強烈淬火－深冷聯合處理對GH3030力學性能的影響

黃利銀

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410014）

強烈淬火－深冷聯合處理對GH3030力學性能的影響

黃利銀

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410014）

將GH3030加熱到800℃，然后直接置于液氮中，并在液氮中保持5h，形成強烈淬火－深冷聯合處理新工藝，單步實現大溫度梯度急速淬火和深冷作用的雙重效果。結果表明，強烈淬火－深冷聯合處理工藝，不僅避免了普通強烈淬火容易誘發表面裂紋的缺陷，而且使得GH3030在5小時內獲得顯微硬度高達224HV，而經過普通深冷處理工藝處理的該材料顯微硬度為202 HV，同時，材料的抗拉強度也從原始的766．05MPa提高到了790．48MPa。

深冷處理;熱處理;強烈淬火;GH3030

高溫合金GH3030屬于我國較早進行生產的幾種變形高溫合金之一，由于其具有較高的工作溫度及較強的抗熱腐蝕性，應用范圍廣泛［1］。鎳基高溫合金GH3030是一種固溶強化型合金，同時，彌散分布的析出相Ni3Al的存在是提高其高溫強度的另一個重要因素。因此GH3030材料的固溶情況以及析出相的形貌、大小、含量以及分布情況共同決定了該合金的力學性能。

強烈淬火技術是在普通淬火的基礎上發展起來的一種新型熱處理技術，該技術的應用可以迅速提高材料的硬度和強度。同時，由于金屬表層壓應力的產生，不僅避免了表面裂紋的產生，同時使得工件產生最小的畸變，從而保證了工件的精度，因此強烈淬火作為熱處理新技術發展方向之一受到關注［2］。大量研究表明，通過強烈淬火，奧氏體鋼的表層甚至可以形成100%馬氏體組織，會使給定鋼種獲得最大淬硬層，進而可用碳鋼代替較貴重的合金鋼。Lauralice C．F．Canale等人指出強烈淬火可替代或部分替代某些工件的滲碳過程，同時縮短生產周期，降低能源消耗，從而減少環境污染，節約生產成本［3］。對于奧氏體材料的強烈淬火，工件的冷卻速度越大，則表層會有更多的奧氏體轉變為馬氏體，淬火硬化層深度也就越大，工件的硬度和強度也就越高。

深冷處理是傳統的熱處理中淬火工藝的進一步深化和補充，它不僅可以穩定材料的組織，還可以有效提高多種金屬材料的硬度、耐摩擦性能［4－6］和疲勞性能，該工藝往往在熱處理之后和回火之前進行。深冷處理改善材料的力學性能主要通過促進奧氏體向馬氏體的轉變、碳化物納米硬點的析出以及殘余應力的降低［7－8］來實現。相關研究發現，一般情況下該軸承鋼的奧氏體占29%左右，通過低溫處理后，奧氏體為8%，而通過深冷處理，奧氏體殘余量僅僅為5．7%。與普通的低溫處理相比，深冷處理往往更能提升材料的力學性能。Lipson等人的研究發現，深冷處理可以同時提高材料的耐磨性和硬度。Srisiva等人的研究發現，對100Cr6合金進行深冷處理后，與沒有經過深冷處理的材料相比，其耐磨性能提高了37%。Sendhilkumar等人［9］的研究發現，深冷處理對工程用低碳鋼（En 19 steel）的耐摩擦性能甚至提高了214．94%。Idayan等人［10］對比研究了低溫處理和深冷處理對AISI 440C軸承鋼的力學性能的影響，研究結果發現，通過深冷處理，該軸承鋼的硬度提高了7%，而通過低溫處理（－80℃）時其硬度僅僅提高4%。而Arockiya Jaswin等人的研究則發現，經過深冷處理后得到的X45Cr9Si3和X53Cr22Mn9Ni4NI材料的硬度分別提高了46．51%和27．8%。Zhirafar等人的研究發現，在深冷的作用下，特種鋼4030組織中大量奧氏體向馬氏體轉變，從而極大改善了該材料的硬度。而Huang等人在研究M2工具鋼的深冷處理時發現深冷作用可以促進碳化物團簇化，從而大大降低了碳化物的密度，提高了材料的硬度。

目前深冷處理的研究主要集中在鎂合金、鋁合金和鈦合金等材料方面，而對于高溫合金深冷處理方面的研究報道卻很少。前期的研究結果表明，雖然經過單步深冷處理或者多次深冷－熱處理循環處理可以獲得硬度較高的GH3030高溫合金材料，但是時間較長。為了縮短工藝時間，提高生產效率，將熱處理和深冷處理聯合起來形成高溫度梯度大沖擊深冷處理，從而在更短的時間內獲得硬度等力學性能優良的GH3030材料。

1 試驗設計

試驗過程所用的GH3030材料為板材，厚度為2mm，先將材料通過線切割切出若干個小試樣，然后將小試樣分成A、B、C三組，每組3個。A組試樣加熱到800℃后直接冷卻到室溫;將B組試樣進行普通深冷處理，即加熱到800℃，保溫10min，冷卻到室溫，再在液氮中進行深冷處理，保溫5h;將C組試樣進行大沖擊深冷處理，即加熱到800℃，保溫10min，然后直接取出擲入到液氮中，保溫5h。最后將經過深冷處理后得到的試樣取出，在室溫狀態下進行各項力學性能的測試。試驗過程中所用的GH3030的成分如表1所示：

表1 GH3030合金的化學成分

經過深冷處理后的試樣的硬度值通過HV－1000硬度計進行測量，材料的抗拉強度通過TD－6000A電子拉力試驗機進行測試，材料的晶相組織通過SEM進行研究。

2 試驗結果

首先對經過各種熱處理后的各試樣進行硬度測試。圖1為經過不同時間深冷處理后的HV硬度柱狀圖，圖中每個數據為三個試樣硬度的平均值，每個試樣的硬度測定過程中取5個點進行硬度測試，然后對五個數據去掉最大值和最小值后求取平均值作為該試樣的硬度［11］。

圖1 不同深冷方式對GH3030顯微硬度的影響

從圖1中可以看出，與A組試樣相比，B組試樣的硬度提高了10．99%。深冷處理不僅可以使得基體材料的晶格常數變小，而且還能使GH3030合金析出某些細小的第二相顆粒，形成第二相強化，從而使得材料的硬度得到提高。圖1中數據顯示，C組試樣的硬度比A組試樣的硬度提高了23．08%，與B組試樣相比提高了10．89%。與B組試樣相比，在深冷處理過程中，C組試樣具有更大的溫度梯度。C組試樣在800℃的高溫下被直接投入到液氮中，其溫度梯度迅速冷卻到－196℃，其溫度梯度高達996。在GH3030合金中，析出物γ＇相、析出碳化物（塊狀與顆粒狀相）和TCP相（針狀）等與基體具有相異的熱脹冷縮系數，因此在深冷的作用下，會在材料內部形成大量應力應變，在更大的溫度梯度下，材料中會產生更多的位錯和破碎晶粒，從而使得材料中存有更大的殘余應力，致使經過深冷沖擊處理的C試樣比經過更小梯度溫度處理的B試樣具有更高的材料硬度。

圖2 不同深冷方式對GH3030拉伸性能的影響

圖2是經過不同方式深冷處理后得到GH3030的拉伸曲線圖。原始GH3030的抗拉強度為766．05MPa，經過普通深冷處理后其強度提高到了782．89MPa，而經過強烈淬火－深冷聯合處理后得到的試樣抗拉強度則提高到了790．48MPa。經過較小降溫速率冷卻后進行10小時深冷處理得到的GH3030（試樣B）的抗拉強度和韌性都得到顯微的提高，這一方面由于奧氏體鎳基高溫合金為固溶強化型合金，深冷處理可以使得某晶粒發生轉動，形成大量孿晶，同時還可以細化晶粒，從而使得材料的韌性得到改善，另一方面，由于深冷使得基體晶格常數變小，從而使得晶體高溫合金在經過深冷處理后析出第二相顆粒，產生第二相強化。而經過強烈淬火－深冷聯合處理工藝處理得到的GH3030的抗拉強度得到顯微提高，而材料的韌性下降。由于在更大的深冷作用下，材料內部的殘余應力更大，同時更大的溫度梯度，會使得析出物具有更小的顆粒尺寸，從而使得材料的強度更大。另一方面，在更大的溫度梯度作用下，材料內部的硬脆相更容易發生脆性斷裂而造成更多的裂紋出現，同時，在更快的冷卻速度下，材料內部的殘余應力的應力集中情況更為明顯，因此C組材料的韌性在更大的冷卻速度下而出現顯微下降。

將加熱到高溫的GH3030利用液氮作為冷卻介質進行強烈淬火，并最后在液氮中保持一定的時間進行進一步深冷，將急速淬火和深冷處理聯合成一道整體的工序施加到GH3030上，集合了強烈淬火和深冷處理兩種工藝的優勢，從而有效的改善GH3030材料的力學性能。高溫的原材料試樣置于液氮中，試樣表面急速冷卻，熱脹冷縮作用使得試樣的表層獲得極高的壓應力，該壓應力的產生，不僅降低裂紋產生的概率，而且還可以提高材料表面的硬度［12］。GH3030是一種奧氏體合金，因此在液氮的急速冷卻作用下，使得材料表面形成大量的馬氏體，從而提高了材料的強度和表面硬度。另外，強烈淬火還可能同時存在固溶強化、細晶強化、沉淀強化、亞結構強化等多種強化機制，從而使得材料包括硬度和耐磨性在內的多種力學性能得到提高，有助于延長機器零件和工具的服役壽命。目前強烈淬火工藝在汽車半軸、鏈輪、軸承圈、緊固件、銷軸和多種模具等方面都得到了廣泛應用［13］。

高溫的GH3030試樣在液氮的作用下，經過強烈淬火后，表層立即冷到液氮溫度，但是心部溫度仍然較高，主要由韌性較好的奧氏體組織組成。因此，此時的材料同時具有較高的韌性和表面硬度。在隨后的深冷過程中，隨著時間的延長，液氮中試樣的內部組織逐步向馬氏體轉變，從而使得材料的硬度和抗拉強度得到顯著提高。雖然試樣中心的殘余奧氏體向馬氏體的轉變的過程中會使得材料心部體積的增加，從而導致試樣表面產生應變和應力。但是對高溫GH3030材料由于采用液氮作為強烈淬火介質，冷卻速度極快，在強烈淬火過程中試樣表層生成的馬氏體層也較厚，從而在表面形成的壓應力也極大，因此，在后續的長時間深冷作用下，即使心部的奧氏體全部轉為了馬氏體，也依舊保證了試樣表面避免了淬火裂紋的產生。

3 結論

將液氮作為淬火介質應用到強烈淬火中，并將強烈淬火與深冷處理聯合起來對工件施加作用，形成了強烈淬火－深冷聯合處理新工藝，單步實現了大溫度梯度急速淬火和深冷作用的雙重效果。經過強烈淬火－深冷聯合作用處理的GH3030不僅有效避免了表面裂紋的產生，而且在較短的時間內獲得了同時具有更高表面硬度和抗拉強度的工件，證明該新方法是可以在短時間內改善材料綜合力學性能的有效手段。

［1］戰國鋒，王恩剛，蔣恩，等．電磁攪拌對GH3030高溫合金鑄態組織的影響［J］．特種鑄造及有色合金，2012，（1）．

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［4］Podgornik B，Majdic F，Leskovsek V，et al．Improving tribological properties of tool steels through combination of deep－cryogenic treatment and plasma nitriding［J］．Wear，2012，（6）．

［5］Thornton R，Slatter T，Jones A H，et al．The effects of cryogenic processing on thewear resistance of grey cast iron brake discs［J］．Wear，2011，271．

［6］Slatter T，Lewis R，Jones A H，et al．The influence of cryogenic processing on wear on the impactwear resistance of low carbon steel and lamellar graphite cast iron［J］．Wear，2011，271．

［7］Podgornik B，Majdic F，Leskovsek V，et al．Improving tribological properties of tool steels through combination of deep－cryogenic treatment and plasma nitriding［J］．Wear，2012，（6）．

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［13］何祖娟．20CrMnTi鋼滲碳復合強烈淬火強韌化機理研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010．

［編校：張芙蓉］

The Influence of Intensive Quenching－cryogenic Com bined Treatm ent on the Mechanical Properties of GH3030

HUANG Liyin
（Changsha Aeronautical Vocational Technical College，Changsha Hunan 410014）

The GH3030 sampleswere first heated to 800℃and then directly placed into liquid nitrogen and kept in it for5 hours．The new method achieves dual effects of intensive quenching and cryogenic combined treatment with steep temperature gradient by a single step．The experiment results showed the intensive quenching－cryogenic combined treatment technology not only avoided defects of the usual surface cracks but alsomade themicrohardness of GH3030 reach 224HV within 5 hourswhile themicrohardness of thismaterialwas only 202HV when itwas disposed by traditional cryogenic treatment．Furthermore，the tensile strength also increased from original 766．05MPa to 790．48MPa．

cryogenic treatment;heat treatment;intensive quenching;GH3030

TG142．1

A

1671－9654（2015）04－039－04

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.000139

2015－11－16

黃利銀（1976－），男，湖南邵陽人，副教授，工程碩士，研究方向為機械設計與制造。

本文為湖南省教育廳科學研究項目“鎳基高溫合金GH3030的深冷處理研究”（編號：13C990）階段性研究成果。