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摘要：对喷射成形H13 钢经不同液氮深冷工艺处理后，对其硬度、冲击性能、拉伸性能以及摩擦磨损性能进行测试，并通过SEM和XRD分析其显微组织及相组成。结果表明，喷射成形H13 钢经深冷处理后硬度和强度变化不大，冲击性能和耐磨性能大幅度提高。深冷工艺为1050 ℃淬火+深冷处理（-196℃×20 h）+二次回火（600℃×2 h）时喷射成形H13钢具有最优的综合性能，其冲击性能和耐磨性能较常规热处理（1050 ℃淬火+二次回火（600℃×2 h））分别提高80%和78%。喷射成形H13钢经深冷处理后，亚稳态的残留奥氏体完全转变为马氏体，同时马氏体板条碎化以及微细碳化物弥散析出，改善了材料的综合性能。
关键词：深冷处理;喷射成形;H13 钢;显微组织;耐磨性能
深冷处理是将被处理工件置于超低温或超亚冷环境中对工件进行处理，从而改善工件的性能。材料经深冷工艺处理后其微观组织将发生变化如：残留奥氏体量减少或消失、晶粒细化、空位与位错密度等缺陷增加、细小弥散的碳化物析出等，因而在宏观性能表现为材料硬度、强度、韧性、耐磨性能的提升。研究表明 深冷处理工艺可显著提高工模具材料的耐磨性能 最终延长材料的使用寿命。
喷射成形工艺具有快速凝固的特点，消除了宏观偏析、细化了组织以及提高了合金元素的固溶度，从而大幅度提高了材料的性能。喷射成形工艺制备的材料经传统热处理后 材料的性能虽然进一步提高，但是在一些恶劣环境服役条件下（比如高温），材料出现软化 强度降低。因此本文以喷射成形H13 钢为主要研究对象，分析不同深冷工艺对材料组织、力学性能以及耐磨性能的影响，为探索喷射成形H13 钢最优深冷工艺提供参考。
1 试验材料与方法
本文采用喷射成形工艺制备H13 钢，试验材料成分。喷射成形H13 钢经锻造后试样热处理与深冷工艺。试样经1050 ℃保温30 min后油淬处理至室温 然后分为8组：1 号为常规热处理 即 600 ℃回火两次 每次保温2 h;2号、3号和 4号经淬火、回火后放入液氮罐分别保温2、4和6h后取出;5号、6号、7号和8号经淬火后放入液氨罐中分别保温2、4、6和20h后继续600℃二次回火。
试样经 4%硝酸酒精侵蚀后，用卡尔蔡司 LEOH50扫描电镜观察微观组织及表面形貌。试样经磨抛后，用Rigak D/Max-2550P型X衍射仪进行物相分析。用HR5-15D洛氏硬度计测量材料的表面硬度。用J13-800 型冲击试验机测试试样冲击性能，试样尺寸为10 mm ×10 mm×55 mm。用WDW 200D 型微型万能材料试验机测试材料的强度。用MMU-10G 销-盘摩擦磨损试验机研究材料的摩擦磨损性能，试样尺寸为4 mm×15 mm对磨试样选用同种材料。摩擦磨损测试条件为：室温和 600 ℃条件下，滑行约1650 m，施加载荷200N 转速200 r/min。磨损试样经丙酮清洗后，采用精度为0.1g的电子秤测量磨损前后样品质量。
2 试验结果与分析
2.1 深冷处理对显微组织的影响
显微组织主要为小片状无方向性石墨，基体组织主要为回火马氏体和白色析出相。按照GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》评定标准，深冷处理前后合金铸铁的石墨形态均主要以A型为主，级别为5级。可以看到，深冷处理后的白色析出物明显增多，为合金铸铁深冷处理后的SEM像，通过EDS能谱分析可知，白色析出物为金属型碳化物，残留的碳为游离态。碳化物的析出主要是由于深冷时马氏体的收缩迫使晶格畸变，驱使碳原子的析出，而且由于低温下碳原子扩散困难，因而在马氏体晶界上形成碳化物，碳化物的析出能提高合金铸铁的耐磨性能。为深冷处理前后合金铸铁的y相（220）晶面衍射峰強度。可以看出，合金铸铁在深冷处理后y相的衍射峰强度明显减小。根据残留奥氏体的试验结果分析可知，合金铸铁深冷处理后残留奥氏体的体积分数由19.6%减小为14.8%。由此可见，回火后的深冷处理使合金铸铁中部分残留奥氏体转变为马氏体。
2.2 深冷处理对硬度的影响
为深冷处理前后合金铸铁的硬度变化情况。可以看出，试验材料经淬火+回火（Q+T）处理后的硬度值为50.6 HRC，深冷处理120min后材料的硬度升高至53.6 HRC，相比未深冷处理的试验材料提高了5.5%。硬度的提升主要体现在两个方面：一是部分残留奥氏体转变为马氏体，马氏体的含量不断增加所致;二是马氏体基体组织经深冷处理后由于体积收缩，铁的晶格常数有缩小的趋势，从而增加了碳原子析出的驱动力，使得在基体中析出了大量细小弥散分布的碳化物。
2.3深冷处理对热膨胀系数的影响
在压缩机运转过程中，由于零件之间有间隙配合，考虑到压缩机内温升的变化会使零件发生不同程度的不均匀变形，会导致实际运行中零件间隙与常温下装配间隙不同，进而影响压缩机的性能及可靠性。因此，为了进一步考察材料在压缩机内温升变化过程中的尺寸稳定性，有必要对深冷处理前后的合金铸铁进行热膨胀系数测定。深冷处理前后合金铸铁的热膨胀曲线，在25～100℃，深冷处理后合金铸铁的热膨胀系数明显低于深冷处理前的热膨胀系数，且深冷处理后的尺寸变化（dL/L。）随温度的升高呈线性增加。此外，深冷处理前后合金铸铁在25～100℃的平均热膨胀系数分别为13.34×10-6K-和10.97×10-K-'。可以看出，合金铸铁经深冷处理后稳定性较好，这也从另一方面验证了在深冷过程中存在部分残留奥氏体转化成马氏体。
2.4 深冷处理对摩擦磨损性能的影响
为利用白光干涉仪获取360 N试验后的磨痕宽度，在磨痕的3处位置量取，然后取平均值，比对 ASTM G7705 Standard Test Method for Ranking Resistance of Materials to Sliding Wear Using Block-on- Ring Wear Test，可以得出合金铸铁在深冷处理前后的磨损体积，在同一载荷条件下，合金铸铁深冷处理前后的平均磨痕宽度分别为634.8和575.4 μm，对应的磨损体积分别为0.0076和0.0059 mm，由此可见，当载荷相同时，合金铸铁经深冷处理后磨损体积呈减小趋势。
结论
1）合金铸铁在深冷处理前后的石墨形态均主要以A型为主，级别为5级，深冷处理后在马氏体晶界上析出金属型碳化物，并且残留奥氏体的体积分数由19.6%减小为14.8%，合金铸铁在深冷过程中部分残留奥氏体转变为马氏体。
2）深冷处理能提高合金铸铁的硬度，由未深冷处理的50.6 HRC增加至53.6HRC，提高幅度约5.5%。
3）深冷处理能减小合金铸铁的热膨胀系数，在25～100 ℃的平均热膨胀系数由13.34×10-K减小至10.97×10-K-’，合金铸铁随温升其尺寸稳定性较好。
参考文献
[1]徐玉格，范少稳，王维国，等.曲轴磨损对压缩机能效的影响及改善措施[J].家电科技，2016（12）：44-46.
[2]艾峥嵘，吴红艳，高海涛，等.高速钢深冷处理作用机理研究现状[J].金属热处理，2014，39（3）：94-98.
关键词：深冷处理;喷射成形;H13 钢;显微组织;耐磨性能
深冷处理是将被处理工件置于超低温或超亚冷环境中对工件进行处理，从而改善工件的性能。材料经深冷工艺处理后其微观组织将发生变化如：残留奥氏体量减少或消失、晶粒细化、空位与位错密度等缺陷增加、细小弥散的碳化物析出等，因而在宏观性能表现为材料硬度、强度、韧性、耐磨性能的提升。研究表明 深冷处理工艺可显著提高工模具材料的耐磨性能 最终延长材料的使用寿命。
喷射成形工艺具有快速凝固的特点，消除了宏观偏析、细化了组织以及提高了合金元素的固溶度，从而大幅度提高了材料的性能。喷射成形工艺制备的材料经传统热处理后 材料的性能虽然进一步提高，但是在一些恶劣环境服役条件下（比如高温），材料出现软化 强度降低。因此本文以喷射成形H13 钢为主要研究对象，分析不同深冷工艺对材料组织、力学性能以及耐磨性能的影响，为探索喷射成形H13 钢最优深冷工艺提供参考。
1 试验材料与方法
本文采用喷射成形工艺制备H13 钢，试验材料成分。喷射成形H13 钢经锻造后试样热处理与深冷工艺。试样经1050 ℃保温30 min后油淬处理至室温 然后分为8组：1 号为常规热处理 即 600 ℃回火两次 每次保温2 h;2号、3号和 4号经淬火、回火后放入液氮罐分别保温2、4和6h后取出;5号、6号、7号和8号经淬火后放入液氨罐中分别保温2、4、6和20h后继续600℃二次回火。
试样经 4%硝酸酒精侵蚀后，用卡尔蔡司 LEOH50扫描电镜观察微观组织及表面形貌。试样经磨抛后，用Rigak D/Max-2550P型X衍射仪进行物相分析。用HR5-15D洛氏硬度计测量材料的表面硬度。用J13-800 型冲击试验机测试试样冲击性能，试样尺寸为10 mm ×10 mm×55 mm。用WDW 200D 型微型万能材料试验机测试材料的强度。用MMU-10G 销-盘摩擦磨损试验机研究材料的摩擦磨损性能，试样尺寸为4 mm×15 mm对磨试样选用同种材料。摩擦磨损测试条件为：室温和 600 ℃条件下，滑行约1650 m，施加载荷200N 转速200 r/min。磨损试样经丙酮清洗后，采用精度为0.1g的电子秤测量磨损前后样品质量。
2 试验结果与分析
2.1 深冷处理对显微组织的影响
显微组织主要为小片状无方向性石墨，基体组织主要为回火马氏体和白色析出相。按照GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》评定标准，深冷处理前后合金铸铁的石墨形态均主要以A型为主，级别为5级。可以看到，深冷处理后的白色析出物明显增多，为合金铸铁深冷处理后的SEM像，通过EDS能谱分析可知，白色析出物为金属型碳化物，残留的碳为游离态。碳化物的析出主要是由于深冷时马氏体的收缩迫使晶格畸变，驱使碳原子的析出，而且由于低温下碳原子扩散困难，因而在马氏体晶界上形成碳化物，碳化物的析出能提高合金铸铁的耐磨性能。为深冷处理前后合金铸铁的y相（220）晶面衍射峰強度。可以看出，合金铸铁在深冷处理后y相的衍射峰强度明显减小。根据残留奥氏体的试验结果分析可知，合金铸铁深冷处理后残留奥氏体的体积分数由19.6%减小为14.8%。由此可见，回火后的深冷处理使合金铸铁中部分残留奥氏体转变为马氏体。
2.2 深冷处理对硬度的影响
为深冷处理前后合金铸铁的硬度变化情况。可以看出，试验材料经淬火+回火（Q+T）处理后的硬度值为50.6 HRC，深冷处理120min后材料的硬度升高至53.6 HRC，相比未深冷处理的试验材料提高了5.5%。硬度的提升主要体现在两个方面：一是部分残留奥氏体转变为马氏体，马氏体的含量不断增加所致;二是马氏体基体组织经深冷处理后由于体积收缩，铁的晶格常数有缩小的趋势，从而增加了碳原子析出的驱动力，使得在基体中析出了大量细小弥散分布的碳化物。
2.3深冷处理对热膨胀系数的影响
在压缩机运转过程中，由于零件之间有间隙配合，考虑到压缩机内温升的变化会使零件发生不同程度的不均匀变形，会导致实际运行中零件间隙与常温下装配间隙不同，进而影响压缩机的性能及可靠性。因此，为了进一步考察材料在压缩机内温升变化过程中的尺寸稳定性，有必要对深冷处理前后的合金铸铁进行热膨胀系数测定。深冷处理前后合金铸铁的热膨胀曲线，在25～100℃，深冷处理后合金铸铁的热膨胀系数明显低于深冷处理前的热膨胀系数，且深冷处理后的尺寸变化（dL/L。）随温度的升高呈线性增加。此外，深冷处理前后合金铸铁在25～100℃的平均热膨胀系数分别为13.34×10-6K-和10.97×10-K-'。可以看出，合金铸铁经深冷处理后稳定性较好，这也从另一方面验证了在深冷过程中存在部分残留奥氏体转化成马氏体。
2.4 深冷处理对摩擦磨损性能的影响
为利用白光干涉仪获取360 N试验后的磨痕宽度，在磨痕的3处位置量取，然后取平均值，比对 ASTM G7705 Standard Test Method for Ranking Resistance of Materials to Sliding Wear Using Block-on- Ring Wear Test，可以得出合金铸铁在深冷处理前后的磨损体积，在同一载荷条件下，合金铸铁深冷处理前后的平均磨痕宽度分别为634.8和575.4 μm，对应的磨损体积分别为0.0076和0.0059 mm，由此可见，当载荷相同时，合金铸铁经深冷处理后磨损体积呈减小趋势。
结论
1）合金铸铁在深冷处理前后的石墨形态均主要以A型为主，级别为5级，深冷处理后在马氏体晶界上析出金属型碳化物，并且残留奥氏体的体积分数由19.6%减小为14.8%，合金铸铁在深冷过程中部分残留奥氏体转变为马氏体。
2）深冷处理能提高合金铸铁的硬度，由未深冷处理的50.6 HRC增加至53.6HRC，提高幅度约5.5%。
3）深冷处理能减小合金铸铁的热膨胀系数，在25～100 ℃的平均热膨胀系数由13.34×10-K减小至10.97×10-K-’，合金铸铁随温升其尺寸稳定性较好。
参考文献
[1]徐玉格，范少稳，王维国，等.曲轴磨损对压缩机能效的影响及改善措施[J].家电科技，2016（12）：44-46.
[2]艾峥嵘，吴红艳，高海涛，等.高速钢深冷处理作用机理研究现状[J].金属热处理，2014，39（3）：94-98.