技術(shù)分享:硬質(zhì)合金深冷處理技術(shù)發(fā)展及研究進(jìn)展

【摘要】 介紹了國內(nèi)外硬質(zhì)合金深冷處理的技術(shù)發(fā)展及研究進(jìn)展和深冷工藝，深冷效果，強(qiáng)化機(jī)理及其影響因素。硬質(zhì)合金深冷處理后主要提高了工模具的耐磨性能和使用壽命,其它物理性能的影響不明顯，其強(qiáng)化機(jī)理主要是相變強(qiáng)化和表面殘余應(yīng)力強(qiáng)化。

??1 ?引言
??硬質(zhì)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(jié)劑，通常采用粉末冶金方法制備的多相復(fù)合材料，是粉末冶金領(lǐng)域中最典型、最重要的材料制品之一[1]。
??硬質(zhì)合金綜合了硬質(zhì)相和粘結(jié)相的優(yōu)良性能，從而具有一系列優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)度，600℃時(shí)硬度超過高速鋼的常溫硬度，1,000℃時(shí)硬度高于碳鋼的常溫硬度，強(qiáng)度還能保持在300MPa附近；具有高的彈性模量，通常為400～700MPa；硬質(zhì)合金具有很高的抗壓強(qiáng)度，能承受大載荷并保持形狀不變，具有低的熱膨脹系數(shù)，一般為鋼的50%，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，比鋼具有更好的抗氧化和抗腐蝕能力[2]。硬質(zhì)合金成為幾乎所有工業(yè)部門和新技術(shù)領(lǐng)域中不可獲缺的工模具材料和結(jié)構(gòu)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(tǒng)熱處理工藝的擴(kuò)展和延伸，自20世紀(jì)中期以來，在材料熱處理行業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，深冷處理可轉(zhuǎn)變殘余奧氏體，提高工件的硬度，穩(wěn)定工件尺寸；可析出超細(xì)碳化物，提高工件的耐磨性；可細(xì)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(shù)和絕熱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與成熟，深冷處理硬質(zhì)合金也引起國內(nèi)外的一些工業(yè)企業(yè)的關(guān)注。

???2 ?深冷處理工藝的現(xiàn)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(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下發(fā)生變化，某些性能得到提高。深冷處理最初是1939年由前蘇聯(lián)人提出，直到20世紀(jì)60年代，美國才將深冷處理技術(shù)工業(yè)實(shí)用化，開始主要用于航空領(lǐng)域，70年代擴(kuò)展到機(jī)械制造領(lǐng)域。
??根據(jù)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(shí)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(duì)工件有較大的熱沖擊，普遍認(rèn)為很有可能對(duì)工件產(chǎn)生損害。深冷設(shè)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?dú)馕鼰醽碇评?。氣體法可使深冷溫度達(dá)到-190℃，使低溫氮?dú)馀c材料接觸，通過對(duì)流換熱，使氮?dú)饨?jīng)噴管噴出后在深冷箱中氣化，利用氣化潛熱及低溫氮?dú)馕鼰嶙饔檬构ぜ禍?。通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深冷處理溫度的自動(dòng)可調(diào)，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(yīng)用中較多的被研究人員認(rèn)可，其冷卻設(shè)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(wěn)定性，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景[3~5]。
??硬質(zhì)合金的深冷技術(shù)在20世紀(jì)八九十年代始見于報(bào)道。1981年日本的《機(jī)械技術(shù)》，1992年美國的《modern machine shop》等都報(bào)道了硬質(zhì)合金深冷處理后顯著提高了使用性能。從20世紀(jì)70年代以來，國外對(duì)深冷處理的研究工作卓有成效，前蘇聯(lián)、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(wěn)定性。美國一家工模具公司實(shí)際運(yùn)用結(jié)果表明：硬質(zhì)合金刀片經(jīng)處理后，其使用壽命提高2～8倍，而硬質(zhì)合金拉絲模，處理后的修整周期從幾周延長到幾個(gè)月。國內(nèi)在20世紀(jì)90年代開展了對(duì)硬質(zhì)合金深冷技術(shù)的研究工作，取得了一定的研究成果[6～7]?？傮w來講，目前對(duì)于硬質(zhì)合金深冷處理技術(shù)的研究開展的較少，也不夠系統(tǒng)，所得結(jié)論也有較多不一致，有待科研人員進(jìn)一步深入大量地探索。從現(xiàn)有研究資料看，深冷處理主要提高了硬質(zhì)合金的耐磨性和使用壽命，但對(duì)物理性能的影響不明顯。

??3 ?深冷處理的強(qiáng)化機(jī)理[8～10]
???磨損和早期斷裂是工模具的主要失效形式。硬質(zhì)合金的深冷處理主要應(yīng)用在工模具上。工模具的磨損主要為粘結(jié)磨損和磨粒磨損；早期斷裂主要為韌性不足。因此，對(duì)于其強(qiáng)化機(jī)理的研究也主要集中在其耐磨性和使用壽命兩方面，但對(duì)物理性能的影響不明顯。
??（1）相變強(qiáng)化。
???硬質(zhì)合金中的Co存在面心立方晶體結(jié)構(gòu)的α相（fcc）和密排六方晶體結(jié)構(gòu)的ε相（hcp）2種晶體結(jié)構(gòu)。ε-Co比α-Co具有較小的摩擦系數(shù)，耐磨損性強(qiáng)。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(wěn)定相α相轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂赡茌^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(duì)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(shí)α相不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣畔?。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(qū)動(dòng)力，增大ε相轉(zhuǎn)變量。經(jīng)過深冷處理的硬質(zhì)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(zhì)相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到第二相粒子強(qiáng)化作用。
??（2）表面殘余應(yīng)力的強(qiáng)化。
??深冷處理后研究表明，表層殘余壓應(yīng)力增加。許多研究者認(rèn)為表層中產(chǎn)生一定值的殘余壓應(yīng)力可大大提高其使用壽命。硬質(zhì)合金在燒結(jié)后冷卻過程中，粘結(jié)相Co受到拉應(yīng)力，WC粒子受到壓應(yīng)力，拉應(yīng)力對(duì)Co的損害較大。因此還有研究者認(rèn)為深冷導(dǎo)致的表層壓應(yīng)力的增加減緩或部分抵消了粘結(jié)相在燒結(jié)后的冷卻過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，甚至調(diào)整成壓應(yīng)力，減少微裂紋的產(chǎn)生。
??（3）其它強(qiáng)化機(jī)理。
??有人認(rèn)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(jié)相Co含量的降低，增加了材料整體的熱導(dǎo)率，碳化物顆粒尺寸和鄰接度的增長也增加了基體的熱導(dǎo)率。由于熱導(dǎo)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(rèn)為深冷處理后由于Co的收縮致密，使得Co對(duì)WC粒子的把持牢固作用加強(qiáng)。物理學(xué)家認(rèn)為深冷改變了金屬的原子和分子的結(jié)構(gòu)。

???4 ?深冷處理工藝參數(shù)
???深冷處理工藝參數(shù)對(duì)工模具性能的影響起著決定性作用， 因此要根據(jù)工件的性能要求制定相應(yīng)的工藝參數(shù)，選擇合適的工藝參數(shù)不僅可降低生產(chǎn)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(shù)如下所示。
??（1）深冷方式。氮?dú)赓Y源具有經(jīng)濟(jì)豐富，且易獲得等優(yōu)勢(shì)。液氮制冷是目前深冷處理設(shè)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?dú)庵评?。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(yīng)用較為廣泛；后者是低溫氮?dú)馀c工模具直接接觸，通過對(duì)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(yōu)點(diǎn)。
??（2）升降溫速度。有關(guān)深冷過程中的升降溫速度問題，產(chǎn)生了不同的看法。一種觀點(diǎn)是應(yīng)該嚴(yán)格控制深冷處理的升降溫速度，他們認(rèn)為升降溫速度過快會(huì)導(dǎo)致工模具內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而使工模具發(fā)生形變產(chǎn)生裂紋；另一種觀點(diǎn)是通過急速快冷法和深冷急熱法使奧氏體更易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而起到強(qiáng)化工模具性能的作用。
??（3）深冷處理的時(shí)間。深冷處理的保溫時(shí)間由硬質(zhì)合金材料決定，有些材料可在深冷短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到預(yù)期效果，從而減少成本。但是大部分學(xué)者認(rèn)為延長深冷保溫時(shí)間可使殘余奧氏體充分向馬氏體轉(zhuǎn)變，并且更有利于析出碳化物粒子，深冷處理的時(shí)間是主要工藝參數(shù)。
??（4）深冷次數(shù)。對(duì)于深冷處理的次數(shù)，形成了較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)。研究表明重復(fù)處理可以增加深冷的效果，并且認(rèn)為二次深冷效果最佳，因?yàn)榈诙紊罾涮幚砜衫^續(xù)重復(fù)第一次的變化，但多次處理后硬質(zhì)合金材料已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此沒有必要進(jìn)行重復(fù)處理。
??（5）熱處理與深冷的結(jié)合。熱處理工藝順序的安排一直是爭論的熱點(diǎn)，從當(dāng)前的研究結(jié)果來看，不同性能要求的硬質(zhì)合金材料應(yīng)采取不同的工藝順序。有的鋼結(jié)硬質(zhì)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(zhì)合金回火后進(jìn)行的深冷處理適用于硬度要求高、動(dòng)載荷較小的工模具。
決定深冷處理效果的還有其工藝參數(shù)的選擇，如冷卻速度、保溫時(shí)間、浸泡溫度、處理次數(shù)以及淬火和回火時(shí)的溫度、時(shí)間等參數(shù)。

??5 ?影響深冷處理效果的因素
?在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，有關(guān)深冷處理對(duì)硬質(zhì)合金硬度和使用壽命及加工性能的影響有很多矛盾的數(shù)據(jù)，深冷處理后硬質(zhì)合金硬度和使用壽命的幅度波動(dòng)較大，可能與熱處理、深冷處理的規(guī)范和深冷處理后的回火等因素有關(guān)[11～13]。
??（1）深冷處理的規(guī)范。
??深冷處理的制度主要是指深冷處理的溫度、保溫時(shí)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(dāng)今大多數(shù)試驗(yàn)都單獨(dú)比較這兩個(gè)溫度，很少對(duì)從-80℃～-190℃的多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。目前深冷處理的保溫時(shí)間有很大差別，有0.5h、1h、2h、24h，甚至更長時(shí)間的保溫，需要確定最佳保溫時(shí)間。有試驗(yàn)表明，在同樣的保溫時(shí)間內(nèi)，多次循環(huán)保溫比一次長時(shí)間保溫效果好。
有關(guān)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(jù)國外報(bào)道，采用緩慢冷卻比直接投入液氮效果更好。有的試驗(yàn)認(rèn)為冷卻速度會(huì)影響深冷處理的組織轉(zhuǎn)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(yàn)對(duì)硬質(zhì)合金YT15深冷處理研究發(fā)現(xiàn)，深冷溫度對(duì)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(shí)間。
???鋼結(jié)硬質(zhì)合金淬火后和回火的組織有很大區(qū)別，淬火后鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織中有大量殘留奧氏體，馬氏體處于過飽和狀態(tài); 如進(jìn)行充分回火，回火后殘留奧氏體通常在1%以下，且經(jīng)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(duì)深冷處理后鋼結(jié)硬質(zhì)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(xiàn)有報(bào)道中，深冷處理后有的進(jìn)行回火，有的不進(jìn)行回火，回火的溫度和保溫時(shí)間也有很大差別。
???深冷處理后回火對(duì)硬質(zhì)合金硬度和使用壽命的影響報(bào)道較多，主要集中在深冷處理后的回火保溫時(shí)間上，一是認(rèn)為短時(shí)間保溫即可，一是認(rèn)為硬質(zhì)合金材料長時(shí)間保溫效果更好。根據(jù)深冷時(shí)間的不同，深冷處理對(duì)YG20硬質(zhì)合金材料的硬度均有不同程度的提高，其中短時(shí)間處理2～4h即能達(dá)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(jié)束語
???深冷處理技術(shù)對(duì)改善硬質(zhì)合金性能的作用毋庸置疑。深冷處理可以顯著提高硬質(zhì)合金的耐磨性和使用壽命，這點(diǎn)已經(jīng)得到了共識(shí)，但深冷處理對(duì)硬質(zhì)合金機(jī)械性能、殘余應(yīng)力狀況等方面的影響尚存在不同的觀點(diǎn)，較多研究認(rèn)為表面殘余應(yīng)力和Co的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是其強(qiáng)化的主要原因；高溫淬火對(duì)硬質(zhì)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(yè)化應(yīng)用深冷處理硬質(zhì)合金工模具的推廣應(yīng)用還處于起步階段。因此，鑒于硬質(zhì)合金類型和成分的多樣性和復(fù)雜性，并對(duì)P、K、M類不同牌號(hào)硬質(zhì)合金的深冷處理工藝進(jìn)行優(yōu)化以提高硬質(zhì)合金性能，目前還沒有硬質(zhì)合金深冷技術(shù)成熟的工藝規(guī)范，必須研制先進(jìn)的深冷設(shè)備，深入探索深冷處理的作用機(jī)理，是當(dāng)前研究開發(fā)工作的方向?？梢哉J(rèn)為，硬質(zhì)合金的深冷技術(shù)對(duì)于提高我國模具工業(yè)的技術(shù)水平和制造業(yè)的綜合競(jìng)爭力具有極其廣闊的前景。