理技術。1939年俄羅斯人首次提出了深冷處理的概念,但由于當時低溫深冷技術尚不完善,在較長時間內只是在理論上進行探討,在實驗室進行摸索。 美國路易斯安娜理工大學rron教授在六十年代末對五種不同合金鋼進行了研究。通過對比未冷處理、低溫-84℃處理的和-190℃深冷處理后的試樣發現,低溫處理后試樣的磨粒磨損發生了較為顯著的變化,而硬度變化不明顯。-84℃處理后的試樣耐磨性比未冷處理的要提高2..6倍,而-190℃處理的試樣耐磨性比-84℃處理的要增加2.6倍。實際生產過程也證實了rron的研究結果的正確性,Dayton公司生產的用于大型的鍋輪發動機的沖頭,采用-190℃處理后其使用壽命延長了一倍。 隨著液氮技術及保溫材料的發展,1965年美國首次將深冷處理實用化,主要應用對象針對航空領域。此后,深冷技術才開始引起世界各國研究人員的關注。隨即英、俄羅斯、日本等各國學者都對其進行了較為廣泛和深入的研究。許多研究表明,材料經深冷處理后比普通冷處理的硬度及耐磨性有較大提高。 我國對深冷處理的研究與開發起步較晚,在二十世紀80年代末,我國的科研學者們才開始對深冷處理的工藝、機理進行研究,材料主要集中在工具鋼、模具鋼和高速鋼。研究結果表明,材料經深冷處理后的性能比一般冷處理后的性能普遍得到了明顯改善。近幾年來,隨著深冷技術的發展,深冷處理從黑色金屬的研究逐步擴大到有色金屬及復合材料方面,并取得了一定的研究進展。 2.馬氏體相變與深冷處理 材料經奧氏體化后快速冷卻,在較低溫度下發生無擴散型的馬氏體相變。馬氏體轉變是強化材料的重要手段之一,是一種非常重要的固態相變。人們對馬氏體相變的研究經歷了近100年的時間,形成了一些理論。但有些理論還不十分完善,如形核理論,切變模型等尚存在一些爭議,缺乏統一的認識。國內的徐祖耀、鄧永瑞、王世道等研究學者對馬氏體相變的熱力學、動力學、晶體學、形核-長大等各方面進行了較為深入、系統的研究,提出了一些馬氏體相變的形核理論及物理模型,對馬氏體相變理論的進展和馬氏體相變在鐵基合金、有色合金、陶瓷材料和其他無機非金屬材料方面的應用做出了重要的貢獻。 材料的馬氏體相變是一種無擴散相變,通過切變完成晶格改組,而不涉及成份變化,只有在冷卻過程中具有同素異構轉變的材料才可能有馬氏體轉變。由于馬氏體轉變的無擴散性,相變需要很大的驅動力和過冷度。由淬火冷卻形成的馬氏體相變,又稱為熱誘發馬氏體相變,經淬火處理后再配以回火處理,來調整硬度、韌性等以滿足各種工件的不同性能的要求。目前工業生產中,金屬材料的淬火工藝主要是將工件加熱到材料的Ac3或Ac1以上30~50℃,保溫一定時間后,快速在水,鹽水或油中冷卻。這些淬火介質的淬冷能力雖然都很強,但是由于先轉變的奧氏體對未轉變的奧氏體的轉變具有抑制作用,只有進一步增加相變驅動力,即增加過冷度才能使相變繼續進行,所以對于大多數的鐵碳合金,淬火后總是存在一部分殘余奧氏體。若殘余奧氏體含量過大,將會直接影響回火處理的質量,達不到工件所要求的性能。此外,對于某些不銹鋼,高合金鋼,氧化鋯陶瓷等由于其Ms(馬氏體轉變開始溫度)遠遠低于室溫,所以常規的淬火介質不能使材料淬火后得到全部馬氏體。 因此,為了提高工件的性能及使用壽命,得到滿意的淬火質量,盡量減少殘余奧氏體以獲得最大數量的馬氏體,目前工業上采用深冷處理的方法,即淬冷至室溫的材料繼續冷卻到更低的溫度,使殘余奧氏體在這一過程中繼續轉變為馬氏體。這樣可進一步提高鋼的硬度和耐磨性,并穩定鋼件的尺寸。

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