一種提高尺寸穩定性的新工藝——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、尺寸不發生變化的性能。目前在精密加工領域，某些經過熱處理后的關鍵零部件在機械加工后工件尺寸精度發生變化，不能滿足技術要求；或經機械加工后放置一定時間，裝配時發現尺寸超差從而影響裝配等，給生產帶來一定的影響，諸如合金鋼、模具鋼、鋁合金等結構件普遍存在此現象。提高材料尺寸穩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60年代發展起來的一種材料處理新技術，它是傳統熱處理的補充。一般把材料經過常規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定性隨時間變化

1. 深冷處理提高尺寸穩定性研究

（1）試驗方法 早在50年代后半期在國外就開始應用深冷處理與熱處理相結合的方法來改善金屬材料及構件的尺寸穩定性，并取得了良好的效果。尺寸穩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定性，但其評定指標為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，圓環開口試樣的尺寸變化率及隨時間的變化結果如圖1所示。由圖可以看出，GCr15鋼經過普通熱處理后的圓環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，尺寸波動較為穩定，尺寸穩定性提高。

（3）提高鋁合金的尺寸穩定性 鋁合金應用較為廣泛，對其結構件的尺寸穩定性要求較高，尤其是對于一些大型結構件或薄壁零件來說，其加工過程中產生的殘余應力使得結構件尺寸不穩定，難以達到設計要求。

對鋁合金2A11進行了深冷處理的工藝對比，圓環開口尺寸變化率的結果如圖2所示。可見，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%。隨著深冷處理技術的不斷發展，鋁合金的深冷處理尺寸穩定化已經得到了初步應用。

（4）提高鑄鐵材料的尺寸穩定性 在小型制冷活塞式壓縮機中，關鍵部件曲軸連桿的尺寸穩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定，因此深冷處理有效改善了曲軸鑄鐵材料的尺寸穩定性。

2. 深冷處理提高材料尺寸穩定性的機理分析

（1）促使殘留奧氏體轉變為馬氏體 鋼鐵材料經奧氏體化后快速冷卻，在較低溫度下發生無擴散型的馬氏體相變。淬火過程中由于已經轉變的奧氏體對未轉變的奧氏體所產生的應力，抑制了其進一步轉變，成為殘留奧氏體。在以后的存放和工作過程中，殘留奧氏體繼續轉變成馬氏體，由于兩者比體積差別，會造成工件的形狀及尺寸變化，表現為不穩定性。若殘留奧氏體含量過大，將會直接影響回火處理的質量，達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變為馬氏體，從而提高材料或工件的尺寸穩定性。

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

3. 結語

本文介紹了幾種不同類型材料的深冷處理尺寸穩定化效果，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的尺寸穩定性，同時還能有效改善鋁合金和鑄鐵的尺寸穩定性，并得到了一定的應用。深冷處理改善材料尺寸穩定性的機理主要是殘留奧氏體的轉變和殘余應力的釋放兩個方面。

圖2 鋁合金深冷后的尺寸穩定性變化

圖 3