[科普中国]-深冷处理

深冷处理概述

深冷处理技术是20世纪60年代在普通冷处理（- 100~ 0℃）的基础上发展起来的一门新技术，是在- 130℃以下对材料进行处理的一种方法，是最新的材料强韧化处理工艺之一。深冷处理可有效提高钢铁材料、非铁金属及复合材料的力学性能和使用寿命，稳定尺寸，改善均匀性，减小变形，而且操作简便，不破坏工件，无污染，成本低，具有积极的应用前景和发展空间。

目前，特别是美国、日本、英国、俄罗斯等国家都在积极地开展这方面的研究，并把这一技术应用到很多领域中对材料进行处理，如航空航天、精密仪器仪表、摩擦偶件、工具、模具和量具、纺织机械零件、汽车工业和军事科学领域，取得了很大的经济效益。我国也有一些单位开展了深冷处理的研究及应用，特别是在标准行业、工具行业、纺织行业、油嘴油泵、轴承、航空航天部门等，材料主要是工具钢、轴承钢和高速钢。

分类根据冷却方式的不同，深冷处理可以分为制冷机法和低温液体冷却法两类。压缩空气制冷曾经得到一定程度的应用，但是由于设备存在结构复杂、维修不方便等缺点，目前很少采用。最近几年发展起来的低温冰箱，随着最低制冷温度的下降，同时由于其结构紧凑和操作运行简便等优点，有望在-100 ℃的温度附近得到广泛的应用。然而，对于温度更低的深冷处理，其应用时机还不成熟。目前最常采用的则是低温液体冷却法，由于液氮的温度合适、来源广泛、无污染、价格比较便宜，大多情况下利用液氮作为冷媒介质，有时还利用液氮和酒精等介质混合的方式获取不同的温度。

深冷处理工艺对于深冷处理技术，其处理工艺是决定处理效果的关键。深冷处理工艺‘中的关键影响因素主要包括：深冷处理方式、升降温速度、回火前处理或者回火后处理、保温时间、深冷次数等。

1、深冷处理方式

可分为液体法和气体法两种。液体法是将工件直接放入液氮中，处理温度为- 150℃。该方法的缺点是热冲击性大，有时甚至造成工件开裂。气体法是通过液氮的汽化潜热和低温氮气吸热来制冷，处理温度达- 196℃，处理效果较好。

3、升降温速度

目前，对深冷升、降温速度主要有两种观点。一种观点认为深冷的升降温速度不能太快，即不赞成将工件直接浸入液氮中，因为激冷将导致工件内部的应力增大，易造成工件的变形或开裂。如日本的“深冷急热法”，工件淬火后不马上进行冷处理，而是先放入水浴，再放入处理槽中在-80℃或-180℃下进行冷处理，保温一段时间后立即放人60C热水浴中，使试样快速回温以减小内应力，然后选用不同温度回火1h。

另一种观点则认为应快速冷却或升温，这样会使奥氏体更易转变为马氏体，且直浸冷却速率比油淬慢，不易引起材料的变形或开裂。如前苏联的“冲击法”，将被处理的工件直接快速地放入液氮中，深冷到所需的温度后保温5~ 30min，然后取出放在室温下，待其恢复到室温后，再在200~ 500℃的油中回火1h。该方法明显地提高了高速钢刀具的使用寿命。

3、回火前处理或者回火后处理

按回火工艺的顺序，深冷处理可分为回火后深冷处理与回火前深冷处理。研究表明：回火前深冷能较大地提高工件的可加工性，回火后深冷能大幅度提高工件的力学性能。对于受冲击载荷较大、易弯曲的模具，应进行回火后深冷，而对于要求硬度高、动载荷较大的模具，则进行回火前深冷。回火后深冷能使硬度较低的奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和耐热性更高的马氏体。

对于20钢而言，采用回火后深冷处理对其硬度、强度提高不明显，因为中低碳钢淬火后残留奥氏体的数量较少，回火后会形成残留奥氏体稳定相。对于T8钢、3Cr2W8V钢和9SiCr钢，采用回火后深冷处理能显著提高强度，但冲击韧度下降；采用回火前深冷处理，118钢的硬度、韧性不变而抗弯强度提高，3Cr2W8V钢的硬度、强度、韧性均提高，9SiCr钢的硬度提高不明显，但冲击韧度提高近两倍。

4、深冷处理的时间

深冷处理时间的长短，主要应考虑被处理工件的导热性、体积、冷透所需的时间及残留奥氏体的转化稳定情况等因素，不必考虑奥氏体向马氏体的转变速度。很多学者认为，深冷处理时间长的要比短的效果好，因为长时间深冷可以使钢中的残留奥氏体充分地转变及更有利于碳化物粒子的形成，转变完成后，材料的硬度不会再有明显的变化。工件尺寸越小，完成转变所需的时问越短，所以日前深冷处理时问一般取24h以上，也有些单位取48h以上。

5、深冷处理的次数

一般认为经二次深冷处理效果最佳，如前苏联采用的“热循环稳定处理法”。因为经二次深冷处理可以最大限度地改善材料的力学性能，重复第一次的变化，即细小碳化物的析出、马氏体针（片）的细化以及残留奥氏体向马氏体的转变；经二次深冷处理后，材料的组织将不再发生变化。材料不同，深冷处理温度也不同，材料硬度的增加也就不一样，但有一点可以肯定，深冷处理不会降低材料的原有硬度。2

应用举例一般把在-130C以下对工件进行处理而使工件的某些性能提高的方法称为深冷处理。

GCr15钢在常规热处理后会存在较多残留奥氏体，当淬火温度高、回火温度低时，残留奥氏体更多，约达15%左右。经深冷处理，由于在Mf点以下残留奥氏体会进一步向马氏体转化，可使残留奥氏体下降到3%以下。同时，由于深冷时马氏体受到收缩应力，增强了碳原子析出驱动力。在马氏体基体上析出超细碳化物。下图为GCr15钢常规热处理试样深冷处理前后组织形貌对比。

深冷处理后组织的变化可导致性能的提高：其一残留奥氏体减少可提高工件的尺寸稳定性；其二由于马氏体的增加可提高硬度；其二，由于马氏体增加及细小碳化物析出可提高耐磨性。但是由于深冷处理后残留奥氏体的减少，工件的冲击吸收功将会有一定的下降。3

深冷处理作用1、提升工件的硬度及强度
2、保证工件的尺寸精度
3、提高工件的耐磨性
4、提高工件的冲击韧性
5、改善工件内应力分布，提高疲劳强度
6、提高工件的耐腐蚀性能