鐘 強(qiáng)，李秀蘭，何 偉，唐澤洪，胡 瑤

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000)

冷作模具鋼是主要用于制造需要金屬在冷變形狀態(tài)下進(jìn)行變形(冷沖、冷拉、冷鐓、拉伸、拉絲、沖裁等)的模具[1]。其工作的實(shí)際溫度一般低于300 ℃，模具受到的主要作用力包括拉伸、壓縮、沖擊、摩擦等，因此要求冷作模具鋼具有高的硬度、耐磨性、淬透性、淬硬性等，同時(shí)還必須具有較好的韌性，以防止崩壞，延長(zhǎng)使用壽命。為滿(mǎn)足工況要求，冷作模具鋼多為高碳高合金鋼。不過(guò)因含碳量較高，鋼的組織大部分為萊氏體或珠光體，易引起材料的脆性失效，因此常采用等溫淬火、油淬回火和深冷處理等方法提高模具鋼的沖擊韌性。其中深冷處理是提高其綜合性能的方法之一，本文主要綜述深冷處理技術(shù)在冷作模具鋼中的應(yīng)用和發(fā)展，總結(jié)深冷處理的作用機(jī)理，并展望我國(guó)深冷處理技術(shù)的應(yīng)用前景。

1 冷作模具鋼深冷處理方法

目前深冷處理技術(shù)在冷作模具鋼方面的研究，主要有兩種方法[2]：液體法和氣體法。液體法是將工件直接放在液氮之中，冷卻速率和升溫速率不可控，但是設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，所需要的處理時(shí)間短，比較靈活，適合中小企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)使用。但液體法深冷處理目前還存在較大爭(zhēng)議：在液氮當(dāng)中直接放入工件，因?yàn)槔鋮s速率不可控制，工件容易受到特別大的熱應(yīng)力沖擊，導(dǎo)致工件開(kāi)裂。不過(guò)也有人認(rèn)為：將工件放在液氮中工件會(huì)迅速形成一層蒸汽膜，起到隔熱作用，深冷不會(huì)產(chǎn)生裂紋，在深冷處理過(guò)程中處理不當(dāng)則產(chǎn)生裂紋。多數(shù)研究認(rèn)為：深冷處理后的材料擁有優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合度[4-6]。深冷處理的另一種方法為氣體法[3]，也稱(chēng)為緩冷法，使用低溫氮?dú)鈦?lái)制冷，通過(guò)氣體法深冷處理設(shè)備可以控制冷卻速率、升溫速率等參數(shù)，所以產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小，不會(huì)導(dǎo)致工件開(kāi)裂。到目前為止，氣體法深冷處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，氣體法深冷處理設(shè)備也已相當(dāng)成熟，并且已經(jīng)可以進(jìn)行大批量生產(chǎn)，目前國(guó)內(nèi)中科院理化所和一些高科技企業(yè)在深冷處理設(shè)備制作和深冷處理技術(shù)運(yùn)用上較突出。

2 模具鋼深冷處理的原理及特點(diǎn)

2.1 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體

因模具鋼中的合金含量較高，導(dǎo)致淬火冷卻至室溫后有大量的殘余奧氏體存在。殘留的奧氏體在室溫下處于非平衡態(tài)，其Mf點(diǎn)在室溫以下，在深冷處理過(guò)程中隨著溫度的降低導(dǎo)致殘余奧氏體持續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，從而使工件的硬度和強(qiáng)度得到提高。Barron等[7]對(duì)模具鋼進(jìn)行了深冷處理的研究，認(rèn)為殘余奧氏體經(jīng)過(guò)深冷處理后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但剛轉(zhuǎn)變的馬氏體硬而脆，他們將此階段的馬氏體稱(chēng)為未回火馬氏體。深冷處理經(jīng)再回火后，能得到回火馬氏體，從而可以從整體上提高模具的強(qiáng)度。Podgornik等[8]對(duì)冷作工具鋼進(jìn)行深冷處理后，他們發(fā)現(xiàn)由于馬氏體的形成伴隨著塑性變形，所以在保持高硬度的同時(shí)，可以顯著提高冷作工具鋼的斷裂韌性。Yang等[9]研究了深冷處理對(duì)Cr13Mn2V2鋼中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變方向的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)深冷處理以后馬氏體的含量從59.3%增加到65.2%，證明深冷處理促進(jìn)了殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，并指出殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變是Cr13Mn2V2鋼耐磨性提高的主要原因。

2.2 馬氏體中析出超細(xì)碳化物

深冷處理使鐵的晶格常數(shù)發(fā)生緊縮，可以增大碳原子析出的驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)由于殘存奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使得組織的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加，這就促成了碳化物的析出，形成以超細(xì)碳化物為基的第二相。這些超細(xì)碳化物一般都是均勻彌散分布在馬氏體基體上，對(duì)晶界的脆化有一定的減弱作用，起到降低晶界上雜質(zhì)偏聚的效果，從而強(qiáng)化晶界，提高模具的力學(xué)性能。李紹宏等[10-11]認(rèn)為殘存奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是由于低溫下晶格收縮引起的，低溫造成微觀產(chǎn)生大量缺陷，并導(dǎo)致馬氏體中的超細(xì)碳化物析出，在超細(xì)碳化物粒子和更密集的晶格作用下，分子結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，使材料內(nèi)部微小的缺陷反而大大減少。這些析出的超細(xì)碳化物晶體是材料強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和耐磨性提高的原因。安麗麗等[12]對(duì)Cr12MoV模具鋼進(jìn)行深冷處理后，發(fā)現(xiàn)不僅耐磨性和強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)韌性也提高了。研究認(rèn)為深冷處理之后馬氏體孿晶析出納米級(jí)細(xì)小碳化物，降低了馬氏體晶格畸變能。李麗東[13]對(duì)Cr8Mo2SiV鋼進(jìn)行深冷處理后，發(fā)現(xiàn)殘余奧體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時(shí)馬氏體周?chē)龀鰪浬⒌?、且跟基體保持共格關(guān)系的超微小碳化物，這些細(xì)小彌散物造成馬氏體的晶格畸變減少，微觀應(yīng)力減小，它在材料塑性變形時(shí)還可以阻攔位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)化基體組織的作用。

2.3 組織細(xì)化

深冷處理會(huì)導(dǎo)致超微細(xì)碳化物核心的形成和馬氏體的微分解，使馬氏體針片和針片內(nèi)的亞單元細(xì)化。經(jīng)過(guò)多次的深冷處理后，因?yàn)闇囟炔粩嗟胤磸?fù)變化讓淬火馬氏體中的碳原子偏聚不斷發(fā)生，使馬氏體亞單元和針片都得到了細(xì)化，讓模具的整體性能都得到了提高。李鋼等[14]對(duì)LD1鋼進(jìn)行深冷處理研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理后LD1鋼的硬度和多沖疲勞壽命得到提高，原因是深冷處理后塊狀的殘余奧氏體被馬氏體進(jìn)一步分割而細(xì)化，且在馬氏體的邊沿成薄膜狀分布，使得馬氏體邊沿的應(yīng)力集中減小，材料的使用壽命提高。于瑞媛[15]發(fā)現(xiàn)Cr12模具鋼在經(jīng)深冷處理后，組織得以細(xì)化，馬氏體增多，微小的碳化物顆粒在基休組織中均勻析出，提高了材料耐磨性和硬度。

2.4 表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力

深冷處理以后經(jīng)過(guò)回火處理，空位表面會(huì)產(chǎn)生殘存應(yīng)力，在一定程度上可以降低材料的局部缺陷，宏觀表現(xiàn)是材料的耐磨性提高。呂雁文等[16]將高速鋼經(jīng)深冷處理后，材料表面的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，提高了材料的抗拉疲勞強(qiáng)度和使用壽命。韓曉君等[17]對(duì)高速鋼進(jìn)行深冷處理研究后發(fā)現(xiàn)，深冷處理后產(chǎn)生的殘存壓應(yīng)力和原有的熱殘存應(yīng)力方向相反，二者可相互抵消，從而提高高速鋼性能。歐陽(yáng)求保等[18]對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行深冷處理后再放置到室溫，發(fā)現(xiàn)材料的殘存應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)都會(huì)降低，并且殘存應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)會(huì)隨著深冷處理的次數(shù)增多而相應(yīng)減小，說(shuō)明了復(fù)合材料的殘余應(yīng)力能經(jīng)過(guò)深冷處理有效降低，并且經(jīng)過(guò)多次深冷處理的效果好于一次深冷處理的效果。

2.5 原子動(dòng)能的轉(zhuǎn)移

模具鋼經(jīng)過(guò)深冷處理后導(dǎo)致部分原子間動(dòng)能的轉(zhuǎn)移，原子間的結(jié)合更加緊湊，從而提高了材料的韌性和強(qiáng)度。徐晉勇[19]發(fā)現(xiàn)淬火馬氏體經(jīng)過(guò)深冷處理后，馬氏體晶格常數(shù)發(fā)生改變，使分解驅(qū)動(dòng)力增大，但是在溫度比較低時(shí)，合金元素和碳原子的擴(kuò)散都很難，原子轉(zhuǎn)移的動(dòng)能不足，但在深冷處理之后經(jīng)低溫回火可增長(zhǎng)原子擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力，被滲入的合金元素和過(guò)飽和碳原子會(huì)在馬氏體基體上析出納米級(jí)碳化物，提高了材料的耐磨性和硬度。

3 深冷處理后模具鋼的應(yīng)用

對(duì)于深冷處理，我國(guó)的研究單位進(jìn)行了大量研究，得到了較多的科研成果。特別是以高校為首的科研機(jī)構(gòu)，部分研究成果已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，有些工廠(chǎng)運(yùn)用了這項(xiàng)技術(shù)，如南京依維河公司齒輪箱廠(chǎng)、大同齒輪廠(chǎng)等。我國(guó)自主研發(fā)的不銹鋼器皿拉伸模經(jīng)過(guò)-196 ℃深冷處理后，再經(jīng)氣體氮碳共滲處理，使用壽命比常規(guī)熱處理模具提高10倍以上。佟曉輝等[20]對(duì)Cr12MoV鋼和Cr12鋼進(jìn)行深冷處理研究后發(fā)現(xiàn)，在高硬度的情況下，由Cr12鋼制作的電機(jī)轉(zhuǎn)子硅鋼片冷沖模的使用壽命可延長(zhǎng)3倍以上，Cr12MoV鋼制作的六角螺帽(M16)冷鐓模使用壽命可延長(zhǎng)10倍以上。還有實(shí)例表明[21]，汽車(chē)廠(chǎng)廣泛使用的高速鋼凸模，經(jīng)過(guò)深冷處理后的使用次數(shù)比未處理的最高可提高6倍。對(duì)于硅鋼片的冷沖模，結(jié)合深冷處理工藝和中溫回火，模具的刃口使用壽命能提高3倍以上，抗破壞性和其它綜合性能得到改善。

4 結(jié)論與展望

目前深冷處理的作用機(jī)理在學(xué)術(shù)界尚未能達(dá)到統(tǒng)一，但冷作模具鋼經(jīng)過(guò)深冷處理后殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和馬氏體中超細(xì)碳化物的析出已經(jīng)通過(guò)現(xiàn)代顯微技術(shù)得到證明。但深冷處理在模具鋼的應(yīng)用方面還是有很多值得探討的問(wèn)題，比如：原子動(dòng)能的轉(zhuǎn)移機(jī)理、表面殘余壓應(yīng)力變化、計(jì)算機(jī)模擬仿真、深冷的晶格變化等問(wèn)題都沒(méi)有進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究。圍繞這些問(wèn)題，我國(guó)應(yīng)該加大深冷處理對(duì)冷作模具鋼性能影響規(guī)律的探索，爭(zhēng)取形成具有我國(guó)核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)體系，打破國(guó)外的技術(shù)封鎖。