1.深冷處理工藝開發(fā)

深冷處理通常采用液氮冷卻，可將工件冷卻至-190℃以下。處理后材料的微觀結(jié)構(gòu)在低溫下發(fā)生變化，一些性能得到改善。深冷處理最早由前蘇聯(lián)于1939年提出，直到1960年代美國(guó)才將深冷處理技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)上，開始主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域。 1970年代擴(kuò)展到機(jī)械制造領(lǐng)域。

根據(jù)冷卻方式不同，可分為液體法和氣體法。液態(tài)法是指將材料或工件直接浸入液氮中，將工件冷卻至液氮溫度，并將工件在該溫度下保持一定時(shí)間，然后取出加熱至一定溫度.這種方式很難控制升溫和降溫的速度，對(duì)工件的熱影響很大，一般認(rèn)為容易對(duì)工件造成損壞。低溫設(shè)備比較簡(jiǎn)單，比如液氮罐。

2.氣法深冷處理

氣體原理是利用液氮的氣化潛熱（約199.54kJ/kg）和低溫氮?dú)獾奈鼰醽?lái)冷卻。氣體法可使低溫溫度達(dá)到-190℃，使低溫氮?dú)馀c物料接觸。通過(guò)對(duì)流換熱，氮?dú)鈴膰娮靽姵龊笤诘蜏叵鋬?nèi)汽化。工件可以通過(guò)氣化潛熱和低溫氮?dú)獾奈鼰醽?lái)冷卻。通過(guò)控制液氮的輸入來(lái)控制冷卻速度，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)和精確控制深冷處理溫度，熱沖擊效應(yīng)小，開裂的可能性小。

目前，氣體法在其應(yīng)用中得到了研究人員的廣泛認(rèn)可，其冷卻設(shè)備主要是溫度可控的可編程低溫箱。深冷處理可顯著提高黑色金屬、有色金屬、金屬合金等材料的使用壽命、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景。

硬質(zhì)合金的低溫技術(shù)在1980年代和1990年代首次被報(bào)道。 機(jī)械技術(shù) 日本在 1981 年和 現(xiàn)代機(jī)械車間 美國(guó) 1992 年報(bào)道，硬質(zhì)合金經(jīng)深冷處理后性能顯著提高。 1970年代以來(lái)，國(guó)外對(duì)低溫處理的研究工作卓有成效。前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本等國(guó)家已成功地采用深冷處理，提高了工模具的使用壽命、工件的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。

3.深冷處理的強(qiáng)化機(jī)理

金屬相增強(qiáng)。

硬質(zhì)合金中的Co具有fcc晶體結(jié)構(gòu)α相（fcc）和密排六方晶體結(jié)構(gòu)ε相（hcp）。 ε-Co比α-Co摩擦系數(shù)小，耐磨性強(qiáng)。 417℃以上α相的自由能較低，所以存在Coα相形式。 417℃以下ε相的低自由能，高溫下穩(wěn)定相α相轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡堞畔?。但由于WC顆粒和α相中固溶雜原子的存在對(duì)相變有較大的約束，使得α→ε當(dāng)相變阻力增大，溫度降至417℃以下時(shí)α相不能完全轉(zhuǎn)變進(jìn)入ε相。深冷處理可以大大增加α和ε兩相自由能差，從而增加ε相變的驅(qū)動(dòng)力變量。對(duì)于深冷處理后的硬質(zhì)合金，由于溶解度降低，部分溶解在Co中的原子以化合物的形式析出，可以增加Co基體中的硬質(zhì)相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)化第二相的作用。粒子。

強(qiáng)化表面殘余應(yīng)力。

深冷處理后的研究表明，表面殘余壓應(yīng)力增加。許多研究人員認(rèn)為，使表層殘余壓應(yīng)力達(dá)到一定值，可以大大提高其使用壽命。在硬質(zhì)合金燒結(jié)后的冷卻過(guò)程中，結(jié)合相Co受到拉應(yīng)力，WC顆粒受到壓應(yīng)力。拉應(yīng)力對(duì)Co的破壞很大。因此，有研究人員認(rèn)為，深度冷卻引起的表面壓應(yīng)力增加減緩或部分抵消了燒結(jié)后冷卻過(guò)程中鍵合相產(chǎn)生的拉應(yīng)力，甚至將其調(diào)整為壓縮應(yīng)力，減少微裂紋的產(chǎn)生。

其他強(qiáng)化機(jī)制

認(rèn)為 η 相顆粒與 WC 顆粒一起使基體更加致密和堅(jiān)固，并且由于 η 相的形成消耗了基體中的 Co。結(jié)合相中Co含量的降低提高了材料的整體熱導(dǎo)率，碳化物粒徑和鄰接性的增加也提高了基體的熱導(dǎo)率。由于導(dǎo)熱系數(shù)的增加，工具和模具尖端的散熱更快；提高工模具的耐磨性和高溫硬度。也有人認(rèn)為，深冷處理后，由于 Co 的收縮和致密化，Co 對(duì) WC 顆粒的牢固作用得到加強(qiáng)。物理學(xué)家認(rèn)為，深度冷卻改變了金屬原子和分子的結(jié)構(gòu)。

4.YG20深冷冷鐓模一例

YG20冷墩模板深冷處理操作步驟：

(1)將燒結(jié)好的冷鐓模具放入深冷處理爐；

(2)啟動(dòng)低溫回火一體爐，打開液氮，以一定速度降溫至–60℃，保溫1h；

(3)以一定速度降溫至-120℃，保溫2h；

(4)以一定的降溫速度降溫至——190℃，保溫4-8h；

(5)保溫后按0.5℃/min升溫至180℃保溫4h

(6)程序設(shè)備完成后，自動(dòng)斷電，自然冷卻至室溫。

結(jié)論：未經(jīng)深冷處理和經(jīng)深冷處理的YG20冷鐓模具為冷鐓Φ3.8碳鋼螺桿，結(jié)果表明經(jīng)深冷處理后的模具使用壽命比未經(jīng)深冷處理的模具長(zhǎng)15%以上.

可以看出，與深冷處理前相比，深冷處理后YG20中的面心立方鈷（fcc）明顯減少，ε-Co（hcp）的明顯增加也是耐磨性和硬質(zhì)合金的綜合性能。

5.深冷處理工藝的局限性

美國(guó)某工模具公司的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，硬質(zhì)合金刀片經(jīng)處理后使用壽命提高2~8倍，而硬質(zhì)合金拉絲模具經(jīng)處理后的修整周期由數(shù)周延長(zhǎng)到幾個(gè)月。 1990年代，國(guó)內(nèi)開展了硬質(zhì)合金深冷技術(shù)研究，取得了一定的研究成果。

總的來(lái)說(shuō)，目前對(duì)硬質(zhì)合金深冷處理技術(shù)的研究還不夠發(fā)達(dá)，不夠系統(tǒng)，得出的結(jié)論也不一致，需要研究人員進(jìn)一步深入探索。根據(jù)現(xiàn)有研究資料，深冷處理主要提高硬質(zhì)合金的耐磨性和使用壽命，但對(duì)物理性能沒有明顯影響。