摘要：鋁合金在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用極其重要，對其進(jìn)行深冷處理有著重要的意義。深冷處理不僅可以改善鋁合金的力學(xué)性能，還能大幅度提高工件的使用壽命，使得鋁合金的深冷處理可以廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中?，F(xiàn)今，國內(nèi)外對深冷處理的研究較為豐富，但多數(shù)是關(guān)于高速鋼等黑色金屬的，對于鋁合金的深冷處理的研究還顯得不夠系統(tǒng)與深入。本文結(jié)合了國內(nèi)外學(xué)者對于鋁合金的深冷處理的研究成果并結(jié)合自己的看法，對深冷處理對鋁合金的性能影響、鋁合金深冷處理機(jī)理的研究以及鋁合金的深冷處理工藝等進(jìn)行了綜述，并對未來的研究方向提出自己的看法，以期為以后的研究提供一定的參考。

　　關(guān)鍵詞：鋁合金;深冷處理;性能;機(jī)理   作者:蔡泰龍/晉芳偉

　　前言

　　鋁合金是以鋁為基的合金總稱，主要合金元素有鋅、硅、銅、鎂、錳，次要合金元素有鉻、鐵、鎳、鋰等。由于它具有密度小、強(qiáng)度比高、塑性好、能承受壓力加工等優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)發(fā)展中具有相當(dāng)重要的地位，大量的應(yīng)用于航天、航空、汽車、船舶及機(jī)械制造與化學(xué)工業(yè)中。但對于性能要求較高的環(huán)境中，沒經(jīng)過特殊處理的鋁合金又無法滿足性能要求。而經(jīng)過深冷處理的鋁合金，抗拉強(qiáng)度、硬度、延伸率、強(qiáng)韌性和使用壽命均得到提高，而且可以改善組織均勻性，提高尺寸穩(wěn)定性，從而使其能應(yīng)用于各個性能要求較高的環(huán)境中。

　　深冷處理是指將材料放在零下130℃以下的低溫介質(zhì)中，經(jīng)過一定的工藝過程進(jìn)行處理的工藝。深冷處理又稱為超低溫處理，常用的冷卻介質(zhì)有液氮、液氨。在航天航空業(yè)以及機(jī)械工業(yè)等都有著很廣闊的應(yīng)用前景。像機(jī)械工業(yè)中的各種磨具、刀具等經(jīng)過深冷處理一般都能提高性能、使用壽命及尺寸穩(wěn)定性。而且具有操作簡單、無污染及成本低等特點(diǎn)。

　　早在一百多年前，人們就開始深冷處理用于鐘表制造中，當(dāng)時瑞士的鐘表制造商就將一些關(guān)鍵零件埋在寒冷的阿爾卑斯雪山中，以提高零件的可靠性和耐磨性。而在上世紀(jì)50年代，美國人開始進(jìn)行關(guān)于深冷處理對于材料的性能影響的研究，并于15年后首次將深冷處理用于實(shí)際生產(chǎn)中，此后，深冷處理開始引起世界各國學(xué)者的關(guān)注。

　　我國對于深冷處理的研究較為晚，不論是在理論上還是工藝技術(shù)上及技術(shù)裝備水平上都還有一定的差距。至今，國內(nèi)關(guān)于深冷處理研究的相關(guān)文獻(xiàn)較多，但大多數(shù)都是關(guān)于鋼鐵材料的，如工磨具鋼、高速鋼[1]及軸承鋼等。對于有色金屬也只有陳鼎、晉芳偉、湯光平、吳志生等人有對其進(jìn)行較為深入的研究。且主要集中在鋁合金以及銅合金上，但對于有關(guān)機(jī)理方面也尚未有定論。鋁合金作為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中極為重要的一類材料，研究其深冷處理的機(jī)理及工藝無疑具有重要的理論意義。筆者結(jié)合國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了綜述，并對存在的一些的問題進(jìn)行了分析，最后對進(jìn)一步的研究方向提出了自己的看法。

　　1 鋁合金的深冷處理

　　1.1深冷處理對鋁合金性能的影響

　　據(jù)相關(guān)研究表明，深冷處理對大部分牌號的鋁合金都具有消除鋁合金的殘余應(yīng)力、提高材料的屈服應(yīng)力、強(qiáng)度、硬度、延伸率以及尺寸穩(wěn)定性的作用。

　　如王秋成等[2,3]在研究中發(fā)現(xiàn)深冷處理對7075鋁合金中殘余應(yīng)力的消除效果最高可達(dá)73%。楊峰[4]通過分析LY12鋁合金時效處理及冷熱循環(huán)處理后的微屈服應(yīng)力一微塑性應(yīng)變曲線特征，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)冷熱循環(huán)處理后，LY12鋁合金的微屈服行為發(fā)生了明顯的變化，其原因在于冷熱循環(huán)過程中急劇的高低溫變化會使LY12鋁合金產(chǎn)生微塑性變形。而對于尺寸的穩(wěn)定性等方面，湯光平等人I5]有對其進(jìn)行了較深入的研究，他們在對LD10鋁合金循環(huán)處理的研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以降低鋁合金的殘余應(yīng)力并提高尺寸穩(wěn)定性。但深冷處理對于少部分牌號的某些性能沒有效果，有的甚至是有所下降。如陳鼎等人[6]對美國AA制牌號1～8系的12種常用變形鋁合金性能和組織影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明深冷處理對于1230、2017、2024、3003、4032、7075和8009合金的強(qiáng)度提高有明顯效果;而對于5254和2618合金，深冷處理前后的力學(xué)性能沒有明顯變化;對于6063合金深冷處理后的室溫強(qiáng)度性能還有所下降，就是延伸率有所提高。

　　對于這些性能的影響，跟工藝過程與材料牌號的不同以及尺寸的大小也有很大的關(guān)系，不同的工藝過程與材料對鋁合金性能的影響是巨大的，甚至有可能產(chǎn)生反的效果。如張帆等與王秀芳等在深冷處理對SiCp/2O24A1材料尺寸的影響就得到相反結(jié)果，具體介紹如下文。而材料尺寸的不同對性能的影響也有很大的影響，如王秋成等3應(yīng)用有限元軟件BAQUS研究深冷處理對7075鋁合金材料的應(yīng)力消除效果，分析發(fā)現(xiàn)深冷處理對于不同厚度的7050鋁合金板材應(yīng)力消除效果有很大的差異，其中深冷處理對于鋁合金薄板(小于40mm)的應(yīng)力消除效果較差;對于鋁合金中厚板材(4O—lOOmm)的應(yīng)力消除效果較好，且隨著厚度的增大，應(yīng)力消除的效果越好;對于鋁合金厚板(大于lOOmm)，應(yīng)力消除效果基本不變，保持著最大的消除效果(73%)。

　　1.2深冷處理在鋁合金復(fù)合材料中的應(yīng)用

　　鋁基復(fù)合材料由于既具有鋁材料的密度小、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度比高、延展性好等優(yōu)點(diǎn)，又有陶瓷增強(qiáng)相的硬度、剛度以及高溫性能、耐磨性好以及膨脹系數(shù)小、良好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)使其在汽車、航空航天領(lǐng)域、電子和光學(xué)儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　陳文革等[8]在研究中發(fā)現(xiàn)深冷處理能有效提高復(fù)合材料的耐磨性能;他們認(rèn)為復(fù)合材料經(jīng)固溶時效及循環(huán)深冷處理后，體積收縮，基體點(diǎn)陣常數(shù)較深冷前要小，有效抑制磨粒和粘著磨損，從而提高了陶瓷鋁基復(fù)合材料的耐磨性。

　　張帆等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)了深冷處理會降低材料的尺寸穩(wěn)定性。他們認(rèn)為這是由于材料在經(jīng)過深冷處理而降到低溫時，造成材料的內(nèi)部出現(xiàn)很高的微觀熱錯配應(yīng)力和位錯密度，導(dǎo)致了應(yīng)力弛豫，從而導(dǎo)致了材料的尺寸穩(wěn)定性降低。這與李志林等[10]的研究結(jié)果一樣。但是王秀芳等[11]卻在研究中發(fā)現(xiàn)冷熱循環(huán)處理對SiCp/2024A材料殘余應(yīng)力的消除有較好的效果，并且對時效析出也有促進(jìn)作用，從而使得復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性得到提高。從以上結(jié)論可以得出不同工藝對于同種合金的影響會有不同。此外，還有一些學(xué)者的在研究中發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以提高鋁基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，但是會導(dǎo)致材料的塑性下降[12,13]。

　　1.3深冷處理在鋁合金點(diǎn)焊電極中的應(yīng)用

　　由于鋁合金所具有的密度小、比強(qiáng)度高、無磁性、良好的耐腐蝕性、低溫韌性及成形性等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)中。例如航空航天輕量化裝備、磁懸浮列車車體、輕軌電車以及汽車車身等，均采用鋁合金代替鋼材料焊接，在強(qiáng)度和剛度相同的情況下，與其他鋼材相比，結(jié)構(gòu)質(zhì)量可減輕60%左右，可大大實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的輕量化，節(jié)約能源。但鋁合金點(diǎn)焊也存在著接頭軟化問題、電極壽命低、焊點(diǎn)表面形差及點(diǎn)焊接頭質(zhì)量不穩(wěn)定等問題[14]，所以需對其進(jìn)行進(jìn)一步研究使其達(dá)到焊接要求，而深冷處理工藝對其有較好的效果。有較多的國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金點(diǎn)焊電極進(jìn)行了深冷處理研究。研究結(jié)果表明，深冷處理對于焊接接頭的強(qiáng)化、電極的導(dǎo)電性等的提高都有較為明顯的作用，對于耐磨性和壽命的提高也有很大的效果。

　　吳志生等[15,16]進(jìn)行了用深冷處理來改善鋁合金電極性能的研究。研究結(jié)果表明經(jīng)深冷處理后，電極的電阻率下降了約1/2，大大的提高了電極的導(dǎo)電能力。此外研究還發(fā)現(xiàn)深冷處理也能降低電極磨損率，提高電極的耐磨性。通過深冷處理改變電極微觀組織，使電極導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能提高，延長點(diǎn)焊電極壽命約3.5倍。劉翠榮等[17]在研究中發(fā)現(xiàn)深冷處理能使電極端面的硬度增加和降低電極的燒損程度等功能。

　　靳鵬飛等[18]在研究中得出經(jīng)深冷處理后的焊接接頭，晶粒得到細(xì)化，且排列均勻致密，使得接頭力學(xué)性能得到改善。并且在低溫下，會使焊接接頭的焊縫區(qū)晶格收縮，產(chǎn)生大量過飽和點(diǎn)缺陷，在內(nèi)應(yīng)力的作用下，一些點(diǎn)缺陷如空位等產(chǎn)生彌合，微缺陷減少，基體致密度增大，從而提高了焊縫區(qū)的強(qiáng)韌性。

　　吳志生等[19]在研究中得出深冷處理可以增強(qiáng)電極的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，使得鋁合金在點(diǎn)焊過程中的電極產(chǎn)熱減少，散熱加快，從而提高了電極的壽命，并使電極抗變形能力、耐磨性能提高。

　　2 鋁合金深冷處理的機(jī)理研究

　　2.1國外關(guān)于鋁合金深冷處理的機(jī)理研究

　　現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者對于深冷處理對鋁合金的作用機(jī)理的研究開展的均較少，對于深冷處理的機(jī)理問題還未有定論，尚處于研究階段。在國外，一些學(xué)者認(rèn)為對于有色金屬合金等無相變材料的深冷處理可以使晶界發(fā)生畸變并改善微觀硬質(zhì)點(diǎn)的分布，從而增強(qiáng)基體性能。也有一些物理學(xué)家認(rèn)為深冷與超導(dǎo)以及物質(zhì)的第四種狀態(tài)超流動態(tài)有關(guān)[20]

　　2.2國內(nèi)關(guān)于鋁合金深冷處理的機(jī)理研究

　　在國內(nèi)，關(guān)于深冷處理的機(jī)理問題主要有以下幾種觀點(diǎn)：第一，晉芳偉[21]通過對A1一Si合金的深冷處理研究，提出了鋁合金在深冷處理過程中由于體積的急劇收縮，產(chǎn)生了相當(dāng)大的應(yīng)力，從而產(chǎn)生了大量的位錯，而這些位錯可與合金中的應(yīng)力、晶界的相互作用以及自身的相互纏結(jié)提高合金的強(qiáng)度和塑性，同時，鋁合金在低溫下還獲得大量的過飽和點(diǎn)缺陷(如空位)，在其滲透力作用下，位錯發(fā)生增殖，這些位錯一方面通過自身的相互纏繞及釘扎提高合金的強(qiáng)韌性，另一方面又與溶質(zhì)原子相互作用導(dǎo)致沉淀物析出，從而加強(qiáng)彌散強(qiáng)化，改善合金性能。第二，陳鼎等[22]在有色金屬合金的深冷處理發(fā)展概況的研究中，通過查看大量的研究實(shí)驗結(jié)果，提出了鋁及鋁合金材料在深冷處理過程中由于體積收縮不僅使材料內(nèi)部產(chǎn)生了大量的位錯和亞晶等，而且能使材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并能在深冷回復(fù)過程中產(chǎn)生回復(fù)再結(jié)晶，導(dǎo)致晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，擇優(yōu)取向形成了再結(jié)晶織構(gòu)。當(dāng)晶粒取向有利于阻礙位錯滑移時，材料的強(qiáng)度性能得以提高。還有人認(rèn)為深冷處理使金屬材料產(chǎn)生體積收縮，當(dāng)于對合金進(jìn)行預(yù)時效[23]。

　　現(xiàn)在對于鋁合金深冷處理的機(jī)理的研究還沒有一致的定論，也因為對于不同的鋁合金，所產(chǎn)生的內(nèi)部變化也不大相同，所以對于研究機(jī)理需要對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，使得對于同種鋁合金的機(jī)理有較為一致的結(jié)論。

　　3 鋁合金材料的最佳工藝過程研究

　　3.1深冷處理的工藝過程

　　工藝過程在很大程度上對各方面的性能都有影響，好的工藝處理可以有效地提高力學(xué)性能、使用壽命等方面的性能，而工藝處理得不好不僅無法提高力學(xué)性能，還可能使各個方面性能都有所下降。

　　對于不同的金屬材料，最佳的深冷處理工藝一般不同。甚至對于同類型的金屬材料，最佳工藝也不大相同。所以研究一種材料的最佳工藝就需要單獨(dú)對其進(jìn)行研究，以得出此材料的最佳工藝。

　　從各種研究報告中得知，鋁合金的深冷處理工藝還沒有形成一個統(tǒng)一的觀點(diǎn)。就像對于深冷劑液氮的使用方法就有液體法和氣體法兩種，主要區(qū)別在于液體法可處理溫度可達(dá)到-150℃，而氣體法可以達(dá)到-196℃，且液體法有沖擊性。深冷處理時間上就有40min的、4h的、24h的和72h的[23]，而升降溫速率也有緩慢與急速兩種，以及回火工藝和深冷處理工藝順序也沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)，還有深冷次數(shù)也有一定的爭議。對于最佳工藝的不同主要在于材料不同或性能要求的不同，但是否是這些原因或者是還有其它的原因還得進(jìn)行進(jìn)一步探索。

　　3.2鋁合金深冷處理的工藝過程及影響

　　對鋁合金而言，其深冷處理工藝主要有兩種[24]：一種是深冷一急熱法，另外一種為冷一熱循環(huán)處理法，兩種方法比較而言，后者較前者更好。在陳鼎[25]等認(rèn)為后者是因為材料發(fā)生塑性變形釋放了一部分的彈性應(yīng)變，而每次冷熱循環(huán)都會發(fā)生塑性變形而使材料的殘余應(yīng)力降低，所以應(yīng)力消除得比較徹底。深冷——急熱法則是因為原有的殘余應(yīng)力與深冷過程中產(chǎn)生的應(yīng)力值不恒定而使殘余應(yīng)力互相抵消，所以效果較差。此方法對于形狀較為復(fù)雜的工件很難通過蒸氣噴射使各個表面獲得較為均勻的極熱效應(yīng)，且容易使得工件變形和擾曲，也只有對形狀簡單些的、對稱性好些工件才不易引起工件變形和撓曲，而且需要用的設(shè)備費(fèi)用較高，所以應(yīng)用得較少。

　　對于深冷一急熱法有如董立新等[26]在對7A04鋁合金強(qiáng)度的工藝研究，研究結(jié)果表明7A04鋁合金在480℃的溫度介質(zhì)下保溫80min后再放置于120℃的溫度介質(zhì)下保溫4h，并經(jīng)過時效處理后深冷，再放置于120℃的溫度介質(zhì)下保溫16h的工藝處理，使再結(jié)晶較充分，從而晶粒細(xì)化，增加了晶界面積，并且有較多的彌散細(xì)小第二相析出?？估瓘?qiáng)度可提高到720MPa，相對T6狀態(tài)7A04鋁合金抗拉強(qiáng)度提高了95MPa。

　　對于冷一熱循環(huán)處理法的研究較多，有湯光平、黃文榮[5]通過幾組實(shí)驗分別研究了工藝路線、循環(huán)溫差以及循環(huán)次數(shù)對力學(xué)性能的影響。工藝方案如表1。實(shí)驗結(jié)果表明經(jīng)過循環(huán)處理的能同時提高材料的強(qiáng)度和塑性，經(jīng)過固溶和循環(huán)處理后未經(jīng)過時效處理的強(qiáng)度較低，而循環(huán)處理的溫差和次數(shù)對力學(xué)的影響不敏感。

表1LD10鋁合金循環(huán)處理工藝方案

　　注:表中S、A、C和A’分別表示固溶、時效、循環(huán)處理和二次時效。

　　而也有學(xué)者采用深冷一急熱與循環(huán)處理進(jìn)行結(jié)合的工藝，如王秋成、柯映林[27]就使用深冷一急熱循環(huán)處理工藝對工件進(jìn)行處理，工藝過程如圖1所示。研究結(jié)果表明，在航空業(yè)中，對于25mm和12.5mm的7050鋁合金式樣，在滿足機(jī)械性能指標(biāo)和電導(dǎo)率的情況下，經(jīng)過液氮(-196℃)中深冷30min以上，在175℃的有機(jī)介質(zhì)中加熱大約15min，且循環(huán)3次，對于殘余應(yīng)力的消除效果最好，消除率可以達(dá)到58%。實(shí)驗也證明了對于循環(huán)次數(shù)來說，第一次的消除殘余應(yīng)力的效果最為顯著，第2、3次效果已經(jīng)不明顯，再增加循環(huán)次數(shù)已無多大意義，只會增加制造成本罷了。

圖17050鋁合金深冷處理的工藝流程圖

　　另外，也有一些研究人員采用一種緩慢的升降溫工藝方案來減少材料的殘余應(yīng)力。如陳鼎、黎文獻(xiàn)[6,28]就通過采用美國CI公司制造的CI一351裝置進(jìn)行深冷處理。其工藝過程為：在10—12h內(nèi)從室溫緩慢降到80K，在8OK的溫度下保溫20—24h，在12—18h內(nèi)緩慢回復(fù)到室溫，在5—6h內(nèi)升溫到423K。

　　對于深冷處理工藝，最佳的工藝路線需要進(jìn)一步研究，對于最佳的升溫速率、降溫速率、保溫時間保溫溫度等都需要進(jìn)一步的研究。而對于要求不同的產(chǎn)品，最佳工藝也不太一樣，甚至截然相反，所以對于不同材料，不同的性能要求，需要對其研究相應(yīng)的最佳工藝路線，使得更好的生產(chǎn)出最佳產(chǎn)品。

　　4 鋁合金深冷處理的前景與未來研究方向

　　由于鋁合金的密度低、強(qiáng)度比較高、塑性好、可加工成各種型材等優(yōu)點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用于航天航空、汽車制造等工業(yè)中，而深冷處理不僅可以提高鋁合金的強(qiáng)度、硬度，又可以消除鋁合金的內(nèi)應(yīng)力和提高壽命等，而且深冷處理又具有操作簡單、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，使得鋁合金的深冷處理具有很好的發(fā)展前景。對于未來研究，筆者認(rèn)為應(yīng)該各個常用型號進(jìn)行系統(tǒng)的深冷處理研究，得出各種工藝方案對應(yīng)各個性能改變情況，如材料的強(qiáng)度多少，硬度多少，殘余應(yīng)力多少等，制作成一個表格或曲線，然后總結(jié)出有用的工藝路線，制作成手冊，以便以后在工業(yè)上所需的鋁合金材料型號和工藝進(jìn)行選擇，這樣可以減少材料成本以及加工成本，可以選擇最佳的材料，提高性價比。之后把同種工藝對不同材料處理所產(chǎn)生的性能相同或相似的歸為一類材料，找出這一類材料的共同點(diǎn)，然后對它們進(jìn)行機(jī)理研究，找出規(guī)律，得出結(jié)論，這樣就可讓這種工藝應(yīng)用于與這一類相似的材料。比如，對于含碳量不同的碳素鋼來說，在含碳量多少到多少的可以用某工藝進(jìn)行處理效果最好，或者說所有Si—A1合金都可用哪種工藝進(jìn)行深冷處理。當(dāng)然了，研究結(jié)果是否存在這一規(guī)律還得到經(jīng)過研究后才能得知。還有，由于深冷處理對于不同的厚度材料的性能影響也不大相同，所以也要對其進(jìn)行研究的時候也要選擇相同厚度的材料，對于同種材料不同厚度的也要對其進(jìn)行系統(tǒng)研究。但是這樣的研究是個相當(dāng)龐大的工程，需要龐大的人力以及物力，所以需要國家與企業(yè)以及各高校進(jìn)行合作研發(fā)，使得鋁合金更好的用于生產(chǎn)實(shí)踐中，提高企業(yè)的效率。

　　5 結(jié)語

　　鋁合金作為一種在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中不可或缺的材料，研究其深冷處理具有重要的意義，了解深冷處理對鋁合金的影響可以使我們更好的利用鋁合金材料，對其機(jī)理的研究則可以使我們了解性能改變的由來，更好的使深冷處理用于生產(chǎn)實(shí)踐中，給深冷處理應(yīng)用于鋁合金材料上帶來更大的發(fā)展空間。而對于工藝的研究則可以讓我們選擇最好的工藝路線，選擇最佳的材料，降低材料成本以及生產(chǎn)成本。而好的工藝路線也需要配上好的工藝設(shè)備，特別是冷卻保溫設(shè)備，使工件溫度按照溫度曲線進(jìn)行，使得性能與實(shí)驗性能相一致。更好的把深冷處理用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

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