【正文】 冷卻時間（ h） 質(zhì)量（克） 體積（立方厘米） 密度（克∕立方厘米） 72 84 96 108 120 132 144 156 21 圖 33 鎢銅合金處理前與深冷處理后各階段的密度變化趨勢圖 鎢銅合金材料在不同時間的深冷處理后的密度變化趨勢見圖 24。推知冷卻時間不是合金材料的電導(dǎo)率的主要影響因素。 從 電導(dǎo)率變化趨勢圖上看，材料的電導(dǎo)率幾乎是趨于平穩(wěn)。從微觀角度分析， 低溫下殘余奧氏體繼續(xù)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高了合金材料的硬度和強度。結(jié)合之 前的對比處理前后的微觀組織結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)會形成亞晶粒結(jié)構(gòu)。而通過對比深冷處理前后的組織結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)會形成亞晶結(jié)構(gòu)，從而使晶粒細(xì)化，形成細(xì)晶強化，提高鎢銅合金材料的顯微硬度。由于材料各個部位的電導(dǎo)率不同的問題，我們可以對每組樣品進行五次測量，取五次測量實驗結(jié)果的平均值作為最后的結(jié)果記錄。 測量電導(dǎo)率 實驗 過程中，采用渦流電導(dǎo)儀來測量材料電導(dǎo)率。然后將鎢銅材料固定在一根細(xì)線上（體積可忽略），再把裝一定量水（必須能完全淹沒銅基材料）的燒杯放在電子秤上并等讀數(shù)穩(wěn)定后調(diào)零，接著拉緊細(xì)繩并將固定鎢銅材料的一頭伸入水下（一定不要讓材料轉(zhuǎn)動或者碰到燒杯壁和底部），讀取電子秤示數(shù)并記錄。 不規(guī)則形狀的材料就采用比較簡單的方法進行一般性測量 排水法。 、密度和電導(dǎo)率的測量 本實驗中采用 HVS1000Z 自動轉(zhuǎn)臺顯微硬度計進行硬度測量。 液氮如圖 21所示： 16 圖 21 準(zhǔn)備液氮時的現(xiàn)象 操作方法： 。 研究的工藝流程 深冷處理及測量材料性能 深冷處理 深冷處理（ cryogenic treatment） 又稱超低溫處理 (一般為 130℃以下 )，是指將被處理的對 象置于特定的、可控的低溫處理環(huán)境中，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而改善材料性能的一種工藝方法。 2號試驗放入液氮中后， 以 1h、 2h、 6h、 12h?? 180h為實驗周期依次進行檢測 。 進行深冷處理實驗 以 1h、 2h、 6h、 12h??為實驗周期進行冷卻，在一定的條件下檢測鎢銅的洛氏硬度、電導(dǎo)率、密度等物理性能。 （ 1）選取一塊鎢銅合金材料，將其中一個最光滑的面磨平。 14 實驗設(shè)備及用品 實驗設(shè)備 表 21 實驗設(shè)備 設(shè)備名稱 設(shè)備型號∕規(guī)格 生產(chǎn)商 用途 數(shù)控線切割機 DK7732 采用劃線法切割合金試樣 自動轉(zhuǎn)臺顯微硬度計 HVS1000Z 上海研潤光機科技有限公司 測量合金試樣的顯微硬度 渦流電導(dǎo)儀 ZXDT101 上海正夕自動化科技有限公司 測量合金試樣的電導(dǎo)率 電子天平 FC 104 精度： 上海精密科學(xué)儀器公司 測量合金試樣的質(zhì)量和體積，求出密度 金 相顯微鏡 AFTDC200 上海金相機械設(shè)備有限公司 觀察試樣的金相組織 金相試樣拋光機 YMP2B 上海金相機械設(shè)備有限公司 對合金試樣進行拋光 實驗用品 （ 1）燒杯 （ 2）鐵條 （ 3）細(xì)繩 （ 4）蒸餾水 實驗步驟 準(zhǔn)備液氮 液氮氣化時溫度降低至 196℃，以達到深冷處理所需溫度。高硬度 ， 具有很好的導(dǎo)電導(dǎo) 熱性 。 。 ，了解材料硬度、密度和電導(dǎo)率的變化趨勢。主 13 要探究了在不同的冷卻時間下銅基材料硬度、密度、體積的變化趨勢，來尋求最佳的深冷處理方式，為生產(chǎn)大批量優(yōu)質(zhì)材料奠定基礎(chǔ)。深冷處理在航空航天、武器、工程機械、道路橋梁、半導(dǎo)體、電器、計算機等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景 。在模具的制造生產(chǎn)過程中，模具質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響企業(yè)的經(jīng)營狀況，利用深冷處理技術(shù)，提高模具的使用壽命，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。從三個表格可以看出， 深冷處理對于不同材料的工件和工具產(chǎn)生了不同的效果，使零部件和工具的耐磨性顯著提高 [16,17]。如高速鋼、工具鋼、模具鋼、銅電極、粉末材料、硬質(zhì)合金等等。以下將分別介紹深冷處理在這些材料中的具體應(yīng)用及深冷處理效果的對比 [13]。依靠這種系統(tǒng)對材料進行深冷處理時，具有換熱效果好、降溫速度和處理溫度可控、溫度分布均勻等優(yōu)點。 （ 2）利用液氮的汽化潛熱或者低溫氮氣制 冷：利用低溫氮氣實現(xiàn)制冷的原理是低溫氮氣與材料直接接觸，通過對流換熱來使材料溫度降低，而利用液氮的汽化潛熱的原理就是液氮 與材料不直接接觸而通過間接方式使材料溫度降低。由于這種深冷處理工藝簡單方便，應(yīng)用較為廣泛。液氮制冷的方式，大致可以分為下面兩種方式： （ 1）液氮浸泡式制冷：將工件直接放到裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度，并 11 在此溫度下停留一段時間，最后復(fù)溫而完成整個深冷處理過程。合理的深冷處理工藝的順利執(zhí)行，這就要求所使用的深冷裝置滿足以下要求： （ 1）可靠性高，使用壽命長； （ 2） 溫度場和溫度控制準(zhǔn)確率均勻分布； （ 3）制冷劑耗量少，節(jié)約成本； （ 4）加工工件范圍廣。如同熱處理一樣，如果不能保證熱處理工 藝的合理進行，就難以充分發(fā)揮金屬材料的潛力，難以達到提高零件質(zhì)量和延長使用壽命的目的。 深冷處理設(shè)備 深冷處理涉及到的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地獲得低溫。 因此，為了提高工件的性能及使用壽命，得到滿意的淬火質(zhì)量，盡量減少殘余奧氏體以獲得最大數(shù)量的馬氏體，目前工業(yè)上采用深冷處理的方法，即淬冷至室溫的材料繼續(xù)冷卻到更低的溫度，使殘余奧氏體在這一過程中繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。若殘余奧氏體含量過大，將會直接影響回火處理的質(zhì)量，達不到工件所要求的性能。目前工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料的淬火工藝主要是將工件加熱到材料的 Ac3 或 Ac1 以上 3050℃，保溫一定時間后，快速在水，鹽水或油中冷卻。由于馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴散性，相變需要很大的驅(qū)動力和過冷度。國內(nèi)的徐祖耀、鄧永瑞、王世道等研究學(xué)者對馬氏體相變的熱力學(xué)、動力學(xué)、晶體學(xué)、形 核長大等各方面進行了較為深入、系統(tǒng)的研究，提出了一些馬氏體相變的形核理論及物理模型，對馬氏體相變理論的進展和馬氏體相變在鐵基合金、有色合金、陶瓷材料和其他無機非金屬材料方面的應(yīng)用做出了重要的貢獻 [11]。人們對馬氏體相變的研究經(jīng)歷了近 100 年的時間，形成了一些理論。壽命提高 — 倍 熱作模具鋼 3Cr2W8V 提高硬度、強度和耐磨性 高速鋼 W18Cr4V 提高硬度、紅硬性、耐磨性和沖擊韌性，使用壽命提高 2— 5倍 W5MoCr4V2 其他鋼鐵材料深冷處理效果及作用機制 表 12 鋼鐵材料的深冷處理效果及深冷主要作用機理 9 材料 主要效果 主要作用機理 滲碳鋼 20 提高硬度、強度和韌性 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變；馬氏體分解析出和超細(xì)碳化物生成；產(chǎn)生表面壓應(yīng)力 20Ni3Mo 提高硬度和耐磨性，使用壽命提高 — 倍 組織細(xì)化；析出超細(xì)碳化物；促進殘余奧氏體轉(zhuǎn)變 20Cr2Ni4 提高工件表面硬度和精度 降低殘余奧氏體含量 18Cr2Ni4W 20CrMnTi 提高表層硬度，減少脫碳 碳素結(jié)構(gòu)鋼 45 提高使用壽命 表面形成殘余壓應(yīng)力 合金結(jié)構(gòu)鋼 40Cr 減弱或消除高溫回火脆性 析出超細(xì)碳化物；基體組織和碳化物細(xì)化 20MnV 提高硬度和耐磨性，顯著提高沖擊韌性 40MnVB 不銹鋼 300、 400 系列 174PH 提高耐磨性和耐腐蝕性 彈簧鋼 65Mn 改善疲勞性能和耐磨性能 超高強度鋼 TRm80 改善塑性和抗疲勞裂紋擴展能力 馬氏體中碳化物析出強化 耐磨鑄鐵 鎳硬鑄鐵 高鉻鑄鐵 顯著提高抗磨能力，使用壽命 91% 殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 馬氏體相變與深冷處理的研究討論 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。 常用工模具鋼深冷處理效果與主要作用機理 [7,8,9] 表 11 常用工模具鋼的深冷處理效果及深冷主要作用