深冷處理是指以液氮為製冷劑，在低於-130℃的溫度對工件進行處理的方法。深冷處理能在不降低工件強度與硬度的情況下，顯著提高工件的韌性。深冷處理方法分為液體法和氣體法兩種。液體法是將工件直接放入液氮中，處理溫度為-150℃，缺點是熱衝擊大，有時甚至造成工件開裂；氣體法是通過液氮的氣化潛熱和低溫氮氣吸熱製冷，處理溫度達-196℃，處理效果較好。
基本介紹
- 中文名：深冷處理
- 外文名：subzero treatment
- 處理溫度：130℃以下
- 優點：提高工件的韌性
- 分類：液體法和氣體法
- 工藝：深冷處理方式、升降溫速度等
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深冷處理概述
深冷處理技術是20世紀60年代在普通冷處理（- 100~ 0℃）的基礎上發展起來的一門新技術，是在- 130℃以下對材料進行處理的一種方法，是最新的材料強韌化處理工藝之一。深冷處理可有效提高鋼鐵材料、非鐵金屬及複合材料的力學性能和使用壽命，穩定尺寸，改善均勻性，減小變形，而且操作簡便，不破壞工件，無污染，成本低，具有積極的套用前景和發展空間。
目前，特別是美國、日本、英國、俄羅斯等國家都在積極地開展這方面的研究，並把這一技術套用到很多領域中對材料進行處理，如航空航天、精密儀器儀表、摩擦偶件、工具、模具和量具、紡織機械零件、汽車工業和軍事科學領域，取得了很大的經濟效益。我國也有一些單位開展了深冷處理的研究及套用，特別是在標準行業、工具行業、紡織行業、油嘴油泵、軸承、航空航天部門等，材料主要是工具鋼、軸承鋼和高速鋼。
分類
根據冷卻方式的不同，深冷處理可以分為制冷機法和低溫液體冷卻法兩類。壓縮空氣製冷曾經得到一定程度的套用，但是由於設備存在結構複雜、維修不方便等缺點，目前很少採用。最近幾年發展起來的低溫冰櫃，隨著最低製冷溫度的下降，同時由於其結構緊湊和操作運行簡便等優點，有望在-100 ℃的溫度附近得到廣泛的套用。然而，對於溫度更低的深冷處理，其套用時機還不成熟。目前最常採用的則是低溫液體冷卻法，由於液氮的溫度合適、來源廣泛、無污染、價格比較便宜，大多情況下利用液氮作為冷媒介質，有時還利用液氮和酒精等介質混合的方式獲取不同的溫度。
深冷處理工藝
對於深冷處理技術，其處理工藝是決定處理效果的關鍵。深冷處理工藝‘中的關鍵影響因素主要包括：深冷處理方式、升降溫速度、回火前處理或者回火後處理、保溫時間、深冷次數等。
1、深冷處理方式
可分為液體法和氣體法兩種。液體法是將工件直接放入液氮中，處理溫度為- 150℃。該方法的缺點是熱衝擊性大，有時甚至造成工件開裂。氣體法是通過液氮的汽化潛熱和低溫氮氣吸熱來製冷，處理溫度達- 196℃，處理效果較好。
3、升降溫速度
目前，對深冷升、降溫速度主要有兩種觀點。一種觀點認為深冷的升降溫速度不能太快，即不贊成將工件直接浸入液氮中，因為激冷將導致工件內部的應力增大，易造成工件的變形或開裂。如日本的“深冷急熱法”，工件淬火後不馬上進行冷處理，而是先放入水浴，再放入處理槽中在-80℃或-180℃下進行冷處理，保溫一段時間後立即放人60C熱水浴中，使試樣快速回溫以減小內應力，然後選用不同溫度回火1h。
另一種觀點則認為應快速冷卻或升溫，這樣會使奧氏體更易轉變為馬氏體，且直浸冷卻速率比油淬慢，不易引起材料的變形或開裂。如前蘇聯的“衝擊法”，將被處理的工件直接快速地放入液氮中，深冷到所需的溫度後保溫5~ 30min，然後取出放在室溫下，待其恢復到室溫後，再在200~ 500℃的油中回火1h。該方法明顯地提高了高速鋼刀具的使用壽命。
3、回火前處理或者回火後處理
按回火工藝的順序，深冷處理可分為回火後深冷處理與回火前深冷處理。研究表明：回火前深冷能較大地提高工件的可加工性，回火後深冷能大幅度提高工件的力學性能。對於受衝擊載荷較大、易彎曲的模具，應進行回火後深冷，而對於要求硬度高、動載荷較大的模具，則進行回火前深冷。回火後深冷能使硬度較低的奧氏體轉變為較硬的、更穩定的、耐磨性和耐熱性更高的馬氏體。
對於20鋼而言，採用回火後深冷處理對其硬度、強度提高不明顯，因為中低碳鋼淬火後殘留奧氏體的數量較少，回火後會形成殘留奧氏體穩定相。對於T8鋼、3Cr2W8V鋼和9SiCr鋼，採用回火後深冷處理能顯著提高強度，但衝擊韌度下降；採用回火前深冷處理，118鋼的硬度、韌性不變而抗彎強度提高，3Cr2W8V鋼的硬度、強度、韌性均提高，9SiCr鋼的硬度提高不明顯，但衝擊韌度提高近兩倍。
4、深冷處理的時間
深冷處理時間的長短，主要應考慮被處理工件的導熱性、體積、冷透所需的時間及殘留奧氏體的轉化穩定情況等因素，不必考慮奧氏體向馬氏體的轉變速度。很多學者認為，深冷處理時間長的要比短的效果好，因為長時間深冷可以使鋼中的殘留奧氏體充分地轉變及更有利於碳化物粒子的形成，轉變完成後，材料的硬度不會再有明顯的變化。工件尺寸越小，完成轉變所需的時問越短，所以日前深冷處理時問一般取24h以上，也有些單位取48h以上。
5、深冷處理的次數
一般認為經二次深冷處理效果最佳，如前蘇聯採用的“熱循環穩定處理法”。因為經二次深冷處理可以最大限度地改善材料的力學性能，重複第一次的變化，即細小碳化物的析出、馬氏體針（片）的細化以及殘留奧氏體向馬氏體的轉變；經二次深冷處理後，材料的組織將不再發生變化。材料不同，深冷處理溫度也不同，材料硬度的增加也就不一樣，但有一點可以肯定，深冷處理不會降低材料的原有硬度。
套用舉例
一般把在-130C以下對工件進行處理而使工件的某些性能提高的方法稱為深冷處理。
GCr15鋼在常規熱處理後會存在較多殘留奧氏體，當淬火溫度高、回火溫度低時，殘留奧氏體更多，約達15%左右。經深冷處理，由於在Mf點以下殘留奧氏體會進一步向馬氏體轉化，可使殘留奧氏體下降到3%以下。同時，由於深冷時馬氏體受到收縮應力，增強了碳原子析出驅動力。在馬氏體基體上析出超細碳化物。下圖為GCr15鋼常規熱處理試樣深冷處理前後組織形貌對比。
深冷處理前後組織形貌對比深冷處理後組織的變化可導致性能的提高：其一殘留奧氏體減少可提高工件的尺寸穩定性；其二由於馬氏體的增加可提高硬度；其二，由於馬氏體增加及細小碳化物析出可提高耐磨性。但是由於深冷處理後殘留奧氏體的減少，工件的衝擊吸收功將會有一定的下降。
