一種提高尺寸穩(wěn)定性的新工藝——深冷處理

張紅，顧開選，郭嘉，崔晨，王俊杰

材料尺寸穩(wěn)定性是指材料在受力、熱、磁或其他外界條件作用下，其形狀、尺寸不發(fā)生變化的性能。目前在精密加工領(lǐng)域，某些經(jīng)過熱處理后的關(guān)鍵零部件在機械加工后工件尺寸精度發(fā)生變化，不能滿足技術(shù)要求；或經(jīng)機械加工后放置一定時間，裝配時發(fā)現(xiàn)尺寸超差從而影響裝配等，給生產(chǎn)帶來一定的影響，諸如合金鋼、模具鋼、鋁合金等結(jié)構(gòu)件普遍存在此現(xiàn)象。提高材料尺寸穩(wěn)定性處理的方法一般有機械法（包括拉伸或壓縮法、振動時效法和脈動法）、熱處理法（包括恒溫時效法、熱時效法、反淬火法、形變熱處理法等）以及磁場處理法等，各種方法的效果不盡相同。

深冷處理是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種材料處理新技術(shù)，它是傳統(tǒng)熱處理的補充。一般把材料經(jīng)過常規(guī)熱處理后進一步冷卻到攝氏零度以下某一溫度（通常為0～-100℃）的處理方法稱為普通冷處理；而把低于-100℃以下（通常為-100～-196℃）的冷處理叫做深冷處理。本文對GCr15、38CrMoAl鋼、鋁合金2A11以及球墨鑄鐵材料的深冷處理尺寸穩(wěn)定化效果進行試驗研究，并對其機理進行分析。

圖1 鋼鐵材料深冷后尺寸穩(wěn)定性隨時間變化

1. 深冷處理提高尺寸穩(wěn)定性研究

（1）試驗方法 早在50年代后半期在國外就開始應(yīng)用深冷處理與熱處理相結(jié)合的方法來改善金屬材料及構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性，并取得了良好的效果。尺寸穩(wěn)定性的評價目前大多采用測量棒狀試樣尺寸隨時間變化的評價方法，該法可以直觀地反映材料的尺寸穩(wěn)定性，但其評定指標(biāo)為μm/m·a，測試周期較長，不適用于實驗室的直觀檢測。本文采用圓環(huán)開口法檢測不同材料不同工藝處理后的開口尺寸變化率，以此來評價材料的尺寸穩(wěn)定性。

深冷處理工藝采用自行研制的SLX程序控制深冷箱處理。

（2）提高鋼鐵材料的尺寸穩(wěn)定性 GCr15、38CrMoAl是機床軸類零件常用材料，在實際使用過程中變形嚴(yán)重，從而影響機床的加工精度。

將上述材料分別進行不同的熱處理及深冷處理工藝后，圓環(huán)開口試樣的尺寸變化率及隨時間的變化結(jié)果如圖1所示。由圖可以看出，GCr15鋼經(jīng)過普通熱處理后的圓環(huán)開口尺寸變化率較大，隨著試樣放置時間的延長，開口尺寸的變化率也在不斷變化，大約在4個月后趨于穩(wěn)定。增加深冷處理工藝后，鋼的尺寸變化率明顯降低，尺寸變化率大約在1個月后保持穩(wěn)定，不再隨時間改變。38CrMoAl鋼增加深冷處理工藝后，鋼的尺寸變化率明顯減小，尺寸波動較為穩(wěn)定，尺寸穩(wěn)定性提高。

（3）提高鋁合金的尺寸穩(wěn)定性 鋁合金應(yīng)用較為廣泛，對其結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性要求較高，尤其是對于一些大型結(jié)構(gòu)件或薄壁零件來說，其加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定，難以達(dá)到設(shè)計要求。

對鋁合金2A11進行了深冷處理的工藝對比，圓環(huán)開口尺寸變化率的結(jié)果如圖2所示?？梢?，通過增加深冷處理工藝后，鋁合金的尺寸變化率由未深冷的6.2%降低到深冷后的4.3%。隨著深冷處理技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金的深冷處理尺寸穩(wěn)定化已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。

（4）提高鑄鐵材料的尺寸穩(wěn)定性 在小型制冷活塞式壓縮機中，關(guān)鍵部件曲軸連桿的尺寸穩(wěn)定性對壓縮機的使用性能具有重要的意義。由圖3可知，對曲軸鑄鐵材料進行深冷處理，深冷處理后尺寸變化量明顯減小，同時深冷處理后尺寸的變化波動較為穩(wěn)定，因此深冷處理有效改善了曲軸鑄鐵材料的尺寸穩(wěn)定性。

2. 深冷處理提高材料尺寸穩(wěn)定性的機理分析

（1）促使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 鋼鐵材料經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，在較低溫度下發(fā)生無擴散型的馬氏體相變。淬火過程中由于已經(jīng)轉(zhuǎn)變的奧氏體對未轉(zhuǎn)變的奧氏體所產(chǎn)生的應(yīng)力，抑制了其進一步轉(zhuǎn)變，成為殘留奧氏體。在以后的存放和工作過程中，殘留奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體，由于兩者比體積差別，會造成工件的形狀及尺寸變化，表現(xiàn)為不穩(wěn)定性。若殘留奧氏體含量過大，將會直接影響回火處理的質(zhì)量，達(dá)不到工件所要求的性能。通過深冷處理進一步降低溫度能夠使得殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高材料或工件的尺寸穩(wěn)定性。

（2）降低材料殘余應(yīng)力 材料內(nèi)部殘余應(yīng)力在使用過程中的緩慢釋放是造成結(jié)構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定的因素之一，而對于結(jié)構(gòu)件來說，其在熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、機加工過程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力都會成為殘留在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。深冷處理一方面通過材料內(nèi)部不同的相在低溫下的收縮不一致，從而導(dǎo)致微觀形成內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)微觀內(nèi)應(yīng)力達(dá)到微觀屈服強度時發(fā)生微塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放；另一方面，深冷處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和材料內(nèi)部原有的殘余應(yīng)力相互作用使得材料內(nèi)部殘余應(yīng)力降低，從而提高材料及結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性。對于鋁合金來說，其不存在殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變，因此，降低材料殘余應(yīng)力是其主要的機理。

3. 結(jié)語

本文介紹了幾種不同類型材料的深冷處理尺寸穩(wěn)定化效果，同時，對深冷處理機理進行了分析。深冷處理能夠有效改善GCr15、38CrMoAl的尺寸穩(wěn)定性，同時還能有效改善鋁合金和鑄鐵的尺寸穩(wěn)定性，并得到了一定的應(yīng)用。深冷處理改善材料尺寸穩(wěn)定性的機理主要是殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力的釋放兩個方面。

圖2 鋁合金深冷后的尺寸穩(wěn)定性變化

圖 3