工、模具深冷处理及其应用前景分析

王锋　汤立松　李艳艳　张静谧　郝清龙

【摘 要】深冷处理是一种极具前景的（材料处理的）新工艺，不仅可以提高材料的使用寿命，而且成本较低、无污染，是符合21世纪先进制造业的发展潮流的一种绿色的制造技术。本文综述了深冷处理的机理、研究现状，简要分析了深冷处理在某煤机制造公司的应用前景，并对该技术在煤机制造领域的推行进行了展望。

【关键词】液氨；深冷处理；耐磨性

Analysis of the application prospect of deep cryogenic treatment of tool and die

WANG Feng1 TANG Li-song1 LI Yan-yan1 ZHANG Jing-mi1 HAO Qing-long2

（1.Department of Mechanicl Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde Hebei 067000， China；

2.Industrial Technology Center， Chengde Petroleum College， Chengde Hebei 067000， China）

【Abstract】Deep cryogenic treatment is a promising technology on material processing. It can improve the service life of materials， and the cost is lower. Deep cryogenic treatment is a green manufacturing technology which meet the development trend of modern manufacturing industry. This paper reviews the mechanism and research status of deep cryogenic treatment and briefly annlysises the application of deep cryogenic treatment in one mining machine manufacturing companyof northwest. The implementation of Deep cryogenic treatment in the mining machine manfacturing field is also prospected in this paper）

【Key words】Liquid nitrogen； Deep cryogenic treatment； Wear resistance

0 前言

随着机械制造业的不断发展，各种数控机床及加工中心层出不穷，使生产效率大为提高，与此同时制造行业对工、模具的需求及性能要求也越来越高。如何提高工、模具的使用寿命，降低生产成本成为诸多研究者研究的重要课题。大量研究发现，深冷处理不仅可以显著提高材料的力学性能及使用寿命，稳定零部件尺寸、减少变形，而且操作简单，不用破坏工件，无污染、成本低，具有客观的经济效益和市场前景，是一种挖掘材料潜能的绿色制造技术[1]。

所谓深冷处理，又称“超低温处理”，是指在以液氮为制冷剂、在

-130℃以下的环境中对材料进行冷处理，从而达到对材料改性的目的，是常规冷处理的一种延伸[2]。早在100多年以前，深冷处理技术就得以应用，如瑞士钟表商将钟表中的一些关键零件埋在寒冷的阿尔卑斯雪山中，以提高其强度、耐磨性、尺寸稳定性及使用寿命。20世纪80年代，该技术传入我国，逐渐在工、模具制造方面上进行了广泛研究和应用，并取得一定的进展。近年来，随着仪器设备的进步和深冷处理技术理论及应用技术的不断革新，其应用范围也逐步从黑色金属扩大到有色金属（铝合金、铜合金等）及复合材料等方面[3]。但我国现有的深冷处理技术还不够成熟，尚属一门年轻学科，需要对其进行深入研究，以实现该技术在工业上的大规模应用。

1 深冷处理机理

关于深冷处理的机理问题，国内外科研工作者进行了广泛而深入的研究，但许多方面仍处于研究初期。相对来说有关黑色金属（钢铁），其深冷机理较为清楚，且已基本达成共识，主要观点如下[4]：

1.1 从马氏体中析出超细碳化物，从而达到弥散强化的效果

这一观点已得到了几乎所有实验研究的证实，主要原因为马氏体经-196℃深冷，由于（由于去掉）体积收缩，Fe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，但由于低温的扩散更为困难，扩散距离更短，于是在马氏体基体上析出了大量弥散的超微细碳化物。

1.2 残余奥氏体的改变

低温下（即Mf点以下）残余奥氏体发生分解，转变为马氏体，提高了工件的硬度和强度。有些学者认为深冷处理可完全消除残余奥氏体；也有学者认为深冷只能降低残余奥氏体的数量，但不能完全消除；还有人认为深冷改变了残余奥氏体的形状、分布和亚结构，从而提高了钢的强韧性。

1.3 组织细化

组织细化使工件的强韧性得到提高，这主要指原来粗大的马氏体板条发生了碎化，组织变得更均匀、更致密、更细化。有些学者认为这是马氏体点阵常数发生了变化，也有学者认为是马氏体分解析出细微碳化物时造成了组织细化。

1.4 表面产生残余压应力

冷却过程可能引起缺陷（微孔、内应力集中部位）的塑性流变。复温过程在空位表面产生残余压应力，这种应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损害，最终表现为磨料磨损抗力的提高。

1.5 深冷处理部分转移了金属原子的动能

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。深冷处理部分转移了原子间的动能，从而使原子结合的更紧密，提高了金属的性能。

2 工、模具深冷处理研究现状

目前深冷处理在改善金属力学性能，提高耐磨性以及延长零部件使用寿命、增加材料稳定性方面已经得到了人们认可，是一种比较实用且具有广阔市场前景的技术，尤其在工、模具生产制造上得到了较为广泛的应用。

冯铭瑶[5]等对比了深冷处理工艺和常规热处理工艺对冷作模具钢9SiCr钢冲模性能的影响。研究表明工件在回火后深冷处理，硬度略高于常规处理，而冲击韧性值比常规处理高两倍，对防止冲模脆性断裂有利，与其它强韧性处理法相比，该方法操作简单，成本低、无污染，值得推广。

于瑞媛[6]等采用正交试验方法研究了冷作模具钢Cr12钢的深冷处理工艺。试验结果表明深冷处理过程中，残留奥氏体进一步向马氏体转变，并在马氏体基体上析出微细碳化物，提高了材料的硬度和耐磨性。深冷后，Cr12钢材料的微观组织明显致密化、微细化和均匀化，与文献[7]所得出的结论类似。

刘勇[8]等研究了深冷处理对冷作模具钢Cr12MoV钢力学性能的影响。研究表明：深冷处理可以明显提高Cr12MoV钢的硬度，最高增量达到228HV0.2，并且可减少Cr12MoV钢的残留奥氏体并提高其耐磨性，工件残留奥氏体量由未冷处理的34.36%降至2.58%，降幅达92.5%；而且耐磨性提高显著，磨损失重率下降37.1%。

刘劲松[9]研究了深冷处理对高速钢模具的影响，结果表明对高速钢采用-196℃液氮深冷处理可使组织发生明显变化，有效促使残留奥氏体向马氏体转变及超细碳化物的析出，使模具获得较佳的综合力学性能。深冷处理后高速钢模具的使用寿命较常规热处理提高3倍以上，具有十分重要的使用价值。

钱志强[10]等对常规热处理后的部分高合金模具钢和钢结硬质合金的冷挤压模具进行深冷处理。结果表明，模具的硬度略微变化而红硬性和耐磨性增加，大大提高冷挤压模具的使用寿命，材料强化的原因主要是残余奥氏体转变、超微细碳化物析出及表面粗糙度和摩擦性的改善。

阎红娟[11]采用正交试验法对YT15硬质合金车刀刀片深冷处理工艺进行了研究，分析了不同工艺参数对刀具性能的影响。结果表明，深冷温度对刀片性能影响最大，其次是冷却速度，再次是回火温度。深冷处理促使硬质合金的粘结相Co发生了多型性马氏体转变，从而提高了刀具的硬度和耐磨性。

刘亚俊[12]研究了深冷处理显著提高YW1硬质合金车刀片耐磨损性能的内在机理，研究表明YW1硬质合金中的粘结相Co发生完全的多型性马氏体转变是刀片耐磨损性能提高的主要原因。

杨永雷[13]通过微机控制的刀具深冷处理装置对高速钢W9Mo3Cr4V， W6Mo5Cr4V2和W4Mo3Cr4Vsi钻头的影响进行了研究。结果表明，经过深冷处理后，W9Mo3Cr4V钻头硬度增加量为0.4-1.5HRC，W6Mo5Cr4V2钻头硬度增加量为1.4HRC，W4Mo3Cr4VSi钻头硬度增加量为1.2-1.5HRC，一定程度上提高刀具材料的硬度。通过改变刀具材料的微观组织结构，深冷处理降低了刀具的表面粗糙度，从而增强刀具材料的耐磨损性能。

李新民[14]等研究了深冷处理对硬质合金YT15刀具材料的影响规律。结果表明：深冷处理明显改变了硬质合金YT15刀具材料的微观组织结构，提高了硬质合金YT15刀具材料的耐磨损性，很大程度上提高刀具材料的硬度。

3 深冷处理在某公司的应用前景

作为机械制造企业，近年来，西北某煤炭机械制造公司紧紧围绕产能、质量、效率、成本4个方面进行产业建设，尤其是在成本建设方面，公司倡导开源节流、降本增效，大力推进精益化管理工作。

经过深冷处理的工具或模具，其强度、硬度得到增加，韧性改善，同时内应力得以消除，耐磨性成倍地提高。其经济效益已不仅仅停留在可以减少工具或模具的损耗，延长使用寿命方面，更可以提高工作效率，减少修、换工时，降低保养时间和费用，减少库存和废件数量。本文采用深冷处理技术对公司数控卧式双面铣镗床TPX6513使用的M12HSS丝锥和钻头进行了处理，耐磨性显著增加，使用寿命提高了近1.6倍；对落地镗铣床TPX6913使用的YT15铣刀片进行深冷处理后，相对于未深冷处理的刀片，其硬度提高了HRA0.8～HRA1.1，后刀面磨损现象得到明显改善，大大延长了其使用寿命。

目前，该公司每年就刀具、模具消耗费用高达近百万元，成本较高，而深冷处理无疑是一种“降本减耗、挖潜增效”的好办法。深冷处理的推广应用不仅可得到较好的经济效益，并且推动了公司向着高效、高质、低耗、绿色的机械制造业前进。

4 结论

深冷处理是一种极具前景的材料处理新工艺，在航空、航天、铁路、军工、工模具制造业已经开始了广泛的使用，逐渐成为一种常规的处理程序。煤机产品长期以来一直以“大粗笨”的形象出现在人们心中，往往只重视结构设计而忽略材料内在性能的挖潜[15]。通过把深冷处理技术引入煤机制造领域，对一些主要部件或寿命要求较高的部件，如胀套、联轴器半体、逆止器内外圈等，在现有材料和工艺的基础上，增加一个简单的深冷处理程序，不仅能够用较低的成本换取高性能和长寿命，而且能够对未来的煤机制造业产生巨大的经济效益。

【参考文献】

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[11]阎红娟，徐宏海，罗学科.YT15硬质合金刀片深冷处理工艺实验研究[J].制造技术与机床，2010，06：113-115.

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[13]杨永雷.基于深冷处理的钻头磨损规律及其寿命研究[D].北方工业大学，2008.

[14]李新民，徐宏海，闫红娟，刘东.深冷处理对硬质合金刀具耐磨性影响的研究[J].机械工程与自动化，2010，06：100-101.

[15]韩斌慧.浅析深冷处理技术在煤机制造中的应用探讨[J].装备制造技术，2008，02：119-120.

[责任编辑：王楠]