冷作模具钢的深冷处理研究现状

钟 强，李秀兰，何 伟，唐泽洪，胡 瑶

(四川轻化工大学机械工程学院，四川 宜宾 644000)

冷作模具钢是主要用于制造需要金属在冷变形状态下进行变形(冷冲、冷拉、冷镦、拉伸、拉丝、冲裁等)的模具[1]。其工作的实际温度一般低于300 ℃，模具受到的主要作用力包括拉伸、压缩、冲击、摩擦等，因此要求冷作模具钢具有高的硬度、耐磨性、淬透性、淬硬性等，同时还必须具有较好的韧性，以防止崩坏，延长使用寿命。为满足工况要求，冷作模具钢多为高碳高合金钢。不过因含碳量较高，钢的组织大部分为莱氏体或珠光体，易引起材料的脆性失效，因此常采用等温淬火、油淬回火和深冷处理等方法提高模具钢的冲击韧性。其中深冷处理是提高其综合性能的方法之一，本文主要综述深冷处理技术在冷作模具钢中的应用和发展，总结深冷处理的作用机理，并展望我国深冷处理技术的应用前景。

1 冷作模具钢深冷处理方法

目前深冷处理技术在冷作模具钢方面的研究，主要有两种方法[2]：液体法和气体法。液体法是将工件直接放在液氮之中，冷却速率和升温速率不可控，但是设备简单，投资小，所需要的处理时间短，比较灵活，适合中小企业和科研机构使用。但液体法深冷处理目前还存在较大争议：在液氮当中直接放入工件，因为冷却速率不可控制，工件容易受到特别大的热应力冲击，导致工件开裂。不过也有人认为：将工件放在液氮中工件会迅速形成一层蒸汽膜，起到隔热作用，深冷不会产生裂纹，在深冷处理过程中处理不当则产生裂纹。多数研究认为：深冷处理后的材料拥有优良的强韧性配合度[4-6]。深冷处理的另一种方法为气体法[3]，也称为缓冷法，使用低温氮气来制冷，通过气体法深冷处理设备可以控制冷却速率、升温速率等参数，所以产生的热应力很小，不会导致工件开裂。到目前为止，气体法深冷处理技术已经广泛应用，气体法深冷处理设备也已相当成熟，并且已经可以进行大批量生产，目前国内中科院理化所和一些高科技企业在深冷处理设备制作和深冷处理技术运用上较突出。

2 模具钢深冷处理的原理及特点

2.1 残余奥氏体转变为马氏体

因模具钢中的合金含量较高，导致淬火冷却至室温后有大量的残余奥氏体存在。残留的奥氏体在室温下处于非平衡态，其Mf点在室温以下，在深冷处理过程中随着温度的降低导致残余奥氏体持续向马氏体转变，从而使工件的硬度和强度得到提高。Barron等[7]对模具钢进行了深冷处理的研究，认为残余奥氏体经过深冷处理后转变为马氏体，但刚转变的马氏体硬而脆，他们将此阶段的马氏体称为未回火马氏体。深冷处理经再回火后，能得到回火马氏体，从而可以从整体上提高模具的强度。Podgornik等[8]对冷作工具钢进行深冷处理后，他们发现由于马氏体的形成伴随着塑性变形，所以在保持高硬度的同时，可以显著提高冷作工具钢的断裂韧性。Yang等[9]研究了深冷处理对Cr13Mn2V2钢中残余奥氏体转变方向的影响，发现经过深冷处理以后马氏体的含量从59.3%增加到65.2%，证明深冷处理促进了残余奥氏体向马氏体的转变，并指出残余奥氏体的转变是Cr13Mn2V2钢耐磨性提高的主要原因。

2.2 马氏体中析出超细碳化物

深冷处理使铁的晶格常数发生紧缩，可以增大碳原子析出的驱动力；同时由于残存奥氏体会转变为马氏体，使得组织的内应力也会相应增加，这就促成了碳化物的析出，形成以超细碳化物为基的第二相。这些超细碳化物一般都是均匀弥散分布在马氏体基体上，对晶界的脆化有一定的减弱作用，起到降低晶界上杂质偏聚的效果，从而强化晶界，提高模具的力学性能。李绍宏等[10-11]认为残存奥氏体转变为马氏体是由于低温下晶格收缩引起的，低温造成微观产生大量缺陷，并导致马氏体中的超细碳化物析出，在超细碳化物粒子和更密集的晶格作用下，分子结构变得更加紧凑，使材料内部微小的缺陷反而大大减少。这些析出的超细碳化物晶体是材料强度、尺寸稳定性和耐磨性提高的原因。安丽丽等[12]对Cr12MoV模具钢进行深冷处理后，发现不仅耐磨性和强度显著提高，同时韧性也提高了。研究认为深冷处理之后马氏体孪晶析出纳米级细小碳化物，降低了马氏体晶格畸变能。李丽东[13]对Cr8Mo2SiV钢进行深冷处理后，发现残余奥体转变为马氏体，同时马氏体周围析出弥散的、且跟基体保持共格关系的超微小碳化物，这些细小弥散物造成马氏体的晶格畸变减少，微观应力减小，它在材料塑性变形时还可以阻拦位错运动，起到强化基体组织的作用。

2.3 组织细化

深冷处理会导致超微细碳化物核心的形成和马氏体的微分解，使马氏体针片和针片内的亚单元细化。经过多次的深冷处理后，因为温度不断地反复变化让淬火马氏体中的碳原子偏聚不断发生，使马氏体亚单元和针片都得到了细化，让模具的整体性能都得到了提高。李钢等[14]对LD1钢进行深冷处理研究发现，深冷处理后LD1钢的硬度和多冲疲劳寿命得到提高，原因是深冷处理后块状的残余奥氏体被马氏体进一步分割而细化，且在马氏体的边沿成薄膜状分布，使得马氏体边沿的应力集中减小，材料的使用寿命提高。于瑞媛[15]发现Cr12模具钢在经深冷处理后，组织得以细化，马氏体增多，微小的碳化物颗粒在基休组织中均匀析出，提高了材料耐磨性和硬度。

2.4 表面产生残余压应力

深冷处理以后经过回火处理，空位表面会产生残存应力，在一定程度上可以降低材料的局部缺陷，宏观表现是材料的耐磨性提高。吕雁文等[16]将高速钢经深冷处理后，材料表面的残余拉应力转变为残余压应力，提高了材料的抗拉疲劳强度和使用寿命。韩晓君等[17]对高速钢进行深冷处理研究后发现，深冷处理后产生的残存压应力和原有的热残存应力方向相反，二者可相互抵消，从而提高高速钢性能。欧阳求保等[18]对复合材料进行深冷处理后再放置到室温，发现材料的残存应力和热膨胀系数都会降低，并且残存应力和热膨胀系数会随着深冷处理的次数增多而相应减小，说明了复合材料的残余应力能经过深冷处理有效降低，并且经过多次深冷处理的效果好于一次深冷处理的效果。

2.5 原子动能的转移

模具钢经过深冷处理后导致部分原子间动能的转移，原子间的结合更加紧凑，从而提高了材料的韧性和强度。徐晋勇[19]发现淬火马氏体经过深冷处理后，马氏体晶格常数发生改变，使分解驱动力增大，但是在温度比较低时，合金元素和碳原子的扩散都很难，原子转移的动能不足，但在深冷处理之后经低温回火可增长原子扩散驱动力，被渗入的合金元素和过饱和碳原子会在马氏体基体上析出纳米级碳化物，提高了材料的耐磨性和硬度。

3 深冷处理后模具钢的应用

对于深冷处理，我国的研究单位进行了大量研究，得到了较多的科研成果。特别是以高校为首的科研机构，部分研究成果已经应用于生产，有些工厂运用了这项技术，如南京依维河公司齿轮箱厂、大同齿轮厂等。我国自主研发的不锈钢器皿拉伸模经过-196 ℃深冷处理后，再经气体氮碳共渗处理，使用寿命比常规热处理模具提高10倍以上。佟晓辉等[20]对Cr12MoV钢和Cr12钢进行深冷处理研究后发现，在高硬度的情况下，由Cr12钢制作的电机转子硅钢片冷冲模的使用寿命可延长3倍以上，Cr12MoV钢制作的六角螺帽(M16)冷镦模使用寿命可延长10倍以上。还有实例表明[21]，汽车厂广泛使用的高速钢凸模，经过深冷处理后的使用次数比未处理的最高可提高6倍。对于硅钢片的冷冲模，结合深冷处理工艺和中温回火，模具的刃口使用寿命能提高3倍以上，抗破坏性和其它综合性能得到改善。

4 结论与展望

目前深冷处理的作用机理在学术界尚未能达到统一，但冷作模具钢经过深冷处理后残余奥氏体转变为马氏体和马氏体中超细碳化物的析出已经通过现代显微技术得到证明。但深冷处理在模具钢的应用方面还是有很多值得探讨的问题，比如：原子动能的转移机理、表面残余压应力变化、计算机模拟仿真、深冷的晶格变化等问题都没有进行深入的系统研究。围绕这些问题，我国应该加大深冷处理对冷作模具钢性能影响规律的探索，争取形成具有我国核心自主知识产权的产业体系，打破国外的技术封锁。