强烈淬火－深冷联合处理对GH3030力学性能的影响

黄利银

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

强烈淬火－深冷联合处理对GH3030力学性能的影响

黄利银

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

将GH3030加热到800℃，然后直接置于液氮中，并在液氮中保持5h，形成强烈淬火－深冷联合处理新工艺，单步实现大温度梯度急速淬火和深冷作用的双重效果。结果表明，强烈淬火－深冷联合处理工艺，不仅避免了普通强烈淬火容易诱发表面裂纹的缺陷，而且使得GH3030在5小时内获得显微硬度高达224HV，而经过普通深冷处理工艺处理的该材料显微硬度为202 HV，同时，材料的抗拉强度也从原始的766．05MPa提高到了790．48MPa。

深冷处理;热处理;强烈淬火;GH3030

高温合金GH3030属于我国较早进行生产的几种变形高温合金之一，由于其具有较高的工作温度及较强的抗热腐蚀性，应用范围广泛［1］。镍基高温合金GH3030是一种固溶强化型合金，同时，弥散分布的析出相Ni3Al的存在是提高其高温强度的另一个重要因素。因此GH3030材料的固溶情况以及析出相的形貌、大小、含量以及分布情况共同决定了该合金的力学性能。

强烈淬火技术是在普通淬火的基础上发展起来的一种新型热处理技术，该技术的应用可以迅速提高材料的硬度和强度。同时，由于金属表层压应力的产生，不仅避免了表面裂纹的产生，同时使得工件产生最小的畸变，从而保证了工件的精度，因此强烈淬火作为热处理新技术发展方向之一受到关注［2］。大量研究表明，通过强烈淬火，奥氏体钢的表层甚至可以形成100%马氏体组织，会使给定钢种获得最大淬硬层，进而可用碳钢代替较贵重的合金钢。Lauralice C．F．Canale等人指出强烈淬火可替代或部分替代某些工件的渗碳过程，同时缩短生产周期，降低能源消耗，从而减少环境污染，节约生产成本［3］。对于奥氏体材料的强烈淬火，工件的冷却速度越大，则表层会有更多的奥氏体转变为马氏体，淬火硬化层深度也就越大，工件的硬度和强度也就越高。

深冷处理是传统的热处理中淬火工艺的进一步深化和补充，它不仅可以稳定材料的组织，还可以有效提高多种金属材料的硬度、耐摩擦性能［4－6］和疲劳性能，该工艺往往在热处理之后和回火之前进行。深冷处理改善材料的力学性能主要通过促进奥氏体向马氏体的转变、碳化物纳米硬点的析出以及残余应力的降低［7－8］来实现。相关研究发现，一般情况下该轴承钢的奥氏体占29%左右，通过低温处理后，奥氏体为8%，而通过深冷处理，奥氏体残余量仅仅为5．7%。与普通的低温处理相比，深冷处理往往更能提升材料的力学性能。Lipson等人的研究发现，深冷处理可以同时提高材料的耐磨性和硬度。Srisiva等人的研究发现，对100Cr6合金进行深冷处理后，与没有经过深冷处理的材料相比，其耐磨性能提高了37%。Sendhilkumar等人［9］的研究发现，深冷处理对工程用低碳钢（En 19 steel）的耐摩擦性能甚至提高了214．94%。Idayan等人［10］对比研究了低温处理和深冷处理对AISI 440C轴承钢的力学性能的影响，研究结果发现，通过深冷处理，该轴承钢的硬度提高了7%，而通过低温处理（－80℃）时其硬度仅仅提高4%。而Arockiya Jaswin等人的研究则发现，经过深冷处理后得到的X45Cr9Si3和X53Cr22Mn9Ni4NI材料的硬度分别提高了46．51%和27．8%。Zhirafar等人的研究发现，在深冷的作用下，特种钢4030组织中大量奥氏体向马氏体转变，从而极大改善了该材料的硬度。而Huang等人在研究M2工具钢的深冷处理时发现深冷作用可以促进碳化物团簇化，从而大大降低了碳化物的密度，提高了材料的硬度。

目前深冷处理的研究主要集中在镁合金、铝合金和钛合金等材料方面，而对于高温合金深冷处理方面的研究报道却很少。前期的研究结果表明，虽然经过单步深冷处理或者多次深冷－热处理循环处理可以获得硬度较高的GH3030高温合金材料，但是时间较长。为了缩短工艺时间，提高生产效率，将热处理和深冷处理联合起来形成高温度梯度大冲击深冷处理，从而在更短的时间内获得硬度等力学性能优良的GH3030材料。

1 试验设计

试验过程所用的GH3030材料为板材，厚度为2mm，先将材料通过线切割切出若干个小试样，然后将小试样分成A、B、C三组，每组3个。A组试样加热到800℃后直接冷却到室温;将B组试样进行普通深冷处理，即加热到800℃，保温10min，冷却到室温，再在液氮中进行深冷处理，保温5h;将C组试样进行大冲击深冷处理，即加热到800℃，保温10min，然后直接取出掷入到液氮中，保温5h。最后将经过深冷处理后得到的试样取出，在室温状态下进行各项力学性能的测试。试验过程中所用的GH3030的成分如表1所示：

表1 GH3030合金的化学成分

经过深冷处理后的试样的硬度值通过HV－1000硬度计进行测量，材料的抗拉强度通过TD－6000A电子拉力试验机进行测试，材料的晶相组织通过SEM进行研究。

2 试验结果

首先对经过各种热处理后的各试样进行硬度测试。图1为经过不同时间深冷处理后的HV硬度柱状图，图中每个数据为三个试样硬度的平均值，每个试样的硬度测定过程中取5个点进行硬度测试，然后对五个数据去掉最大值和最小值后求取平均值作为该试样的硬度［11］。

图1 不同深冷方式对GH3030显微硬度的影响

从图1中可以看出，与A组试样相比，B组试样的硬度提高了10．99%。深冷处理不仅可以使得基体材料的晶格常数变小，而且还能使GH3030合金析出某些细小的第二相颗粒，形成第二相强化，从而使得材料的硬度得到提高。图1中数据显示，C组试样的硬度比A组试样的硬度提高了23．08%，与B组试样相比提高了10．89%。与B组试样相比，在深冷处理过程中，C组试样具有更大的温度梯度。C组试样在800℃的高温下被直接投入到液氮中，其温度梯度迅速冷却到－196℃，其温度梯度高达996。在GH3030合金中，析出物γ＇相、析出碳化物（块状与颗粒状相）和TCP相（针状）等与基体具有相异的热胀冷缩系数，因此在深冷的作用下，会在材料内部形成大量应力应变，在更大的温度梯度下，材料中会产生更多的位错和破碎晶粒，从而使得材料中存有更大的残余应力，致使经过深冷冲击处理的C试样比经过更小梯度温度处理的B试样具有更高的材料硬度。

图2 不同深冷方式对GH3030拉伸性能的影响

图2是经过不同方式深冷处理后得到GH3030的拉伸曲线图。原始GH3030的抗拉强度为766．05MPa，经过普通深冷处理后其强度提高到了782．89MPa，而经过强烈淬火－深冷联合处理后得到的试样抗拉强度则提高到了790．48MPa。经过较小降温速率冷却后进行10小时深冷处理得到的GH3030（试样B）的抗拉强度和韧性都得到显微的提高，这一方面由于奥氏体镍基高温合金为固溶强化型合金，深冷处理可以使得某晶粒发生转动，形成大量孪晶，同时还可以细化晶粒，从而使得材料的韧性得到改善，另一方面，由于深冷使得基体晶格常数变小，从而使得晶体高温合金在经过深冷处理后析出第二相颗粒，产生第二相强化。而经过强烈淬火－深冷联合处理工艺处理得到的GH3030的抗拉强度得到显微提高，而材料的韧性下降。由于在更大的深冷作用下，材料内部的残余应力更大，同时更大的温度梯度，会使得析出物具有更小的颗粒尺寸，从而使得材料的强度更大。另一方面，在更大的温度梯度作用下，材料内部的硬脆相更容易发生脆性断裂而造成更多的裂纹出现，同时，在更快的冷却速度下，材料内部的残余应力的应力集中情况更为明显，因此C组材料的韧性在更大的冷却速度下而出现显微下降。

将加热到高温的GH3030利用液氮作为冷却介质进行强烈淬火，并最后在液氮中保持一定的时间进行进一步深冷，将急速淬火和深冷处理联合成一道整体的工序施加到GH3030上，集合了强烈淬火和深冷处理两种工艺的优势，从而有效的改善GH3030材料的力学性能。高温的原材料试样置于液氮中，试样表面急速冷却，热胀冷缩作用使得试样的表层获得极高的压应力，该压应力的产生，不仅降低裂纹产生的概率，而且还可以提高材料表面的硬度［12］。GH3030是一种奥氏体合金，因此在液氮的急速冷却作用下，使得材料表面形成大量的马氏体，从而提高了材料的强度和表面硬度。另外，强烈淬火还可能同时存在固溶强化、细晶强化、沉淀强化、亚结构强化等多种强化机制，从而使得材料包括硬度和耐磨性在内的多种力学性能得到提高，有助于延长机器零件和工具的服役寿命。目前强烈淬火工艺在汽车半轴、链轮、轴承圈、紧固件、销轴和多种模具等方面都得到了广泛应用［13］。

高温的GH3030试样在液氮的作用下，经过强烈淬火后，表层立即冷到液氮温度，但是心部温度仍然较高，主要由韧性较好的奥氏体组织组成。因此，此时的材料同时具有较高的韧性和表面硬度。在随后的深冷过程中，随着时间的延长，液氮中试样的内部组织逐步向马氏体转变，从而使得材料的硬度和抗拉强度得到显著提高。虽然试样中心的残余奥氏体向马氏体的转变的过程中会使得材料心部体积的增加，从而导致试样表面产生应变和应力。但是对高温GH3030材料由于采用液氮作为强烈淬火介质，冷却速度极快，在强烈淬火过程中试样表层生成的马氏体层也较厚，从而在表面形成的压应力也极大，因此，在后续的长时间深冷作用下，即使心部的奥氏体全部转为了马氏体，也依旧保证了试样表面避免了淬火裂纹的产生。

3 结论

将液氮作为淬火介质应用到强烈淬火中，并将强烈淬火与深冷处理联合起来对工件施加作用，形成了强烈淬火－深冷联合处理新工艺，单步实现了大温度梯度急速淬火和深冷作用的双重效果。经过强烈淬火－深冷联合作用处理的GH3030不仅有效避免了表面裂纹的产生，而且在较短的时间内获得了同时具有更高表面硬度和抗拉强度的工件，证明该新方法是可以在短时间内改善材料综合力学性能的有效手段。

［1］战国锋，王恩刚，蒋恩，等．电磁搅拌对GH3030高温合金铸态组织的影响［J］．特种铸造及有色合金，2012，（1）．

［2］付洪波，乔英杰，李春凯，等．18Cr2Ni4WA钢的强烈淬火组织与性能［J］．金属热处理，2013，（1）．

［3］刘臣．渗碳合金钢强烈淬火组织与性能研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008．

［4］Podgornik B，Majdic F，Leskovsek V，et al．Improving tribological properties of tool steels through combination of deep－cryogenic treatment and plasma nitriding［J］．Wear，2012，（6）．

［5］Thornton R，Slatter T，Jones A H，et al．The effects of cryogenic processing on thewear resistance of grey cast iron brake discs［J］．Wear，2011，271．

［6］Slatter T，Lewis R，Jones A H，et al．The influence of cryogenic processing on wear on the impactwear resistance of low carbon steel and lamellar graphite cast iron［J］．Wear，2011，271．

［7］Podgornik B，Majdic F，Leskovsek V，et al．Improving tribological properties of tool steels through combination of deep－cryogenic treatment and plasma nitriding［J］．Wear，2012，（6）．

［8］Leskov ek V，Podgornik B．Vacuum heat treatment，deep cryogenic treatment and simultaneous pulse plasma nitriding and tempering of P/M S390MC steel［J］．Materials Science and Engineering：A，2012，531．

［9］Senthilkumar D，Rajendran I．Influence of Shallow and Deep Cryogenic Treatment on Tribological Behavior of En 19 Steel［J］．钢铁研究学报（英文版），2011，（9）．

［10］Idayan A，Gnanavelbabu A，Rajkumar K．Influence of Deep Cryogenic Treatment on the Mechanical Properties of AISI440CBearing Steel［J］．Procedia Engineering，2014，97．

［11］任成高，申晓龙，何荣．循环热处理对镁合金组织和力学性能的影响［J］．热加工工艺，2014，（7）。

［12］叶旋．喷丸处理对Fe－2Cu－2Ni－1Mo－1C烧结材料组织与疲劳性能的影响研究［D］．广州：华南理工大学，2013．

［13］何祖娟．20CrMnTi钢渗碳复合强烈淬火强韧化机理研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010．

［编校：张芙蓉］

The Influence of Intensive Quenching－cryogenic Com bined Treatm ent on the Mechanical Properties of GH3030

HUANG Liyin
（Changsha Aeronautical Vocational Technical College，Changsha Hunan 410014）

The GH3030 sampleswere first heated to 800℃and then directly placed into liquid nitrogen and kept in it for5 hours．The new method achieves dual effects of intensive quenching and cryogenic combined treatment with steep temperature gradient by a single step．The experiment results showed the intensive quenching－cryogenic combined treatment technology not only avoided defects of the usual surface cracks but alsomade themicrohardness of GH3030 reach 224HV within 5 hourswhile themicrohardness of thismaterialwas only 202HV when itwas disposed by traditional cryogenic treatment．Furthermore，the tensile strength also increased from original 766．05MPa to 790．48MPa．

cryogenic treatment;heat treatment;intensive quenching;GH3030

TG142．1

A

1671－9654（2015）04－039－04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.000139

2015－11－16

黄利银（1976－），男，湖南邵阳人，副教授，工程硕士，研究方向为机械设计与制造。

本文为湖南省教育厅科学研究项目“镍基高温合金GH3030的深冷处理研究”（编号：13C990）阶段性研究成果。