一种提高尺寸稳定性的新工艺——深冷处理

张红，顾开选，郭嘉，崔晨，王俊杰

材料尺寸稳定性是指材料在受力、热、磁或其他外界条件作用下，其形状、尺寸不发生变化的性能。目前在精密加工领域，某些经过热处理后的关键零部件在机械加工后工件尺寸精度发生变化，不能满足技术要求；或经机械加工后放置一定时间，装配时发现尺寸超差从而影响装配等，给生产带来一定的影响，诸如合金钢、模具钢、铝合金等结构件普遍存在此现象。提高材料尺寸稳定性处理的方法一般有机械法（包括拉伸或压缩法、振动时效法和脉动法）、热处理法（包括恒温时效法、热时效法、反淬火法、形变热处理法等）以及磁场处理法等，各种方法的效果不尽相同。

深冷处理是20世纪60年代发展起来的一种材料处理新技术，它是传统热处理的补充。一般把材料经过常规热处理后进一步冷却到摄氏零度以下某一温度（通常为0～-100℃）的处理方法称为普通冷处理；而把低于-100℃以下（通常为-100～-196℃）的冷处理叫做深冷处理。本文对GCr15、38CrMoAl钢、铝合金2A11以及球墨铸铁材料的深冷处理尺寸稳定化效果进行试验研究，并对其机理进行分析。

图1 钢铁材料深冷后尺寸稳定性随时间变化

1. 深冷处理提高尺寸稳定性研究

（1）试验方法 早在50年代后半期在国外就开始应用深冷处理与热处理相结合的方法来改善金属材料及构件的尺寸稳定性，并取得了良好的效果。尺寸稳定性的评价目前大多采用测量棒状试样尺寸随时间变化的评价方法，该法可以直观地反映材料的尺寸稳定性，但其评定指标为μm/m·a，测试周期较长，不适用于实验室的直观检测。本文采用圆环开口法检测不同材料不同工艺处理后的开口尺寸变化率，以此来评价材料的尺寸稳定性。

深冷处理工艺采用自行研制的SLX程序控制深冷箱处理。

（2）提高钢铁材料的尺寸稳定性 GCr15、38CrMoAl是机床轴类零件常用材料，在实际使用过程中变形严重，从而影响机床的加工精度。

将上述材料分别进行不同的热处理及深冷处理工艺后，圆环开口试样的尺寸变化率及随时间的变化结果如图1所示。由图可以看出，GCr15钢经过普通热处理后的圆环开口尺寸变化率较大，随着试样放置时间的延长，开口尺寸的变化率也在不断变化，大约在4个月后趋于稳定。增加深冷处理工艺后，钢的尺寸变化率明显降低，尺寸变化率大约在1个月后保持稳定，不再随时间改变。38CrMoAl钢增加深冷处理工艺后，钢的尺寸变化率明显减小，尺寸波动较为稳定，尺寸稳定性提高。

（3）提高铝合金的尺寸稳定性 铝合金应用较为广泛，对其结构件的尺寸稳定性要求较高，尤其是对于一些大型结构件或薄壁零件来说，其加工过程中产生的残余应力使得结构件尺寸不稳定，难以达到设计要求。

对铝合金2A11进行了深冷处理的工艺对比，圆环开口尺寸变化率的结果如图2所示。可见，通过增加深冷处理工艺后，铝合金的尺寸变化率由未深冷的6.2%降低到深冷后的4.3%。随着深冷处理技术的不断发展，铝合金的深冷处理尺寸稳定化已经得到了初步应用。

（4）提高铸铁材料的尺寸稳定性 在小型制冷活塞式压缩机中，关键部件曲轴连杆的尺寸稳定性对压缩机的使用性能具有重要的意义。由图3可知，对曲轴铸铁材料进行深冷处理，深冷处理后尺寸变化量明显减小，同时深冷处理后尺寸的变化波动较为稳定，因此深冷处理有效改善了曲轴铸铁材料的尺寸稳定性。

2. 深冷处理提高材料尺寸稳定性的机理分析

（1）促使残留奥氏体转变为马氏体 钢铁材料经奥氏体化后快速冷却，在较低温度下发生无扩散型的马氏体相变。淬火过程中由于已经转变的奥氏体对未转变的奥氏体所产生的应力，抑制了其进一步转变，成为残留奥氏体。在以后的存放和工作过程中，残留奥氏体继续转变成马氏体，由于两者比体积差别，会造成工件的形状及尺寸变化，表现为不稳定性。若残留奥氏体含量过大，将会直接影响回火处理的质量，达不到工件所要求的性能。通过深冷处理进一步降低温度能够使得残留奥氏体转变为马氏体，从而提高材料或工件的尺寸稳定性。

（2）降低材料残余应力 材料内部残余应力在使用过程中的缓慢释放是造成结构件尺寸不稳定的因素之一，而对于结构件来说，其在热处理过程中产生的热应力、机加工过程中产生的加工应力都会成为残留在材料内部形成残余应力。深冷处理一方面通过材料内部不同的相在低温下的收缩不一致，从而导致微观形成内应力，当微观内应力达到微观屈服强度时发生微塑性变形，从而使残余应力得到释放；另一方面，深冷处理过程中产生的热应力和材料内部原有的残余应力相互作用使得材料内部残余应力降低，从而提高材料及结构件的尺寸稳定性。对于铝合金来说，其不存在残留奥氏体的转变，因此，降低材料残余应力是其主要的机理。

3. 结语

本文介绍了几种不同类型材料的深冷处理尺寸稳定化效果，同时，对深冷处理机理进行了分析。深冷处理能够有效改善GCr15、38CrMoAl的尺寸稳定性，同时还能有效改善铝合金和铸铁的尺寸稳定性，并得到了一定的应用。深冷处理改善材料尺寸稳定性的机理主要是残留奥氏体的转变和残余应力的释放两个方面。

图2 铝合金深冷后的尺寸稳定性变化

图 3