張紅，顧開(kāi)選，郭嘉，崔晨，王俊杰

材料尺寸穩(wěn)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(fā)生變化的性能。目前在精密加工領(lǐng)域，某些經(jīng)過(guò)熱處理后的關(guān)鍵零部件在機(jī)械加工后工件尺寸精度發(fā)生變化，不能滿(mǎn)足技術(shù)要求；或經(jīng)機(jī)械加工后放置一定時(shí)間，裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)尺寸超差從而影響裝配等，給生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響，諸如合金鋼、模具鋼、鋁合金等結(jié)構(gòu)件普遍存在此現(xiàn)象。提高材料尺寸穩(wěn)定性處理的方法一般有機(jī)械法（包括拉伸或壓縮法、振動(dòng)時(shí)效法和脈動(dòng)法）、熱處理法（包括恒溫時(shí)效法、熱時(shí)效法、反淬火法、形變熱處理法等）以及磁場(chǎng)處理法等，各種方法的效果不盡相同。

深冷處理是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種材料處理新技術(shù)，它是傳統(tǒng)熱處理的補(bǔ)充。一般把材料經(jīng)過(guò)常規(guī)熱處理后進(jìn)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(chēng)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(duì)GCr15、38CrMoAl鋼、鋁合金2A11以及球墨鑄鐵材料的深冷處理尺寸穩(wěn)定化效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

圖1 鋼鐵材料深冷后尺寸穩(wěn)定性隨時(shí)間變化

1. 深冷處理提高尺寸穩(wěn)定性研究

（1）試驗(yàn)方法 早在50年代后半期在國(guó)外就開(kāi)始應(yīng)用深冷處理與熱處理相結(jié)合的方法來(lái)改善金屬材料及構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性，并取得了良好的效果。尺寸穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)目前大多采用測(cè)量棒狀試樣尺寸隨時(shí)間變化的評(píng)價(jià)方法，該法可以直觀地反映材料的尺寸穩(wěn)定性，但其評(píng)定指標(biāo)為μm/m·a，測(cè)試周期較長(zhǎng)，不適用于實(shí)驗(yàn)室的直觀檢測(cè)。本文采用圓環(huán)開(kāi)口法檢測(cè)不同材料不同工藝處理后的開(kāi)口尺寸變化率，以此來(lái)評(píng)價(jià)材料的尺寸穩(wěn)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(wěn)定性 GCr15、38CrMoAl是機(jī)床軸類(lèi)零件常用材料，在實(shí)際使用過(guò)程中變形嚴(yán)重，從而影響機(jī)床的加工精度。

將上述材料分別進(jìn)行不同的熱處理及深冷處理工藝后，圓環(huán)開(kāi)口試樣的尺寸變化率及隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖1所示。由圖可以看出，GCr15鋼經(jīng)過(guò)普通熱處理后的圓環(huán)開(kāi)口尺寸變化率較大，隨著試樣放置時(shí)間的延長(zhǎng)，開(kāi)口尺寸的變化率也在不斷變化，大約在4個(gè)月后趨于穩(wěn)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(gè)月后保持穩(wěn)定，不再隨時(shí)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(dòng)較為穩(wěn)定，尺寸穩(wěn)定性提高。

（3）提高鋁合金的尺寸穩(wěn)定性 鋁合金應(yīng)用較為廣泛，對(duì)其結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性要求較高，尤其是對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)件或薄壁零件來(lái)說(shuō)，其加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對(duì)鋁合金2A11進(jìn)行了深冷處理的工藝對(duì)比，圓環(huán)開(kāi)口尺寸變化率的結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)，通過(guò)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(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金的深冷處理尺寸穩(wěn)定化已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。

（4）提高鑄鐵材料的尺寸穩(wěn)定性 在小型制冷活塞式壓縮機(jī)中，關(guān)鍵部件曲軸連桿的尺寸穩(wěn)定性對(duì)壓縮機(jī)的使用性能具有重要的意義。由圖3可知，對(duì)曲軸鑄鐵材料進(jìn)行深冷處理，深冷處理后尺寸變化量明顯減小，同時(shí)深冷處理后尺寸的變化波動(dòng)較為穩(wěn)定，因此深冷處理有效改善了曲軸鑄鐵材料的尺寸穩(wěn)定性。

2. 深冷處理提高材料尺寸穩(wěn)定性的機(jī)理分析

（1）促使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 鋼鐵材料經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，在較低溫度下發(fā)生無(wú)擴(kuò)散型的馬氏體相變。淬火過(guò)程中由于已經(jīng)轉(zhuǎn)變的奧氏體對(duì)未轉(zhuǎn)變的奧氏體所產(chǎn)生的應(yīng)力，抑制了其進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，成為殘留奧氏體。在以后的存放和工作過(guò)程中，殘留奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體，由于兩者比體積差別，會(huì)造成工件的形狀及尺寸變化，表現(xiàn)為不穩(wěn)定性。若殘留奧氏體含量過(guò)大，將會(huì)直接影響回火處理的質(zhì)量，達(dá)不到工件所要求的性能。通過(guò)深冷處理進(jìn)一步降低溫度能夠使得殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高材料或工件的尺寸穩(wěn)定性。

（2）降低材料殘余應(yīng)力 材料內(nèi)部殘余應(yīng)力在使用過(guò)程中的緩慢釋放是造成結(jié)構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定的因素之一，而對(duì)于結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、機(jī)加工過(guò)程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力都會(huì)成為殘留在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。深冷處理一方面通過(guò)材料內(nèi)部不同的相在低溫下的收縮不一致，從而導(dǎo)致微觀形成內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)微觀內(nèi)應(yīng)力達(dá)到微觀屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生微塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放；另一方面，深冷處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和材料內(nèi)部原有的殘余應(yīng)力相互作用使得材料內(nèi)部殘余應(yīng)力降低，從而提高材料及結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性。對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，其不存在殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變，因此，降低材料殘余應(yīng)力是其主要的機(jī)理。

3. 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了幾種不同類(lèi)型材料的深冷處理尺寸穩(wěn)定化效果，同時(shí)，對(duì)深冷處理機(jī)理進(jìn)行了分析。深冷處理能夠有效改善GCr15、38CrMoAl的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)還能有效改善鋁合金和鑄鐵的尺寸穩(wěn)定性，并得到了一定的應(yīng)用。深冷處理改善材料尺寸穩(wěn)定性的機(jī)理主要是殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力的釋放兩個(gè)方面。

圖2 鋁合金深冷后的尺寸穩(wěn)定性變化

圖 3