摘要：铝合金在工业生产上的应用极其重要，对其进行深冷处理有着重要的意义。深冷处理不仅可以改善铝合金的力学性能，还能大幅度提高工件的使用寿命，使得铝合金的深冷处理可以广泛的应用于生产实践中。现今，国内外对深冷处理的研究较为丰富，但多数是关于高速钢等黑色金属的，对于铝合金的深冷处理的研究还显得不够系统与深入。本文结合了国内外学者对于铝合金的深冷处理的研究成果并结合自己的看法，对深冷处理对铝合金的性能影响、铝合金深冷处理机理的研究以及铝合金的深冷处理工艺等进行了综述，并对未来的研究方向提出自己的看法，以期为以后的研究提供一定的参考。
关键词：铝合金;深冷处理;性能;机理作者:蔡泰龙/晋芳伟
前言
铝合金是以铝为基的合金总称，主要合金元素有锌、硅、铜、镁、锰，次要合金元素有铬、铁、镍、锂等。由于它具有密度小、强度比高、塑性好、能承受压力加工等优点，所以在工业发展中具有相当重要的地位，大量的应用于航天、航空、汽车、船舶及机械制造与化学工业中。但对于性能要求较高的环境中，没经过特殊处理的铝合金又无法满足性能要求。而经过深冷处理的铝合金，抗拉强度、硬度、延伸率、强韧性和使用寿命均得到提高，而且可以改善组织均匀性，提高尺寸稳定性，从而使其能应用于各个性能要求较高的环境中。
深冷处理是指将材料放在零下℃以下的低温介质中，经过一定的工艺过程进行处理的工艺。深冷处理又称为超低温处理，常用的冷却介质有液氮、液氨。在航天航空业以及机械工业等都有着很广阔的应用前景。像机械工业中的各种磨具、刀具等经过深冷处理一般都能提高性能、使用寿命及尺寸稳定性。而且具有操作简单、无污染及成本低等特点。
早在一百多年前，人们就开始深冷处理用于钟表制造中，当时瑞士的钟表制造商就将一些关键零件埋在寒冷的阿尔卑斯雪山中，以提高零件的可靠性和耐磨性。而在上世纪50年代，美国人开始进行关于深冷处理对于材料的性能影响的研究，并于15年后首次将深冷处理用于实际生产中，此后，深冷处理开始引起世界各国学者的 我国对于深冷处理的研究较为晚，不论是在理论上还是工艺技术上及技术装备水平上都还有一定的差距。至今，国内关于深冷处理研究的相关文献较多，但大多数都是关于钢铁材料的，如工磨具钢、高速钢[1]及轴承钢等。对于有色金属也只有陈鼎、晋芳伟、汤光平、吴志生等人有对其进行较为深入的研究。且主要集中在铝合金以及铜合金上，但对于有关机理方面也尚未有定论。铝合金作为工业生产应用中极为重要的一类材料，研究其深冷处理的机理及工艺无疑具有重要的理论意义。笔者结合国内外在该领域的研究进行了综述，并对存在的一些的问题进行了分析，最后对进一步的研究方向提出了自己的看法。
1铝合金的深冷处理
1.1深冷处理对铝合金性能的影响
据相关研究表明，深冷处理对大部分牌号的铝合金都具有消除铝合金的残余应力、提高材料的屈服应力、强度、硬度、延伸率以及尺寸稳定性的作用。
如王秋成等[2,3]在研究中发现深冷处理对铝合金中残余应力的消除效果最高可达73%。杨峰[4]通过分析LY12铝合金时效处理及冷热循环处理后的微屈服应力一微塑性应变曲线特征，发现了经冷热循环处理后，LY12铝合金的微屈服行为发生了明显的变化，其原因在于冷热循环过程中急剧的高低温变化会使LY12铝合金产生微塑性变形。而对于尺寸的稳定性等方面，汤光平等人I5]有对其进行了较深入的研究，他们在对LD10铝合金循环处理的研究发现，深冷处理可以降低铝合金的残余应力并提高尺寸稳定性。但深冷处理对于少部分牌号的某些性能没有效果，有的甚至是有所下降。如陈鼎等人[6]对美国AA制牌号1～8系的12种常用变形铝合金性能和组织影响进行了系统的研究。结果表明深冷处理对于、、、、、和合金的强度提高有明显效果;而对于和合金，深冷处理前后的力学性能没有明显变化;对于合金深冷处理后的室温强度性能还有所下降，就是延伸率有所提高。
对于这些性能的影响，跟工艺过程与材料牌号的不同以及尺寸的大小也有很大的关系，不同的工艺过程与材料对铝合金性能的影响是巨大的，甚至有可能产生反的效果。如张帆等与王秀芳等在深冷处理对SiCp/2O24A1材料尺寸的影响就得到相反结果，具体介绍如下文。而材料尺寸的不同对性能的影响也有很大的影响，如王秋成等3应用有限元软件BAQUS研究深冷处理对铝合金材料的应力消除效果，分析发现深冷处理对于不同厚度的铝合金板材应力消除效果有很大的差异，其中深冷处理对于铝合金薄板(小于40mm)的应力消除效果较差;对于铝合金中厚板材(4O—lOOmm)的应力消除效果较好，且随着厚度的增大，应力消除的效果越好;对于铝合金厚板(大于lOOmm)，应力消除效果基本不变，保持着最大的消除效果(73%)。
1.2深冷处理在铝合金复合材料中的应用
铝基复合材料由于既具有铝材料的密度小、导热性好、强度比高、延展性好等优点，又有陶瓷增强相的硬度、刚度以及高温性能、耐磨性好以及膨胀系数小、良好的尺寸稳定性等优点使其在汽车、航空航天领域、电子和光学仪器中得到了广泛的应用。
陈文革等[8]在研究中发现深冷处理能有效提高复合材料的耐磨性能;他们认为复合材料经固溶时效及循环深冷处理后，体积收缩，基体点阵常数较深冷前要小，有效抑制磨粒和粘着磨损，从而提高了陶瓷铝基复合材料的耐磨性。
张帆等[9]在研究中发现了深冷处理会降低材料的尺寸稳定性。他们认为这是由于材料在经过深冷处理而降到低温时，造成材料的内部出现很高的微观热错配应力和位错密度，导致了应力弛豫，从而导致了材料的尺寸稳定性降低。这与李志林等[10]的研究结果一样。但是王秀芳等[11]却在研究中发现冷热循环处理对SiCp/A材料残余应力的消除有较好的效果，并且对时效析出也有促进作用，从而使得复合材料的尺寸稳定性得到提高。从以上结论可以得出不同工艺对于同种合金的影响会有不同。此外，还有一些学者的在研究中发现，深冷处理可以提高铝基复合材料抗拉强度和屈服强度，但是会导致材料的塑性下降[12,13]。
1.3深冷处理在铝合金点焊电极中的应用
由于铝合金所具有的密度小、比强度高、无磁性、良好的耐腐蚀性、低温韧性及成形性等特点而被广泛地应用于各种焊接结构中。例如航空航天轻量化装备、磁悬浮列车车体、轻轨电车以及汽车车身等，均采用铝合金代替钢材料焊接，在强度和刚度相同的情况下，与其他钢材相比，结构质量可减轻60%左右，可大大实现产品结构的轻量化，节约能源。但铝合金点焊也存在着接头软化问题、电极寿命低、焊点表面形差及点焊接头质量不稳定等问题[14]，所以需对其进行进一步研究使其达到焊接要求，而深冷处理工艺对其有较好的效果。有较多的国内外学者对铝合金点焊电极进行了深冷处理研究。研究结果表明，深冷处理对于焊接接头的强化、电极的导电性等的提高都有较为明显的作用，对于耐磨性和寿命的提高也有很大的效果。
吴志生等[15,16]进行了用深冷处理来改善铝合金电极性能的研究。研究结果表明经深冷处理后，电极的电阻率下降了约1/2，大大的提高了电极的导电能力。此外研究还发现深冷处理也能降低电极磨损率，提高电极的耐磨性。通过深冷处理改变电极微观组织，使电极导电和导热性能提高，延长点焊电极寿命约3.5倍。刘翠荣等[17]在研究中发现深冷处理能使电极端面的硬度增加和降低电极的烧损程度等功能。
靳鹏飞等[18]在研究中得出经深冷处理后的焊接接头，晶粒得到细化，且排列均匀致密，使得接头力学性能得到改善。并且在低温下，会使焊接接头的焊缝区晶格收缩，产生大量过饱和点缺陷，在内应力的作用下，一些点缺陷如空位等产生弥合，微缺陷减少，基体致密度增大，从而提高了焊缝区的强韧性。
吴志生等[19]在研究中得出深冷处理可以增强电极的导电、导热能力，使得铝合金在点焊过程中的电极产热减少，散热加快，从而提高了电极的寿命，并使电极抗变形能力、耐磨性能提高。
2铝合金深冷处理的机理研究
2.1国外关于铝合金深冷处理的机理研究
现在国内外学者对于深冷处理对铝合金的作用机理的研究开展的均较少，对于深冷处理的机理问题还未有定论，尚处于研究阶段。在国外，一些学者认为对于有色金属合金等无相变材料的深冷处理可以使晶界发生畸变并改善微观硬质点的分布，从而增强基体性能。也有一些物理学家认为深冷与超导以及物质的第四种状态超流动态有关[20]
2.2国内关于铝合金深冷处理的机理研究
在国内，关于深冷处理的机理问题主要有以下几种观点：第一，晋芳伟[21]通过对A1一Si合金的深冷处理研究，提出了铝合金在深冷处理过程中由于体积的急剧收缩，产生了相当大的应力，从而产生了大量的位错，而这些位错可与合金中的应力、晶界的相互作用以及自身的相互缠结提高合金的强度和塑性，同时，铝合金在低温下还获得大量的过饱和点缺陷(如空位)，在其渗透力作用下，位错发生增殖，这些位错一方面通过自身的相互缠绕及钉扎提高合金的强韧性，另一方面又与溶质原子相互作用导致沉淀物析出，从而加强弥散强化，改善合金性能。第二，陈鼎等[22]在有色金属合金的深冷处理发展概况的研究中，通过查看大量的研究实验结果，提出了铝及铝合金材料在深冷处理过程中由于体积收缩不仅使材料内部产生了大量的位错和亚晶等，而且能使材料的晶体结构发生变化，并能在深冷回复过程中产生回复再结晶，导致晶粒发生转动，择优取向形成了再结晶织构。当晶粒取向有利于阻碍位错滑移时，材料的强度性能得以提高。还有人认为深冷处理使金属材料产生体积收缩，当于对合金进行预时效[23]。
现在对于铝合金深冷处理的机理的研究还没有一致的定论，也因为对于不同的铝合金，所产生的内部变化也不大相同，所以对于研究机理需要对其进行系统的研究，使得对于同种铝合金的机理有较为一致的结论。
3铝合金材料的最佳工艺过程研究
3.1深冷处理的工艺过程
工艺过程在很大程度上对各方面的性能都有影响，好的工艺处理可以有效地提高力学性能、使用寿命等方面的性能，而工艺处理得不好不仅无法提高力学性能，还可能使各个方面性能都有所下降。
对于不同的金属材料，最佳的深冷处理工艺一般不同。甚至对于同类型的金属材料，最佳工艺也不大相同。所以研究一种材料的最佳工艺就需要单独对其进行研究，以得出此材料的最佳工艺。
从各种研究报告中得知，铝合金的深冷处理工艺还没有形成一个统一的观点。就像对于深冷剂液氮的使用方法就有液体法和气体法两种，主要区别在于液体法可处理温度可达到-℃，而气体法可以达到-℃，且液体法有冲击性。深冷处理时间上就有40min的、4h的、24h的和72h的[23]，而升降温速率也有缓慢与急速两种，以及回火工艺和深冷处理工艺顺序也没有统一的观点，还有深冷次数也有一定的争议。对于最佳工艺的不同主要在于材料不同或性能要求的不同，但是否是这些原因或者是还有其它的原因还得进行进一步探索。
3.2铝合金深冷处理的工艺过程及影响
对铝合金而言，其深冷处理工艺主要有两种[24]：一种是深冷一急热法，另外一种为冷一热循环处理法，两种方法比较而言，后者较前者更好。在陈鼎[25]等认为后者是因为材料发生塑性变形释放了一部分的弹性应变，而每次冷热循环都会发生塑性变形而使材料的残余应力降低，所以应力消除得比较彻底。深冷——急热法则是因为原有的残余应力与深冷过程中产生的应力值不恒定而使残余应力互相抵消，所以效果较差。此方法对于形状较为复杂的工件很难通过蒸气喷射使各个表面获得较为均匀的极热效应，且容易使得工件变形和扰曲，也只有对形状简单些的、对称性好些工件才不易引起工件变形和挠曲，而且需要用的设备费用较高，所以应用得较少。
对于深冷一急热法有如董立新等[26]在对7A04铝合金强度的工艺研究，研究结果表明7A04铝合金在℃的温度介质下保温80min后再放置于℃的温度介质下保温4h，并经过时效处理后深冷，再放置于℃的温度介质下保温16h的工艺处理，使再结晶较充分，从而晶粒细化，增加了晶界面积，并且有较多的弥散细小第二相析出。抗拉强度可提高到MPa，相对T6状态7A04铝合金抗拉强度提高了95MPa。
对于冷一热循环处理法的研究较多，有汤光平、黄文荣[5]通过几组实验分别研究了工艺路线、循环温差以及循环次数对力学性能的影响。工艺方案如表1。实验结果表明经过循环处理的能同时提高材料的强度和塑性，经过固溶和循环处理后未经过时效处理的强度较低，而循环处理的温差和次数对力学的影响不敏感。
表1LD10铝合金循环处理工艺方案
注:表中S、A、C和A’分别表示固溶、时效、循环处理和二次时效。
而也有学者采用深冷一急热与循环处理进行结合的工艺，如王秋成、柯映林[27]就使用深冷一急热循环处理工艺对工件进行处理，工艺过程如图1所示。研究结果表明，在航空业中，对于25mm和12.5mm的铝合金式样，在满足机械性能指标和电导率的情况下，经过液氮(-℃)中深冷30min以上，在℃的有机介质中加热大约15min，且循环3次，对于残余应力的消除效果最好，消除率可以达到58%。实验也证明了对于循环次数来说，第一次的消除残余应力的效果最为显著，第2、3次效果已经不明显，再增加循环次数已无多大意义，只会增加制造成本罢了。
图1铝合金深冷处理的工艺流程图
另外，也有一些研究人员采用一种缓慢的升降温工艺方案来减少材料的残余应力。如陈鼎、黎文献[6,28]就通过采用美国CI公司制造的CI一装置进行深冷处理。其工艺过程为：在10—12h内从室温缓慢降到80K，在8OK的温度下保温20—24h，在12—18h内缓慢回复到室温，在5—6h内升温到K。
对于深冷处理工艺，最佳的工艺路线需要进一步研究，对于最佳的升温速率、降温速率、保温时间保温温度等都需要进一步的研究。而对于要求不同的产品，最佳工艺也不太一样，甚至截然相反，所以对于不同材料，不同的性能要求，需要对其研究相应的最佳工艺路线，使得更好的生产出最佳产品。
4铝合金深冷处理的前景与未来研究方向
由于铝合金的密度低、强度比较高、塑性好、可加工成各种型材等优点而广泛的应用于航天航空、汽车制造等工业中，而深冷处理不仅可以提高铝合金的强度、硬度，又可以消除铝合金的内应力和提高寿命等，而且深冷处理又具有操作简单、成本低、无污染等优点，使得铝合金的深冷处理具有很好的发展前景。对于未来研究，笔者认为应该各个常用型号进行系统的深冷处理研究，得出各种工艺方案对应各个性能改变情况，如材料的强度多少，硬度多少，残余应力多少等，制作成一个表格或曲线，然后总结出有用的工艺路线，制作成手册，以便以后在工业上所需的铝合金材料型号和工艺进行选择，这样可以减少材料成本以及加工成本，可以选择最佳的材料，提高性价比。之后把同种工艺对不同材料处理所产生的性能相同或相似的归为一类材料，找出这一类材料的共同点，然后对它们进行机理研究，找出规律，得出结论，这样就可让这种工艺应用于与这一类相似的材料。比如，对于含碳量不同的碳素钢来说，在含碳量多少到多少的可以用某工艺进行处理效果最好，或者说所有Si—A1合金都可用哪种工艺进行深冷处理。当然了，研究结果是否存在这一规律还得到经过研究后才能得知。还有，由于深冷处理对于不同的厚度材料的性能影响也不大相同，所以也要对其进行研究的时候也要选择相同厚度的材料，对于同种材料不同厚度的也要对其进行系统研究。但是这样的研究是个相当庞大的工程，需要庞大的人力以及物力，所以需要国家与企业以及各高校进行合作研发，使得铝合金更好的用于生产实践中，提高企业的效率。
5结语
铝合金作为一种在工业生产应用中不可或缺的材料，研究其深冷处理具有重要的意义，了解深冷处理对铝合金的影响可以使我们更好的利用铝合金材料，对其机理的研究则可以使我们了解性能改变的由来，更好的使深冷处理用于生产实践中，给深冷处理应用于铝合金材料上带来更大的发展空间。而对于工艺的研究则可以让我们选择最好的工艺路线，选择最佳的材料，降低材料成本以及生产成本。而好的工艺路线也需要配上好的工艺设备，特别是冷却保温设备，使工件温度按照温度曲线进行，使得性能与实验性能相一致。更好的把深冷处理用于生产实践中。
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