关于深冷处理

油水混淬

前言：20世纪二三十年代以来，伴随着材料科学的迅速发展，热处理原理和工艺日趋成熟，常规的热处理工艺对金属的强度和韧性很难同时有较大提高，只是以牺牲一方面性能来换取另一方面的性能，但很多的情况下，现有材料的强度和韧性尤其是耐蚀性不是十分的理想。金属深冷工艺的提出，让人们看到了一种提高金属强度和韧性的独特热处理方法。

⑴ 何谓深冷处理（SSZ）

所谓冷处理，一般将0～100℃的冷处理定义为普通冷处理，将-130℃以下的处理称为深冷处理，它是最新的强韧化处理工艺之一。深冷处理按照工艺可分为深冷急热法和冷热循环法两种。冷热循环稳定化处理是先将零件冷却到—40℃～—90℃或者更底的温度，保温一定时间，然后再把零件加热到不致降低零件机械性能的某一温度（通常为80℃～190℃），保温一段时间并重复多次这种循环过程。“冷处理急热法”是日本大和久重雄提出的方法，该方法是将工、模具淬火后，不立即进行冷处理，先水浴后再置于处理槽当中于—80℃或—180℃下处理。即—80℃为普通冷处理；—180℃为深冷处理，保温时间按每英寸体积为1小时计算。保温后取出放入热水中快速加热。

在美国、前苏联、日本等国，不但把深冷技术用于高速钢、轴承钢、模具钢，以提高材料的耐磨性和强韧性，进而提高工件的整体使用寿命，同时还利用深冷技术对铝合金、铜合金、硬质合金、塑料、玻璃等进行深冷改性。改善均匀性、稳定尺寸、减小变形、提高使用寿命。

⑵ 深冷处理机理

钢的淬火过程就是使钢获得马氏体的过程，而淬火不能使钢中奥氏体全部转变为淬火组织，各种钢材热处理后都有部分奥氏体残存，其残存量随钢种及加热温度不同而变化，同时还有一定量的残余应力存在。它们存在对工件的使用性能会产生或多或少的影响，深冷处理能使钢中奥氏体进一步转变为马氏体，并能改善和消除钢中残余应力的分布，析出更多的细小碳化物，从而起到弥散强化的作用，对无相变材料能使晶界发生畸变，从而增强基体性能。

⑶ 深冷处理的优点

SSZ处理的最大优点是因γR的马氏体化使得工件硬度升高，从而提高了工件的耐蚀磨碎性能。同时，防止时效变形，帕伦博士的研究表明，经深冷处理的工件具有下述优点：

① γR在实质上已近乎完全转变为M；

② 与未经SSZ处理的工件或经普通冷处理之工件相比耐磨性得以提高；

③ 进行了组织的细化和细小碳化物的析出过程；

④ 硬度与CSZ处理工件几乎相同。

⑷ 深冷处理注意事项

① 不得将淬火时未冷至室温的工件直接放入深冷装置，以免开裂。

② 冷至室温的工件应尽快放入深冷装置，以免使奥氏体稳定化，影响处理效果。

③ 一般钢深冷处理前不应回火，高速钢可在回火一次后进行深冷处理。



    深 冷 处 理 设 备



⑴ 冷处理设备的发展

    在国外，冷处理在18世纪就已被瑞士人应用于钟表制造业，而深冷处理直到1937年才被世人所认识，深冷处理最早应用于医疗上，直到70年代才逐步在金属材料热处理上广泛应用，并研制开发了相应的冷处理专用设备。其过程经历了从自然气氛到人工制冷到深冷机组到液氮做介质的深冷等几个阶段。目前在国外，深冷专业设备已形成产业化，在我国，深冷处理也已广泛应用于医疗方面并开发了多种专用设备。大型的深冷机组已成功应用在油泵油嘴行业，工艺温度也从-80℃达到-130℃。

⑵ 深冷处理设备的应用现状

  目前在国外，深冷处理已广泛应用并实现了工业化大生产，其设备分周期式和连续式两种，其中周期式应用比较广泛。

在国内，设备主要是干冰制冷和制冷机组制冷，使用温度为0℃到-130℃，这种设备是以氟利昂或溴化锂做制冷剂，设备自身体积大，投资高，运行费用大，并对环境有污染。1987年航空部3037T参照国外技术设计了“QLJ-130℃深冷处理机组”。1990年天津热处理研究所开发了“液氮气化型深冷处理箱”。装置可在0到-196℃温度范围内任意调节，该装置投资少，运行费用低，已在食品、医疗和工业研究中成功应用，并取得可观的经济效益。



国 内 外 研 究 现 状



目前国内外在对深冷处理的研究上主要是着重于对其的应用，美国、前苏联、日本和德国等很早就将深冷技术运用于生产，但对其提高工件性能的机理研究较少且不全面。国外对深冷处理机理的研究主要集中在工具钢上，70年代日本大和久重雄博士曾提出了3点权威性看法：⑴深冷处理可使残余奥氏体转化为马氏体；⑵晶粒细化；⑶有细小弥散的碳化物析出。

当时，大和久重雄博士提出的机理不很全面，也不明确，如深冷处理过程中，马氏体是变温形成还是等温形成，细小弥散碳化物的尺寸，碳化物的析出地点，碳化物的晶体结构以及深冷处理对晶体中微观缺陷的影响等均未加明示。

美国路易斯安娜理工大学F.BARRON教授的研究也认为深冷处理不仅可以使残余奥氏体转化为马氏体，而且还可使马氏体析出弥散碳化物，但仍没有表明所析出碳化物的尺寸，类型和准确的析出地点。

在国内关于深冷处理研究的文献报道是从80年代后开始的，其主要内容集中在高碳高合金钢的深冷处理工艺方面，甘肃工业大学、河北工学院和中南工业大学等是国内教早开展金属深冷处理研究的高校。但对深冷处理机理方面的研究仍未突破文献的结论。

深冷处理研究的最新进展：近十多年以来特别是近两年来，国内以甘肃理工大学、河北工学院和中南工业大学等高校为首的科研机构一直致力于对工具钢、模具钢、刃具钢、量具钢以及有色金属的深冷处理的工艺及机理研究，并取得了一定的成果，部分成果已经应用于生产，还有一些成果处于中试阶段。

如甘肃工业大学对高速钢W18Cr4V深冷后发现，不仅合金的强韧性、耐磨性有所提高，用其制造的工模具使用寿命可以提高2～5倍，在解释这一现象时，不仅仅局限于残余奥氏体向马氏体转变、晶粒细化、析出弥散的碳化物等传统的机理，而是提出了自己全新的、更加详细的解释。

①                模具材料在多次冲击条件下的韧性与残余奥氏体的形态及分布有关，刀具材料的强度与红硬性与马氏体脱溶微细碳花物有关。

②                通过TEM观察证明，深冷处理有弥散碳化物分布在马氏体的挛晶带上，其直径在3～10nm，该碳化物的晶体结构为M6C型。

③                通过X衍射晶体结构分析发现，深冷处理后马氏体晶格的轴比降低，这也证明了马氏体发生了碳化物脱溶分解。

④                借助自行设计的低温动态组织计算机处理系统观察到金属材料在深冷处理过程中残余奥氏体向马氏体原位动态组织转变，并且残余奥氏体向马氏体转变时存在孕育时间，转变首先发生在试块的边缘附近，然后向内部深处发展。在-196℃有明显的等温马氏体转变。同时还发现深冷处理后的激烈升温阶段也发生少量的马氏体转变，但转变速度较慢，转变量较少。

⑤                通过正电子湮没试验发现深冷处理后点缺陷密度有所变化。黑色金属在深冷处理后的点缺陷密度有所上升，有色金属在深冷处理后的点缺陷密度有所下降。点缺陷密度的变化对金属材料的性能有很多的影响，如有色金属铜合金经过深冷处理的空位密度下降，将使材料的电阻率有所下降，强度有所上升，密度增加等。



研 究 动 向



目前，深冷处理工艺研究已突破黑色金属领域，在有色金属，粉末冶金制品等方面也取得了较大的研究成果。深冷处理正逐渐与其他多种工艺相结合，与其他多种设备相配套，应用范围正日益扩大，前景广阔。

深冷处理主要是改变材料的微观结构，从而提高其综合性能，充分发挥材料的潜能，其转变机理还有待进一步探讨，组织中残余奥氏体的数量及作用是目前深冷处理的主要方向。

深冷处理的主要原理及作用现在已被人们认识，但其应用目前仍有较大的局限性，其原因在于深冷处理装备的严重滞后。因此，我们的主攻方向是开发相应的深冷处理装备，使该工艺应用于实践成为可能。同时，拓展深冷处理工艺与其他工艺和设备的综合利用，进而提高产品性能，使寿命大幅度提高。

本人做过试验：就是把铝合金（5A06）的MIG焊焊接接头经过深冷处理，效果确实比较理想。

结论是：

⑴ 对5A06铝合金焊接接头采用在—196℃以下深冷处理6个小时，缓慢升至室温的深冷处理工艺，可以使铝合金晶粒细化，组织均匀致密，硬度、拉伸强度等机械性能与传统的热处理工艺相比有显著提高。因此该深冷处理工艺方法具有很大的工程应用价值和潜力。

⑵ 5A06铝合金焊接接头进行—180℃深冷处理5个小时，缓慢升至室温，可以使得铝和铝合金在深冷处理前后某些晶面的衍射峰时发生明显变化，使晶粒发生转动出现择优取向即织构现象，使力学性能提高。

⑶ 在液氮中深冷时铝合金焊接接头试样的机械性能不仅没有降低，深冷处理后的屈服强度与深冷处理前相比略有增加.焊缝残余应力的消除效果很明显。只要使工艺进一步优化改进相信消除效果会更好，并可以应用于形状复杂的工程结构件。