技術分享:硬質合金深冷處理技術發展及研究進展
技術分享:硬質合金深冷處理技術發展及研究進展
??1 引言
??硬質合金是一種或多種以高硬度、高彈性模量的難熔金屬化合物（WC,TiC,TaC,NbC等）為基體，以過渡金屬（Co,Ni,Fe等）或合金作粘結劑，通常采用粉末冶金方法制備的多相復合材料，是粉末冶金領域中最典型、最重要的材料制品之一[1]。
??硬質合金綜合了硬質相和粘結相的優良性能，從而具有一系列優點，具有很高的硬度（80～94HRA）和耐磨性，尤其在較高的溫度下仍能保持較高的硬度和強度，600℃時硬度超過高速鋼的常溫硬度，1,000℃時硬度高于碳鋼的常溫硬度，強度還能保持在300MPa附近；具有高的彈性模量，通常為400～700MPa；硬質合金具有很高的抗壓強度，能承受大載荷并保持形狀不變，具有低的熱膨脹系數，一般為鋼的50%，具有良好的化學穩定性，比鋼具有更好的抗氧化和抗腐蝕能力[2]。硬質合金成為幾乎所有工業部門和新技術領域中不可獲缺的工模具材料和結構材料。
??熱處理是改善材料組織性能的重要手段， 而深冷處理作為傳統熱處理工藝的擴展和延伸，自20世紀中期以來，在材料熱處理行業中已經得到了廣泛的應用。對于傳統的鋼鐵材料，深冷處理可轉變殘余奧氏體，提高工件的硬度，穩定工件尺寸；可析出超細碳化物，提高工件的耐磨性；可細化晶粒，提高工模具的沖擊韌性；可提高馬氏體不銹鋼的抗蝕性，提高工件的拋光性能等。隨著液氮冷卻技術和絕熱技術的進一步發展與成熟，深冷處理硬質合金也引起國內外的一些工業企業的關注。
?? 2 深冷處理工藝的現狀
??深冷處理通常采用液氮冷卻，可使工件冷卻到－190℃以下。被處理材料的微觀結構在低溫環境下發生變化，某些性能得到提高。深冷處理最初是1939年由前蘇聯人提出，直到20世紀60年代，美國才將深冷處理技術工業實用化，開始主要用于航空領域，70年代擴展到機械制造領域。
??根據冷卻方法的不同可分為液體法和氣體法。液體法即將材料或工件直接浸入液氮中, 使工件驟冷至液氮溫度，且在此溫度下保溫一定時間，然后取出升溫至某一溫度。這種方式升降溫速度很難控制，對工件有較大的熱沖擊，普遍認為很有可能對工件產生損害。深冷設備較為簡單，如液氮罐。氣體法則是通過液氮的氣化潛熱（約199.54kJ/kg）和低溫氮氣吸熱來制冷。氣體法可使深冷溫度達到-190℃，使低溫氮氣與材料接觸，通過對流換熱，使氮氣經噴管噴出后在深冷箱中氣化，利用氣化潛熱及低溫氮氣吸熱作用使工件降溫。通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率，可實現對深冷處理溫度的自動可調，精確控制，且熱沖擊作用較小，開裂的可能性也小。目前氣體法在應用中較多的被研究人員認可，其冷卻設備主要是溫度可控的程控深冷箱。深冷處理可以顯著提高黑色金屬、有色金屬、金屬合金等材料的使用壽命、耐磨性及尺寸穩定性，具有可觀的經濟效益和市場前景[3~5]。
??硬質合金的深冷技術在20世紀八九十年代始見于報道。1981年日本的《機械技術》，1992年美國的《modern machine shop》等都報道了硬質合金深冷處理后顯著提高了使用性能。從20世紀70年代以來，國外對深冷處理的研究工作卓有成效，前蘇聯、美國、日本等國均已成功利用深冷處理來提高工模具的使用壽命、工件的耐磨性及尺寸穩定性。美國一家工模具公司實際運用結果表明：硬質合金刀片經處理后，其使用壽命提高2～8倍，而硬質合金拉絲模，處理后的修整周期從幾周延長到幾個月。國內在20世紀90年代開展了對硬質合金深冷技術的研究工作，取得了一定的研究成果[6～7]。總體來講，目前對于硬質合金深冷處理技術的研究開展的較少，也不夠系統，所得結論也有較多不一致，有待科研人員進一步深入大量地探索。從現有研究資料看，深冷處理主要提高了硬質合金的耐磨性和使用壽命，但對物理性能的影響不明顯。
??3 深冷處理的強化機理[8～10]
?? 磨損和早期斷裂是工模具的主要失效形式。硬質合金的深冷處理主要應用在工模具上。工模具的磨損主要為粘結磨損和磨粒磨損；早期斷裂主要為韌性不足。因此，對于其強化機理的研究也主要集中在其耐磨性和使用壽命兩方面，但對物理性能的影響不明顯。
??（1）相變強化。
?? 硬質合金中的Co存在面心立方晶體結構的α相（fcc）和密排六方晶體結構的ε相（hcp）2種晶體結構。ε-Co比α-Co具有較小的摩擦系數，耐磨損性強。在417℃以上α相的自由能較低，所以Co以α相形式存在。在417℃以下ε相的自由能較低，高溫穩定相α相轉變為自由能較低的ε相。但是由于WC粒子及α相中固溶異類原子的存在，對相變有較大的約束力，使得α→ε相變阻力增大，使得溫度降到417℃以下時α相不能完全轉變為ε相。深冷處理可以更大的增加α與ε兩相自由能差，從而增加相變驅動力，增大ε相轉變量。經過深冷處理的硬質合金，一些溶解在Co中的原子，由于溶解度的降低而以化合物的形式析出，可以增加Co基體中的硬質相，阻礙位錯運動，起到第二相粒子強化作用。
??（2）表面殘余應力的強化。
??深冷處理后研究表明，表層殘余壓應力增加。許多研究者認為表層中產生一定值的殘余壓應力可大大提高其使用壽命。硬質合金在燒結后冷卻過程中，粘結相Co受到拉應力，WC粒子受到壓應力，拉應力對Co的損害較大。因此還有研究者認為深冷導致的表層壓應力的增加減緩或部分抵消了粘結相在燒結后的冷卻過程中產生的拉應力，甚至調整成壓應力，減少微裂紋的產生。
??（3）其它強化機理。
??有人認為深冷處理后，基體中形成的η相粒子連同WC 顆粒使得基體變得更緊密更牢固，而且由于η相的形成，消耗了基體中的Co。粘結相Co含量的降低，增加了材料整體的熱導率，碳化物顆粒尺寸和鄰接度的增長也增加了基體的熱導率。由于熱導率的增加，使得工模具尖端的散熱更快；提高了工模具的耐磨性和高溫硬度。還有人認為深冷處理后由于Co的收縮致密，使得Co對WC粒子的把持牢固作用加強。物理學家認為深冷改變了金屬的原子和分子的結構。
?? 4 深冷處理工藝參數
?? 深冷處理工藝參數對工模具性能的影響起著決定性作用， 因此要根據工件的性能要求制定相應的工藝參數，選擇合適的工藝參數不僅可降低生產成本，而且可最大程度的提高工模具的使用性能。
??常見的工藝參數如下所示。
??（1）深冷方式。氮氣資源具有經濟豐富，且易獲得等優勢。液氮制冷是目前深冷處理設備常用的方法，液氮制冷主要有兩種方式，它們分別是液氮浸泡式制冷和利用液氮的汽化潛熱或者低溫氮氣制冷。前者是將工模具直接放入液氮的裝置中，使工件驟冷，這種深冷處理工藝簡單方便，應用較為廣泛；后者是低溫氮氣與工模具直接接觸，通過對流換熱來降低工模具的溫度，這種方式具有換熱效果好、降溫速度和處理溫度可控、溫度分布均勻等優點。
??（2）升降溫速度。有關深冷過程中的升降溫速度問題，產生了不同的看法。一種觀點是應該嚴格控制深冷處理的升降溫速度，他們認為升降溫速度過快會導致工模具內部產生內應力，從而使工模具發生形變產生裂紋；另一種觀點是通過急速快冷法和深冷急熱法使奧氏體更易轉變為馬氏體，從而起到強化工模具性能的作用。
??（3）深冷處理的時間。深冷處理的保溫時間由硬質合金材料決定，有些材料可在深冷短時間內能達到預期效果，從而減少成本。但是大部分學者認為延長深冷保溫時間可使殘余奧氏體充分向馬氏體轉變，并且更有利于析出碳化物粒子，深冷處理的時間是主要工藝參數。
??（4）深冷次數。對于深冷處理的次數，形成了較為統一的觀點。研究表明重復處理可以增加深冷的效果，并且認為二次深冷效果最佳，因為第二次深冷處理可繼續重復第一次的變化，但多次處理后硬質合金材料已經處于穩定狀態，因此沒有必要進行重復處理。
??（5）熱處理與深冷的結合。熱處理工藝順序的安排一直是爭論的熱點，從當前的研究結果來看，不同性能要求的硬質合金材料應采取不同的工藝順序。有的鋼結硬質合金在淬火后回火前的深冷處理適用于易彎曲、承載較大沖擊載荷的工模具，有的YG8、YG20硬質合金回火后進行的深冷處理適用于硬度要求高、動載荷較小的工模具。
決定深冷處理效果的還有其工藝參數的選擇，如冷卻速度、保溫時間、浸泡溫度、處理次數以及淬火和回火時的溫度、時間等參數。
??5 影響深冷處理效果的因素
在現有文獻中，有關深冷處理對硬質合金硬度和使用壽命及加工性能的影響有很多矛盾的數據，深冷處理后硬質合金硬度和使用壽命的幅度波動較大，可能與熱處理、深冷處理的規范和深冷處理后的回火等因素有關[11～13]。
??（1）深冷處理的規范。
??深冷處理的制度主要是指深冷處理的溫度、保溫時間和冷卻速度。最早的冷處理采用干冰冷卻處理，溫度在-80℃左右; 深冷處理采用液氮冷卻，溫度在-190℃左右。當今大多數試驗都單獨比較這兩個溫度，很少對從-80℃～-190℃的多個溫度點進行系統試驗。目前深冷處理的保溫時間有很大差別，有0.5h、1h、2h、24h，甚至更長時間的保溫，需要確定最佳保溫時間。有試驗表明，在同樣的保溫時間內，多次循環保溫比一次長時間保溫效果好。
有關深冷處理的冷卻速度，一般都直接把工模具投入液氮中冷卻。據國外報道，采用緩慢冷卻比直接投入液氮效果更好。有的試驗認為冷卻速度會影響深冷處理的組織轉變，較好的方法是采用有程序控制的溫控箱控制冷卻速度。
??（2）深冷處理工藝影響次序。
??采用正交試驗對硬質合金YT15深冷處理研究發現，深冷溫度對工模具性能影響最大，其次是冷卻速度，再次是回火溫度，最后是深冷保溫時間。
?? 鋼結硬質合金淬火后和回火的組織有很大區別，淬火后鋼結硬質合金組織中有大量殘留奧氏體，馬氏體處于過飽和狀態; 如進行充分回火，回火后殘留奧氏體通常在1%以下，且經過回火硬化以后，馬氏體合金度大大降低; 殘留奧氏體量和馬氏體合金度對深冷處理后鋼結硬質合金中殘留奧氏體含量和碳化物從馬氏體中析出有很大影響，影響深冷處理的效果。
??（3）深冷處理后回火。
?? 在現有報道中，深冷處理后有的進行回火，有的不進行回火，回火的溫度和保溫時間也有很大差別。
?? 深冷處理后回火對硬質合金硬度和使用壽命的影響報道較多，主要集中在深冷處理后的回火保溫時間上，一是認為短時間保溫即可，一是認為硬質合金材料長時間保溫效果更好。根據深冷時間的不同，深冷處理對YG20硬質合金材料的硬度均有不同程度的提高，其中短時間處理2～4h即能達到峰值，維氏硬度值分別從處理前的1610HV30升至1689HV30和1666HV30，增加比例分別為4.91%和3.48%。
??6 結束語
?? 深冷處理技術對改善硬質合金性能的作用毋庸置疑。深冷處理可以顯著提高硬質合金的耐磨性和使用壽命，這點已經得到了共識，但深冷處理對硬質合金機械性能、殘余應力狀況等方面的影響尚存在不同的觀點，較多研究認為表面殘余應力和Co的晶體結構轉變是其強化的主要原因；高溫淬火對硬質合金性能也有很大改善作用，熱處理與深冷處理之間的相互影響還鮮有研究人員涉及。工業化應用深冷處理硬質合金工模具的推廣應用還處于起步階段。因此，鑒于硬質合金類型和成分的多樣性和復雜性，并對P、K、M類不同牌號硬質合金的深冷處理工藝進行優化以提高硬質合金性能，目前還沒有硬質合金深冷技術成熟的工藝規范，必須研制先進的深冷設備，深入探索深冷處理的作用機理，是當前研究開發工作的方向。可以認為，硬質合金的深冷技術對于提高我國模具工業的技術水平和制造業的綜合競爭力具有極其廣闊的前景。
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