金属件处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属件处理方法，该方法依次包括以下步骤（1）将金属件进行回火处理和（2）将金属件进行深冷处理，并且还任选包含在步骤（2）之后依次的步骤（3）将金属件进行回火处理，和步骤（4）将金属件进行深冷处理。通过本发明方法处理的金属件具有优异的硬度、冲击韧性、抗弯强度、耐磨性和寿命。
【专利说明】金属件处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属件处理方法，特别涉及金属件的深冷处理方法，更特别地涉及通过深冷处理和其它处理例如回火处理的有机结合来处理金属件的方法。
【背景技术】
[0002]深冷处理是将被处理工件置于特定的、可控的低温环境中，使材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种新技术。被处理材料在低温环境下由于微观组织结构发生了改变，在宏观上表现为材料的耐磨性，尺寸稳定性，抗拉强度，残余应力等方面的提闻。
[0003]关于深冷处理的机理问题，现在还处于研究初期阶段，对材料内部变化机理的认识还不够完善。相对来说有关黑色金属(钢铁)的深冷机理已经研究得相对深入，而有色金属及其它材料如合金的深冷处理机制研究的相对较少，也不是十分清楚，现有的机理分析基本上是沿用钢铁材料的相关理论，目前已发现很多适用于钢体材料的相关深冷理论并不适应于有色金属和其它材料。
[0004]上世纪初提出的冷处理技术主要采用固体二氧化碳(干冰)作为冷却介质，温度一般控制在-70~_80°C，一般用于钢铁材料的后续处理。深冷处理的方式目前通常使用液氮(_196°C)作为制冷剂。根据使用液氮的方法不同可分为液体法和气体法两种。液体法是将工件直接浸入液氮中，处理温度可达_150°C以下。气体深冷法通过液氮的气体潜热和低温氮气热来制冷，处理温度可达_196°C。然而，遗憾的是，现有的一般保温材料保温性能差，造成冷却介质消耗严重，这也严重增加了深冷处理的成本。
[0005]我国对深冷处理的研究与开发起步较晚，在二十世纪80年代末，我国的科研学者们才开始对深冷处理的工艺、机理进行研究，材料也主要集中在工具钢、模具钢和高速钢。研究结果表明，材料经深冷处理后的性能比一般冷处理后的性能得到了改善。
[0006]CN101649432A公开了一种5A06铝合金MIG焊接接头的深冷强化处理方法，该方法包括以下操作步骤是:①将经过MIG焊接的5A06铝合金件放入到由深冷处理系统控制下的深冷处理装置中；②以5°C~9°C /min的降温速率将深冷处理装置中的温度从室温下降到-150°C~_196°C;③保温2~6小时；④切断电源，关闭冷源，打开装置，让焊接件在空气中达到室温。在该专利文献中，深冷处理方法单一，不能使残余奥氏体充分转变。
[0007]CN102676963A公开了一种铝合金的深冷处理工艺，包括以下工艺步骤:(I)将铝合金工件放入深冷柜中，在-3(T-80°C保温40~60分钟；然后继续冷却至-150°C~_180°C，保温3飞小时；再加温至-3(T-8(TC，将铝合金工件提出深冷柜，放置在空气中自然回温至室温，放置广2小时；(2)将铝合金工件放入深冷柜中重复步骤(1)的操作，即完成所述铝合金工件的深冷处理过程。然而，该深冷处理方法单一，仅仅单纯地进行深冷，是铝合金性能的改善有限。
[0008]US2009/0090438A1公开了一种特别适用于面心立方材料的应变硬化方法，所述面心立方材料是具有一定长 度的金属，该方法包括:a.提供装有液化气体的容器；b.提供形变模具并且将该模具设置在所述容器中，使模具浸没在所述液化气体中；和(3.使所述具有一定长度的金属穿过形变模具。该专利文献主要解决的技术问题是面心立方带材的深冷处理。
[0009]“深冷处理对CuZnAl合金热膨胀系数的影响”，王亚楠，《热加工工艺》，2012年第41卷第20期，第197-198页公开了一种将退火态CuZnAl合金进行深冷处理的方法，该方法是将退火态试块放在KL-13D型箱式电阻炉中加热到750°C保温20 min后浸入液氮(-196°C)中深冷处理10 min，然后取出、磨光并洗涤。在该文献中，从高温到深冷低温之间的温差过大(从750°C到-196°C )，在能够提高合金的某些性能的情况下，也严重损害了其它性能。
[0010]尽管现有技术中存在大量关于金属件深冷处理的报导，然而，深冷处理使材料最终性能的好坏，不单取决于深冷处理工艺本身，还有深冷处理以及热处理与深冷处理之间相互搭配的工艺，即取决于它们之间的有机组合，在上述现有技术中往往仅集中在深冷本身，忽略了其与热处理和热加工的搭配，或者即使存在一定搭配，但是搭配简单，从而使得深冷处理的效果受到限制。此外，在现有技术中也缺乏能够方便、低廉、可靠且可控地获得低温的低成本手段和设备。随着现代工业的发展，对材料的性能的要求也越来越高，对材料的加工成本控制也越来越苛刻。因此，非常有必要开发一种深冷处理和其它处理例如热处理有机组合的方法以及可靠且可控地获得低温的低成本方法。[0011]
【发明内容】
[0012]为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明人经过深入研究，提供了以下技术方案。
[0013]在一方面，本发明提供了一种金属件处理方法，该方法依次包括以下步骤:
(1)将金属件进行回火处理；和
(2)将金属件进行深冷处理。
[0014]优选地，该方法还包括在步骤(2)之后依次的步骤(3):将金属件进行回火处理，和步骤(4):将金属件进行深冷处理；其中
步骤(1)的回火处理为低温回火，处理温度为85~155°C，处理时间为I~6h，优选2~4h ;步骤(2)的深冷处理温度为-30°C~_85°C，处理时间为IOmin~6h，优选30min~Ih ；步骤(3)的回火处理为高温回火，处理温度为500~700°C，处理时间为I~6h，优选2_4h ；步骤(4)的深冷处理温度为_180°C~_270°C，处理时间为IOmin~5h，优选20min~Ih ；其中，在步骤(2)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为5~10°C / min ；在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为I~:TC / min ;和
重复上述步骤(1)至(4)至少2个循环，优选3个以上的循环，更优选4~6个循环。
[0015]在上述方法中，通过先进行低温回火和低温深冷、再进行高温回火和更低温度深冷这样的有机协同组合，有效克服了材料组织结构可能由于温差较大而劣化的可能。同时，通过大量繁复的试验，仔细、严格选择并控制低温回火、低温深冷、高温回火和更低温度深冷所采用的温度，以及每次深冷处理后回温至室温的速率，既有效、充分地减少了残余奥氏体，残余应力得到更好的消除从而改善尺寸稳定性，析出超细微碳化物，硬度增加，提高耐磨损性能，还由于低温回火和低温深冷与高温回火和更低温度深冷的有机协同组合和多个循环，非常有效地控制了金属件的第二类残余应力和第三类残余应力，避免使金属件中发生残余内应力的松弛，极大提高冲击韧性并有效避免了宏观裂纹等缺陷。
[0016]同时，本发明人经过大量研究还发现，必须仔细控制步骤(2)和步骤(4)深冷处理后金属件回温至室温的升温速率在适当范围内，以及控制步骤(4)深冷处理后金属件回温至室温的升温速率小于步骤(2)深冷处理后金属件回温至室温的升温速率，只有如此才能够获得部件耐磨性、冲击韧性和强度的良好改善。步骤(2)和步骤(4)深冷处理后金属件回温至室温的升温速率优选呈直线升温形式。
[0017]在一个优选实施方案中，所述方法还包括在步骤(2 )的深冷处理后进行低温冷轧，低温冷轧的温度为_30°C~_85°C，低温冷轧I~3道次，每道次变形率为I~3%，低温冷轧后再控制金属件回温至室温，其中升温速率为5~10°C / min ;和在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，其中升温速率为I~:TC / min，在室温下进行轧制，轧制I~3道次，每道次变形率为6~10%。通过在步骤(2)的深冷处理后进行低温冷轧，能够细化晶粒组织，提高合金的组织性能，并且对于合金钢还能够减少氧化铁皮对轧辊的磨损。本发明人另外出乎意料地发现，通过与步骤(4)深冷处理后的室温冷轧相有机组合，既保证了被轧产品的性能均匀，避免了由于外加各种合金元素引起的碳化物的固溶，又防止由于高温回火时的较高温度引起的晶粒过度粗大对最终成品质量带来不利影响。
[0018]此外，如前文所述述及，深冷介质储罐的内部容易发生向外的热传递，传递的热越多和越快，则冷却介质的沸腾蒸发速度越快，从而损失越快，并且还导致整个深冷过程的温度准确控制难度更大。为了维持深冷介质例如液氮处于液态，必须使过度蒸发最小化，同时必须使外部环境向罐体内部的热传递最小化。在现有技术中，液氮罐多由铝合金或不锈钢制造，分内外两层，即内胆和外槽，内胆一般为耐腐蚀性的铝合金，颈管是玻璃钢，在颈管的周围和底部夹层装有吸附剂 ，内胆和外槽之间填充绝缘材料或者真空，在罐的上面有真空排气口专门用来抽真空，使两槽之间保持真空，所述绝缘材料通常是聚氨酯泡沫。然而，聚氨酯泡沫的绝热性能非常有限，采用真空时又使罐体、尤其是罐壁的强度得不到保证。
[0019]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明还提供了如下深冷介质储罐，使得能够可靠且可控地获得低温:该深冷介质的储罐具有内容器和外壳，所述内容器和外壳之间由与内容器壁和外壳平行设置的多层状热绝缘体隔开，该多层状热绝缘体包含多个彼此叠置并且通过磁力相斥作用间隔开一定空间距离的绝热层，每个绝热层包含叠置的如下层:
a.由纤维增强的聚合物膜构成的支承基础层，b.分别在所述支承基础层两个相对面上的磁力相吸的两个磁性材料层，和c.分别在两个磁性材料层外表面的两个反射箔层，所述每个绝热层的厚度为40-100 μ m，优选为80 μ m，绝热层之间的间隔空间的压力低于大气压。
[0020]所述磁力相吸和相斥使通过磁性材料层的两个面的磁极即N极和S极的设置实现的，按照异性相吸、同性相斥的原则来设置。通过磁力相斥作用，使各个绝热层之间保持一定距离和相互之间的支承力，避免了使用常规罐壁强度支撑柱所导致的传热，此外，通过在所述支承基础层两个相对面上的两个磁性材料层的磁力相吸，避免了粘合剂的使用，有效解决了现有技术中存在的技术障碍，这是因为粘合剂在低温下往往失效，一般的低温粘合剂也难以满足液氮的低温。
[0021]所述聚合物可以为聚甲醛聚合物，在该聚甲醛聚合物中至少50%的端部基团为羟基亚乙基，该聚甲醛聚合物具有在185°C和2.0Okg的施加重量下测定的约6 cmVlOmin至约20 cmVlOmin的熔体指数，其中增强所用的纤维是长径比大于300的金属纤维或玻璃纤维。所述聚甲醛聚合物具有非常优异的绝热性能，长径比大于300的金属纤维或玻璃纤维的使用使支承基础层的强度得到有效提高。
[0022]所使用的磁性材料层的磁性材料可以为钕-铁-硼永磁性材料，所述反射箔层可以为铝箔、铜箔、锌箔、银箔或它们的组合，绝热层之间的间隔空间距离可变动。绝热层之间的间隔空间之间没有支承柱，而可以是压力低于大气压的空气，因此绝热层之间的间隔空间距离可变动，例如绝热层可在所述空间中震荡，但同时由于磁力相斥作用，不会相互接触。
[0023]由于在低温冷轧中，金属件的可成形性变差，为了提高金属件例如金属板或片材的成形性，本发明在低温冷轧中在金属件上涂有低温润滑剂，该润滑剂包含(a) 40~80wt.%的矿物基础油，(b)10~40 wt.%的具有10~20个碳原子的支链脂肪醇，和(C)IO~40 wt.%的由多元醇与具有10~24个碳原子的脂族不饱和二元酸形成的聚酯,该聚酯具有650~6500的重均分子量，该润滑剂在40°C的动力学粘度小于20 cSt，润滑剂在金属件表面上的用量为0.8~2.5 g/m2。[0024]所述多元醇可以为乙基丁基丙二醇，2-甲基-1，3-丙二醇，I, 4-丁二醇，I, 5_戊二醇，3-甲基戊二醇，1,6-己二醇，二乙二醇，丙二醇，丙三醇和季戊四醇中的一种或多种。
[0025]支链脂肪醇可以为异丙醇、异丁醇、异戊醇等。
[0026]脂族不饱和二元酸可以为马来酸、马来酐、富马酸、衣康酸、柠康酸等。
[0027]所述金属件可以由合金构成，所述合金优选为铝合金、18CrNiMo7钢、W9Mo3Cr4V钢、W9钢、3Crl3钢或Crl2MoV钢，所述金属件优选为板材或片材形式。
[0028]优选地，所述金属件由如下合金构成，该合金其基本由如下组成，以重量％计:24% ~30% 铁，16 ~24% 铬，3.1 ~4.6% 铝，0.3 ~0.7% 钛，0.2 ~0.6% 硅，0.1 ~0.4% 锰，
1.0 ~2.0% 钴，0.1 ~0.2% 钥，0.2 ~0.4% 钨，0.01 ~0.03% 镁，0.01 ~0.03% 钒，0.01 ~
0.03% 铜，0.10 ~0.30% 碳，0.01 ~0.03% 锆，0.01 ~0.02% 钇，0.01 ~0.02% 铈，0.01 ~
0.02%镧，和余量的镍加上杂质，Al+Ti含量为4.0%~6.0%，以及存在的铬和铝的量使得Cr/Al 比为 4.0 ~7.0。
[0029]这样的合金在按照上述方法处理后具有非常良好的抗氧化性、热裂纹敏感性和可锻性。
[0030]
【专利附图】
【附图说明】
[0031]本发明的前述和其它目的、特征和优点由参考附图的下面示例性实施方案的描述将变得明显，其中相同的数字表示相同的要素，其中:
图1是活塞式压缩机的曲轴采用根据本发明的处理方法使用一次循环和二次循环的尺寸稳定性对比结果，其中横坐标是尺寸测量位置编号，纵坐标是尺寸变化百分比。
[0032]图2是根据本发明的深冷介质储罐壁的绝热层的横截面示意图，其中I表示支承基础层，2表示磁性材料层，3表示反射箔层，4表示绝热层之间的间隔空间。
[0033]具体实施方案
[0034]给出下面的实施例和对比例以描述本发明。然而，应理解本发明并不限于这些实施例中所描述的具体条件或细节。
[0035]实施例1
将活塞式压缩机的曲轴部件进行如下处理(I)回火处理，(2)深冷处理，步骤(3)再次回火处理，和步骤(4)再次深冷处理，其中步骤(1)的回火处理为低温回火，处理温度为100°C，处理时间为4h，步骤(2)的深冷处理温度为约_70°C，处理时间为4h，步骤(3)的回火处理为高温回火，处理温度为600°C，处理时间为4h，步骤(4)的深冷处理温度为约-200°C，处理时间为lh，在步骤(2)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为8°C / min,在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为2°C / min，重复上述步骤(1)至(4) 2个循环。
[0036]将处理前后的部件在多个位置进行尺寸测量，计算出各个位置的尺寸变化率，结果见图1。另外，测量处理后曲轴的摩擦系数为0.20。
[0037]对比例I
重复实施例1，不同之处在于步骤(1)至(4)进行I个循环，结果见图1。
[0038]由图1的结果出乎意料地发现，实施例1中处理后曲轴的尺寸偏差明显小于对比例I中处理后曲轴的尺寸偏差。
[0039]对比例2
重复实施例1，不同之处在于在步骤(2)的深冷处理后，控制曲轴回温至室温，升温速率为8°C / min，在步骤(4)的深冷处理后，控制曲轴回温至室温，升温速率也同样为8V /min,即两次深冷处理后的回温速率相同。经测量，处理后曲轴的摩擦系数为0.30。
[0040]从实施例1和对比例2的摩擦系数结果对比，发现控制步骤(4)的回温速率小于步骤(2)的回温速率，还可以有效降低摩擦系数，即提供了曲轴的耐磨性能，使耐磨性能提高达50%。
[0041]实施例2
将Crl2MoV钢带进行如下处理(I)回火处理，(2)深冷处理，步骤(3)再次回火处理，和步骤(4)再次深冷处理，其中步骤(1)的回火处理为低温回火，处理温度为100°C，处理时间为4h，步骤(2)的深冷处理温度为约_70°C，处理时间为4h，步骤(3)的回火处理为高温回火，处理温度为600°C，处理时间为4h，步骤(4)的深冷处理温度为约_200°C，处理时间为lh，在步骤(2)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为8°C / min，在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为2V / min，重复上述步骤(1)至(4) 2个循环。在步骤(2)的深冷处理后进行低温冷轧，低温冷轧的温度为约_85°C，低温冷轧2道次，每道次变形率为1%，低温冷轧后再控制金属件回温至室温，其中升温速率为5°C / min,在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，其中升温速率为1°C / min，在室温下进行轧制，轧制2道次，每道次变形率为6%。经测量，处理后的钢带硬度HRC为63，磨损速率为 0.061 (mg.h 1X
[0042]对比例3
重复实施例2，不同之处在于重复上述步骤(1)至(4)的2个循环期间不进行轧制处理，而是在所述2个循环进行后，在室温下进行轧制处理，轧制4道次，前2道次变形率为1%，后2个道次的变形率为6%。经测量，处理后的钢带硬度HRC为60，磨损速率为0.098(mg ^1)。
[0043]比较实施例2和对比例3的处理效果可知，实施例2的钢带硬度与对比例3相比提高2 HRC，同时磨损速率的降低大于50%。
[0044]本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。
【权利要求】
1.一种金属件处理方法，该方法依次包括以下步骤: (1)将金属件进行回火处理；和 (2)将金属件进行深冷处理。
2.根据权利要求1的金属件处理方法，该方法还包括在步骤(2)之后依次的步骤(3):将金属件进行回火处理，和步骤(4):将金属件进行深冷处理；其中 步骤(1)的回火处理为低温回火，处理温度为85~155°C，处理时间为I~6h，优选2~4h ;步骤(2)的深冷处理温度为-30°C~_85°C，处理时间为IOmin~6h，优选30min~Ih ；步骤(3)的回火处理为高温回火，处理温度为500~700°C，处理时间为I~6h，优选2_4h ；步骤(4)的深冷处理温度为_180°C~_270°C，处理时间为IOmin~5h，优选20min~Ih ； 其中，在步骤(2)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为5~10°C / min ；在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为I~:TC / min ;和 重复上述步骤(1)至(4)至少2个循环，优选3个以上的循环。
3.根据权利要求2的金属件处理方法，该方法还包括在步骤(2)的深冷处理后进行低温冷轧，低温冷轧的温度为_30°C~_85°C，低温冷轧I~3道次，每道次变形率为I~3%，低温冷轧后再控制金属件回温至室温，其中升温速率为5~10°C / min ;和在步骤(4)的深冷处理后，控制金属件回温至室温，其中升温速率为I~:TC / min，在室温下进行轧制，轧制I~3道次，每道次变形率为6~10%。
4.根据权利要求2或3的金属件处理方法，其中在步骤(2)和/或(4)的深冷处理中，深冷介质的储罐具有内容器和外壳，所述内容器和外壳之间由与内容器壁和外壳平行设置的多层状热绝缘体隔开，该多层状热绝缘体包含多个彼此叠置并且通过磁力相斥作用间隔开一定空间距离的绝热层，每个绝热层包含叠置的如下层:a.由纤维增强的聚合物膜构成的支承基础层，b.分别在所述支承基础层两个相对面上的磁力相吸的两个磁性材料层，和c.分别在两个磁性材料层外表面的两个反射箔层，所述每个绝热层的厚度为40-100 μ m，绝热层之间的间隔空间的压力低于大气压。
5.根据权利要求2或3的金属件处理方法，其中所述聚合物为聚甲醛聚合物，在该聚甲醛聚合物中至少50%的端部基团为羟基亚乙基，该聚甲醛聚合物具有在185°C和2.0Okg的施加重量下测定的约6 cm3/10min至约20 cm3/10min的熔体指数，其中增强所用的纤维是长径比大于300的金属纤维或玻璃纤维。
6.根据权利要求4的金属件处理方法，其中所述磁性材料层的磁性材料为钕-铁-硼永磁性材料，所述反射箔层为铝箔、铜箔、锌箔、银箔或它们的组合，绝热层之间的间隔空间距离可变动。
7.根据权利要求3或4的金属件处理方法，其中所述低温冷轧中在金属件上涂有低温润滑剂，该润滑剂包含(a)40~80 wt.%的矿物基础油，(b) 10~40 wt.%的具有10~20个碳原子的支链脂肪醇，和(c) 10~40 wt.%的由多元醇与具有10~24个碳原子的脂族不饱和二元酸形成的聚酯，该聚酯具有650~6500的重均分子量，该润滑剂在40°C的动力学粘度小于20 cSt，润滑剂在金属件表面上的用量为0.8~2.5 g/m2。
8.根据权利要求7的金属件处理方法，其中所述多元醇为乙基丁基丙二醇，2-甲基-1，3-丙二醇，I, 4- 丁二醇，I, 5-戊二醇，3-甲基戊二醇，I, 6-己二醇，二乙二醇，丙二醇，丙三醇和季戊四醇中的一种或多种。
9.根据权利要求2或3的金属件处理方法，所述金属件由合金构成，所述合金优选为铝合金、18CrNiMo7钢、W9Mo3Cr4V钢、W9钢、3Crl3钢或Crl2MoV钢，所述金属件优选为板材或片材形式。
10.根据权利要求9的金属件处理方法，所述金属件由如下合金构成，该合金其基本由如下组成，以重量％计:24%~30%铁，16~24%铬，3.1~4.6%铝，0.3~0.7%钛，0.2~0.6% 硅，0.1 ~0.4% 锰，1.0 ~2.0% 钴，0.1 ~0.2% 钥，0.2 ~0.4% 钨，0.01 ~0.03% 镁，0.01 ~0.03% 钒，0.01 ~0.03% 铜，0.10 ~0.30% 碳，0.01 ~0.03% 锆，0.01 ~0.02% 钇，0.01~0.02%铈，0.01~0.02 %镧，和余量的镍加上杂质，Al+Ti含量为4.0%~6.0%,以及存在的铬和铝的量使得Cr/Al比为4.0~7.0。
【文档编号】C21D6/04GK103834781SQ201410103344
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】何萌, 闫曼玲 申请人:何萌, 闫曼玲