景轉(zhuǎn)珍 劉翠榮 吳志生 賈月靜

(太原科技大學，山西030024)

深冷處理又稱超低溫處理，是指以液氮為制冷劑，在-130℃以下對材料進行處理而達到給材料改性的一種新方法，它是常規(guī)冷處理的一種延伸。深冷處理于1939年由蘇聯(lián)科學家提出，20世紀60年代后期，美國學者發(fā)現(xiàn)深冷處理工藝在工具材料及其它工業(yè)領域中具有重大的應用價值。經(jīng)深冷處理的模具鋼與未經(jīng)深冷處理的模具鋼相比，雖然硬度增加有限，但工件的抗磨損能力卻顯著提高，耐磨性比原來提高了2.0～6.6 倍，且經(jīng)-190℃深冷處理的模具鋼工件的耐磨性是經(jīng)-84℃ 冷處理的2.6倍。20世紀70年代，隨著低溫絕熱技術(shù)的發(fā)展和液氮的廣泛應用以及發(fā)現(xiàn)了越來越多的關于深冷處理對刀具和其它零部件等帶來的益處，全世界對深冷處理技術(shù)的研究和應用更加深入。目前，深冷處理不僅用于高速鋼、軸承鋼、工模具鋼的處理，以提高材料的耐磨性和韌性[1～3]；同時深冷處理還用于對鋁合金、銅合金、硬質(zhì)合金、塑料和玻璃等材料進行改性，以改善材料的均勻性和提高尺寸穩(wěn)定性，減少變形和提高其使用壽命等[4～6]。表1、2為部分常用模具材料、高速鋼經(jīng)深冷處理后耐磨性變化和性能變化實例[7～8]。可以看出，深冷處理對于不同材料的零部件和工具產(chǎn)生了不同的效果。零部件和工具的使用壽命顯著提高。

表1 模具深冷處理前后的壽命變化Table 1 The lifetime change of moulds before and after deep cryogenic treatment

表2 高速鋼刀具深冷前后的對比情況Table 2 The lifetime change of high speed steel cutter before and after deep cryogenic treatment

1 深冷處理工藝

深冷處理一般采用液氮作為制冷劑，它不僅制冷溫度低(可達-196℃)，而且經(jīng)濟方便，對環(huán)境無污染。以液氮為制冷劑進行深冷處理可分為兩種方式。一種是液體法，即液氮浸泡式制冷。它是將工件直接放入裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度，并在此溫度下保溫一定時間，最后回復至室溫完成深冷處理。采用液氮直接深冷的處理工藝，由于液氮直接與被處理工件接觸，降溫速率很快，會導致熱應力過大，產(chǎn)生熱沖擊作用，容易對工件材料造成組織損害，甚至對某些材料產(chǎn)生低溫快冷脆斷現(xiàn)象，而且工件在降溫過程中降溫速率難以控制，影響工藝的可控性。另一種方法是氣體法，即利用液氮的汽化潛熱或低溫氮氣制冷。氮氣經(jīng)噴管噴出后在深冷箱中汽化，利用汽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(xiàn)對深冷處理溫度的調(diào)整，精確控制，且無熱沖擊作用，在研究中被廣泛采用。

目前， 國內(nèi)外對黑色金屬的深冷處理工藝一般采用兩種方法。一種是深冷-急熱法，即深冷后快速升溫的處理工藝；另一種為冷-熱循環(huán)處理法。兩種方法均可以降低材料的內(nèi)應力，提高尺寸穩(wěn)定性，減少加工變形，提高強度和韌性，改善力學性能。但兩種方法相比較而言，后者較前者的處理效果好一些。其中，深冷-急熱法降低殘余應力的主要原因是在深冷處理過程中殘余應力的相互抵消。而材料原有的殘余應力和在深冷處理過程中產(chǎn)生的應力一般不會相等，因此深冷-急熱法處理效果相對較差，而且在深冷-急熱處理過程中的急速加熱將產(chǎn)生較大的應力，可能會使材料的局部組織受損，導致工件的變形和撓曲。冷-熱循環(huán)法降低應力的主要原因是材料發(fā)生塑性變形釋放了一部分彈性應變。每次冷-熱循環(huán)均會產(chǎn)生變形從而使材料原有的殘余應力降低，經(jīng)多次冷-熱循環(huán)處理，殘余應力消除比較徹底，材料力學性能可得到較大改善。

深冷處理的主要優(yōu)點是可以增強材料的抗磨性、強度、韌性和抗沖擊性，提高材料的抗腐蝕性和抗疲勞強度；經(jīng)過一次深冷處理可以保證被處理材料始終具有被提高的力學性能；不引起外形尺寸變形；可以消除內(nèi)應力；提高材料穩(wěn)定性；處理成本低廉，可以取得與其他表面處理相同的結(jié)果(如鍍鈦、鉻、泰弗龍)；可以產(chǎn)生更加緊密的分子結(jié)構(gòu)，從而在較大的接觸面上降低摩擦力、發(fā)熱和磨損。

2 金屬焊接接頭的性能

焊接是一種重要的材料加工方法，焊接結(jié)構(gòu)不受外形尺寸限制，可以方便地拼成尺寸很大的工程結(jié)構(gòu)。接頭工作效能較高，具有設計簡單、制作周期短、經(jīng)濟效益好等一系列優(yōu)點[9～11]，已經(jīng)被廣泛地應用于化工、能源、橋梁、造船、動力及航空等工業(yè)生產(chǎn)中。然而由于實際焊接工藝的特殊性和焊接區(qū)冶金反應的復雜性，焊接區(qū)易于產(chǎn)生微裂紋、微氣孔、偏析、非金屬夾雜等焊接缺陷。焊接加工的特點為加熱溫度高，加熱速度快，高溫停留時間短，自然條件下冷卻，冷卻速度也非?？?，因此，凡是與擴散有關的過程都很難充分進行。焊接加熱的另一特點是溫度場分布極不均勻，緊靠焊縫的高溫區(qū)內(nèi)接近于熔點，遠離焊縫的低溫區(qū)內(nèi)接近于室溫。而且，峰值溫度越高的部位，加熱速度愈快，冷卻速度愈大。因此焊接過程中，在形成焊縫的同時不可避免的使其附近的母材經(jīng)受了一次特殊的熱處理，形成了一個組織和性能極不均勻的焊接熱影響區(qū)，使一些部位的組織和性能變的很壞，從而就決定了焊接接頭的組織與性能的不均勻性。例如熔合區(qū)中存在重結(jié)晶以及晶粒的長大，化學成分與組織極不均勻，冷卻后的組織為過熱組織，使該區(qū)塑性和韌性下降，性能惡化，成為焊接接頭中的薄弱地帶。此外焊接接頭還存在應力集中、殘余應力，同時由于焊縫區(qū)的最終組織為鑄態(tài)組織，易形成氣孔、縮松等焊接缺陷，致使焊接接頭強度大大降低，影響了結(jié)構(gòu)的完整性，容易引起結(jié)構(gòu)失效，常常造成巨大的經(jīng)濟損失。例如，焊接接頭疲勞強度一般低于母材，止裂性能差，裂紋擴展很容易穿過焊縫，從而導致災難性的后果。另據(jù)資料統(tǒng)計，金屬結(jié)構(gòu)由于疲勞而失效約占80%～90%，其中約70%～80%是由焊接件的疲勞失效造成的[12]。表3為焊接接頭的力學性能測試實例。

表3 焊接接頭的力學性能測試實例Table 3 The testing example of mechanical property of welded joint

3 深冷處理改善焊接接頭性能的研究現(xiàn)狀

目前，深冷處理作為最新的材料強韌化處理工藝之一，隨著對它的研究日益成熟，應用也日益廣泛。許多學者依據(jù)深冷處理對金屬作用機理的研究，并針對焊接構(gòu)件中普遍存在的焊接接頭軟化問題，開始研究采用深冷處理技術(shù)來改善焊接接頭的力學性能。

宋時蘭等[13]對圓環(huán)鏈進行連續(xù)閃光對焊焊接，焊后采用了兩種熱處理工藝來進行比較，一種是常規(guī)熱處理工藝，一種是深冷處理工藝(即相同的常規(guī)熱處理后進行了深冷處理)。隨后對焊接接頭進行了沖擊試驗，并分別用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織及微觀斷口形貌。試驗結(jié)果表明經(jīng)深冷處理后，焊縫沖擊韌性比常規(guī)熱處理工藝提高28.39%。深冷處理不僅使焊縫沖擊韌性提高，而且使焊縫與母材的差別減小。通過對微觀組織及斷口形貌觀察與分析，表明深冷處理可使焊縫的組織細化，使焊縫區(qū)的綜合性能提高，從而使圓環(huán)鏈的壽命大大提高。

吳志生等[14]對5A06鋁合金MIG焊焊接接頭做了深冷處理試驗，之后進行了拉伸試驗和金相組織觀察。研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理后，5A06鋁合金焊接接頭抗拉強度提高，其中深冷4 h抗拉強度提高幅度最高。與未深冷處理的焊接接頭相比，抗拉強度提高了15.25%。從微觀組織來看，深冷處理后焊縫區(qū)晶粒得到細化，第二相在基體中彌散析出，強韌性提高，接頭的力學性能得到改善。

吳劍謙等[15]對400 MPa超細晶粒鋼手工電弧焊焊接接頭進行了深冷處理試驗，之后進行了焊接接頭性能檢測。結(jié)果表明，焊接接頭強度和韌性均有所提高，但效果不明顯。究其原因為試驗用材料為400 MPa超級鋼，它是在Q235鋼基礎上通過控制軋制工藝使其晶粒極度細化而獲得的，材料中碳含量及合金含量都很少，原始組織主要為鐵素體和珠光體，深冷處理過程中不會發(fā)生明顯的組織轉(zhuǎn)變和超微細碳化物的析出，因此深冷處理過程不會造成接頭性能的明顯提高。

趙洪運等[16]對400 MPa超級鋼等離子弧焊焊接接頭進行了深冷處理試驗。試驗結(jié)果表明，深冷處理后組織形態(tài)沒有明顯變化，焊接接頭經(jīng)深冷處理后硬度有一定的增加，但不是很明顯。這是因為400 MPa超級鋼碳含量和合金含量低，殘余奧氏體量小，故深冷處理硬化效果不明顯。強度有一定程度提高，但提高幅度不大，韌性有一定程度提高。深冷處理可以改善焊接接頭綜合性能。

4 結(jié)語

目前，對焊接接頭進行深冷處理的研究還處于初級階段，但現(xiàn)有的研究結(jié)果均表明，深冷處理可以改善焊接接頭的力學性能，是改善焊接件使用性能和使用壽命的一種重要措施。焊后深冷處理不僅可以消除或降低結(jié)構(gòu)的焊接殘余應力，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的尺寸，而且能改善焊接接頭的金相組織，提高焊接接頭的各項性能。因此，深入研究深冷處理改善金屬構(gòu)件焊接接頭力學性能的微觀機理及進一步確定合理的焊接接頭深冷處理工藝是我們一個重要的研究方向，并具有很好的應用前景和發(fā)展空間。

[1] Owaku S.Cryogenic treatment[J].Heating Treatment, (in Japanese)，1999，39(1)：12-13.

[2] Kamody D J.Using deep cryogenic to advanced[J].Materials and Processes，1999，6：H67-69.

[3] LI Wen-xian(黎文獻)，GONG Hao-ran(龔浩然)，BO Zhen-hai(柏振海)，et al. 金屬的深冷處理[J].Materials Review(材料導報), 2000, 14(3):16-18.

[4] LI Huan(李寰)，LI Jia-bao(李家寶), SUN Li-zhi(孫立志)，et al.低溫處理對SiCp/6061AI復合材料殘余應力的影響[J].Acta Metallurgica Sinica(金屬學報)，1996，32(12)：1279-1284.

[5] TANG Guang-ping(湯光平) and HUANG Wen-rong(黃文榮).循環(huán)熱處理對鋁合金性能和組織結(jié)構(gòu)的影響[J].Metal Heating Treatment(金屬熱處理)，1998(5)：36-38.

[6] CONG Ji-yuan(從吉遠).提高銅鉻觸頭電壽命的研究[J].Metal Heating Treatment(金屬熱處理)，1999(11)：27-29.

[7] 陳鼎，陳吉華，嚴紅革，等.深冷處理原理及其在工業(yè)上的應用[J].兵器材料科學與工程，2003，26(3)：68-72.

[8] 劉勁松.采用深冷處理提高高速鋼刀具使用壽命[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學院院報，2002，2 (3) ：35-38.

[9] 孟廣頡.賈安東.焊接結(jié)構(gòu)強度和斷裂[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[11] 焦馥杰.焊接結(jié)構(gòu)分析基礎[M].上?？茖W技術(shù)出版社.1991.

[12] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[13] 杜洪增.飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度與斷裂分析[M].中國民航出版社，1996.9

[14] 宋時蘭，李萬英.圓環(huán)鏈閃光對焊的深冷處理.佳木斯大學學報，2000，18(1)：22-24.

[15] 吳志生，靳鵬飛，等.深冷處理在金屬材料中的應用及研究進展[J].焊接技術(shù)，2010，39(1)：3-11.

[16] 趙洪運，張廣傳，吳劍謙，楊賢群，徐春華.400 MPa超細晶粒鋼焊接接頭的強化工藝研究[J].金屬熱處理，2008，33(10): 91-94.

[17] 趙洪運，韓飛，隋少華，賀文雄.400 MPa超級鋼等離子弧焊焊接接頭組織性能及深冷處理研究.熱加工工藝，2006，35(7)：9-11.