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深冷處理設備在熱處理中起的作用
日期：2025-10-30 03:48
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摘要：
國外通常是用sub-zero、Cryogenic Treatment、Deep Cryogenic Treatment等叫法。
深冷處理設備在熱處理中起作用機理如下：
1、 提升工件的硬度及強度
深冷處理某種意義上是淬火的延續，通過降低溫度讓Mf點在常溫以下的材料繼續完成A向M的轉變，像某些高碳高合金鋼及低合金滲碳鋼Mf點都比較低，在常規淬火后，殘余奧氏體可達25%，甚至更高，通過繼續轉變，通?？梢蕴?*RC1-3度，多時甚至可達HRC5-6度。
在馬氏體基體析出納米級別的超細碳化物，微量提升了工件的硬度，上海交大的錢士強用16Mn實驗，基本撇開了殘奧轉變的影響，經多次深冷的工件相比未深冷的硬度提高了HRC約1.5度，說明彌散分布的超細碳化物對組織起到了彌散強化的作用。
根據材料手冊，材料硬度在HRC50以上時，我們可以看到硬度每提升HRC0.5度，鉻鋼、鉻釩鋼及鉻鉬鋼的抗拉強度通常提高幅度在30MPA左右。
提升大件的整體硬度，增加淬硬層深。
2、 保證工件的尺寸精度
殘余奧氏體是一種不穩定組織，會隨著時間的推移以及外力的作用而促使其部分轉變為馬氏體，影響工件的尺寸精度。
奧氏體的比體積：0.1212+0.0033（%C） w(C)%=0-2
馬氏體的比體積：0.1271+0.0025（%C） w(C)%=0-2
在正常情況下，按照以上公式估算，奧氏體全部轉變為馬氏體體積增加約4%左右，假設熱處理后有10%的殘奧存在時，全部轉變為馬氏體則體積有0.4%的膨脹. 深冷處理可以把殘奧控制在5%甚至3%以下，并且殘留的那部分奧氏體在后續加工及使用中很難再發生轉變，所以，工件的精度得以大大提高。
材料內部的點缺陷、空位等也會造成工件使用過程中的尺寸變化。
通過極低溫度的深冷處理，驅動原有的點缺陷產生塑性流變，減少空位缺陷。 采用正電子淹沒技術測出了深冷后的空位表濃度變化， 深冷前的正電子壽命為298s，深冷后為163.4s，可見，深冷處理減少近半數的空位濃度，因此提高了工件的強度和尺寸穩定性，甚至可以避免形成空位群而造成微裂紋。（同時這也是改變某些有色金屬電阻率的原因。）
3、 提高工件的耐磨性
硬度提升了，高硬度的馬氏體比奧氏體顯而易見的更耐磨。像W18CR4V\CR12等材料，當硬度從HV600提升到HV800時，其相對耐磨性分別提升大約15%至20%。
大量析出并彌散分布在馬氏體位錯線和孿晶帶上的超細碳化物，對馬氏體基體起到釘扎和支撐的作用，即使深冷有時并未明顯提升工件硬度，但我們可以明顯看到其耐磨性的提升。
對高碳高合金工件來說，耐磨性提升50%還是比較多見的。
4、 提高工件的沖擊韌性
低溫收縮導致材料晶格常數縮小，在馬氏體基體上析出納米級別的超細碳化物，同時馬氏體的軸比降低，陳長風、李士燕的實驗驗證了T12在經過深冷處理（-196℃保溫10小時）后，其馬氏體軸比數值穩定在1.027，而未深冷的軸比在1.038，在李雄、李士燕的另外一個高速鋼W6CR5MO4V2的深冷實驗中，其馬氏體軸比從未深冷的1.022降到深冷（-196℃保溫12小時）后的1.014
同上實驗，馬氏體的碳含量從0.49%降到0.32%，未深冷的馬氏體孿晶寬度為20-70nm, 經過深冷后馬氏體孿晶寬度未10-20nm，晶粒明顯細化。而且孿晶帶上析出的碳化物顆粒尺寸為6-10nm。晶粒度越細，細晶帶來的強化量越大。
深冷減少空位濃度，點缺陷的減少也是工件沖擊韌性提高的原因之一。
5、 改善工件的內應力分布，提高疲勞強度
深冷處理通過細化組織、彌散分布碳化物、減少點缺陷等變化，對工件內部的應力進行了再分布，并改變了某些應力的狀態。
當工件從深冷的溫度回升并經正常溫度回火時，相當于多了接近兩百度的溫差用來消除應力。某種意義上，長時慢速深冷的全過程作用類似于人工時效。
要想起得很好的深冷處理消除應力的效果，深冷工藝中的降溫速度及升溫速度控制非常重要。
6、 提高工件的耐腐蝕性能
深冷處理細化了晶粒，晶界的細化可以減少晶間腐蝕的機會。
轉移了多余的自由能，并減小了奧氏體和馬氏體的兩相電位差，減少了電化學腐蝕的機會。 l 減少了組織內部的應力，使組織更均勻，減少了應力腐蝕的機會。
減少空位濃度可有效減少氫在組織內部富集的機會。
其他小的方面還有諸如：減少工件熱處理后線切割或磨削的開裂風險，提升工件的拋光性能，改善工件的矯頑力等指標。對某些需要三次回火的模具工件來講，深冷處理也可以減少一次回火工序。
二、深冷處理的作用
深冷處理針對黑色金屬的改善主要在以下幾方面：
1、高速鋼刀具、刃具、工量具壽命的提高；
2、硬質合金的刀具、刃具壽命的提高；
3、硬質合金的鉆頭、鉆具的壽命提高；
4、金剛石制成品的性能改善，如人造金剛石熱穩定性提高、人造金剛石礦用鉆頭、金剛石Φ105mm鋸片等的性能提高；
5、金剛石熱壓機的頂錘性能提高；
6、精密機械的裝配零件的尺寸穩定；
7、碳纖維絲的性能提高；
8、油嘴、彈簧、齒輪、軸承使用壽命提高；
9、機械制造產業中的熱作模具、冷作模具使用壽命提高。
三、 深冷處理工藝制定要素
在實際生產中采用何種深冷處理工藝，我覺得要考慮以下幾個因素：
1、 要求提高什么性能
是提高尺寸精度還是提高沖擊韌性？是提高硬度、耐磨性還是其他導電性能？不同要求決定了不同的工藝。
2、 工件的材質
工件材質的不同決定其Mf點，而通常深冷處理的溫度都應該低過其Mf點，所以深冷處理的溫度和工件材質相關。
3、 工件的尺寸及幾何形狀
工件的尺寸決定工件的保溫時間，而幾何形狀決定深冷處理是否需要前道工序預先消除應力，同時降溫的速度也主要是由工件的幾何形狀和其應力狀態來決定的。
4、 成本與性能比
在能夠滿足客戶要求的前提下，盡可能的降低成本，現代企業分工很明確，對供應鏈的每個階段都有成本控制的要求，作為制造企業也應考慮到性價比。深冷處理從效果上來說，當然是溫度越低，效果越好。但考慮到成本的問題，在實際生產中，大家通常是做到Mf點以下低一點。不過，這樣的工藝能解決的是部分殘A的問題，至于析出超細碳化物，減少組織應力（此點是在回火過程中解決，溫差越大，效果可能越好）效果就不明顯。
在充分考慮的以上要素之后，才能科學的制訂深冷處理工藝，深冷工藝包括以下幾個內容：
1、 深冷前處理
2、 處理溫度
3、 處理時間
4、 降溫速度
5、 深冷次數
6、 深冷后處理
四、 深冷處理的典型應用
工量刃具、圓鋸片、圓刀類
冷作模具
馬氏體不銹鋼類的刀剪產品
冷軋輥
軸承、齒輪、微型馬達軸
油泵、油嘴、柱塞泵等精密偶件
低溫閥門、彈簧
改變有色金屬的導電性能、強度等
