導讀：隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，對金屬材料的要求越來越高。如何在材料和熱處理工藝既定的前提下，盡可能提高金屬工件的機械性能和使用壽命，成為許多熱處理行業(yè)一線人士思考和探索的問題。熱處理工藝后，鋼的硬度和力學性能有了很大的提高，但熱處理后仍存在以下問題:

　　1.殘余奧氏體。比例約為10%-20%。由于奧氏體不穩(wěn)定，在受到外力或環(huán)境溫度變化時，很容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。但奧氏體和馬氏體的比容不同，會造成材料的不規(guī)則膨脹，降低工件的尺寸精度。

　　2.組織晶粒粗大，材料碳化物被固溶體過飽和。

　　3.殘余內(nèi)應(yīng)力。熱處理后的殘余內(nèi)應(yīng)力會降低材料的疲勞強度等力學性能，在應(yīng)力釋放過程中容易導致工件變形。

　　經(jīng)過國內(nèi)外眾多金屬材料研究者的不懈研究，超低溫深冷處理被認為能夠解決上述問題。

　　什么是深冷處理?

　　深冷處理是在-100℃下對金屬進行后處理的一種熱處理后處理工藝，使軟殘余奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚姸锐R氏體，可降低表面孔隙率和表面粗糙度。當這一過程完成后，不僅表面，而且整個金屬的強度、耐磨性和韌性都可以增加，其他性能指標也可以提高，從而使模具和工具翻新。但是，沒有深冷處理的刀剪產(chǎn)品，翻新后壽命會明顯縮短。深冷處理不僅可以應(yīng)用于刀剪類產(chǎn)品，還可以應(yīng)用于制作刀剪類產(chǎn)品的模具，也可以顯著提高模具的使用壽命。

　　深冷處理的機理

　　1、消除殘余奧氏體:

　　一般淬火回火后的殘余奧氏體約為8 - 20%，隨著時間的推移會進一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，會引起體積膨脹，影響尺寸精度，增加晶格內(nèi)應(yīng)力，嚴重影響金屬性能。深冷處理一般可以將殘余奧氏體降低到2%以下，消除殘余奧氏體的影響。如果殘余奧氏體較多，強度會降低，在周期性應(yīng)力的作用下，容易疲勞脫落，導致附近的碳化物顆粒很快掛起來，從基體上脫落，產(chǎn)生剝落坑和較大粗糙度的表面。

　　2.填充內(nèi)部間隙，增加金屬表面積，即耐磨表面;

　　深冷處理使馬氏體填充內(nèi)部間隙，使金屬表面更致密，增加耐磨面積，使晶格更小，合金成分沉淀均勻，增加淬火層深度，不僅表面，還增加了翻新次數(shù)，延長了使用壽命。

　　3.碳化物顆粒的沉淀:

　　深冷處理不僅減少了殘余馬氏體，還析出碳化物顆粒，細化馬氏體孿晶。因為深冷時馬氏體的收縮迫使晶格減小，帶動碳原子析出，又因為低溫時碳原子擴散困難，形成的碳化物達到納米級，附著在馬氏體孿晶帶上，增加硬度和韌性。深冷處理后金屬的磨損形貌與未進行深冷處理的金屬有顯著差異，表明其磨損機制不同。深冷處理可馬氏體化大部分殘余奧氏體并析出碳化物顆粒，在馬氏體中彌散度高。隨著基體結(jié)構(gòu)的細化，這種變化不能用傳統(tǒng)的金相學和相變理論來解釋，也不是以原子擴散的形式進行的。一般在-150℃ ~-180℃時，原子已經(jīng)失去擴散能力，只能從物理能量的角度來解釋。目前還沒有實現(xiàn)轉(zhuǎn)化機制。因此，需要進一步討論。

　　4.降低殘余應(yīng)力;

　　5.使金屬基體更加穩(wěn)定;

　　6.增加金屬材料的強度和韌性;

　　7.增加金屬硬度約HR C1 -2;

　　8.紅腫明顯加重;

　　低溫形變強化低溫過程

　　一般按降溫、保溫、升溫三個階段進行深冷處理。

　　1.深冷處理:以每分鐘0.25~0.5℃的速度降至-185℃，降溫約12小時，然后保溫24 ~ 36小時，再以每分鐘0.25~0.5℃的速度緩慢升至室溫或更高溫度(+160℃)。

　　2.每個階段的意義。

　　(1)冷卻階段。

　　緩慢冷卻的目的是完全消除殘余應(yīng)力。因為在淬火回火過程中，金屬基體中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程中，體積膨脹也會增加殘余應(yīng)力。只有緩慢冷卻才能抵消殘余應(yīng)力的增加，徹底消除殘余應(yīng)力。基體中的殘余應(yīng)力一般被忽略，但正是基體中的殘余應(yīng)力使刀剪產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋等缺陷?？焖倮鋮s會增加殘余應(yīng)力。

　　(2)保溫階段。

　　保溫的目的是盡可能將殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，盡可能產(chǎn)生碳化物顆粒。由于殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程是一個緩慢的過程，保溫時間的長短會影響殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變量。同時，深度冷卻后的壽命主要取決于保溫時間的長短。通常保溫2-4小時的性能有所提高，但如果是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，則需要使用24小時以上的保溫時間。

　　(3)升溫階段。

　　緩慢加熱過程的主要目的是防止殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于設(shè)備的限制，國內(nèi)深冷處理研究一般采用液氮直接冷卻的方法，即工件直接放入液氮中，保溫時間相對較短，一般與直徑(mm)一致。這種方法會大大增加殘余應(yīng)力，雖然性能有所提高，但畢竟不是一種安全可靠的方法。一般在加熱階段可以升至室溫，如果考慮到零件的特殊用途，如工作溫度較高，可以緩慢升至+160℃。從深冷機理可以看出，上述工藝曲線與材料質(zhì)量和尺寸關(guān)系不大，但由于材料因素，處理后的效果不同。幾乎所有的國外工具和模具，刀和剪刀，切割工具等。對于深冷處理，采用這種工藝，而國內(nèi)一些企業(yè)出于成本原因，往往采用偷工減料的方法，因此效果不高。

　　3.低溫形變強化最佳時間。

　　一般來說，深冷處理應(yīng)該在工件淬火后兩小時內(nèi)處理效果最好，因為隨著時間的推移，殘余奧氏體會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，轉(zhuǎn)變后的馬氏體會凝固，從而降低析出碳化物的能力。

　　影響低溫效應(yīng)的因素

　　1.同樣的深冷處理工藝由于材料不同，效果也不同。

　　2.同樣的深冷處理工藝，由于工件形狀不同，效果也不同。

　　3.溫度越低，效果越好。

　　4.時間越長，效果越好。

　　5.深冷處理/后，材料的耐蝕性提高。

　　深冷處理目前國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　20世紀30年代，人們發(fā)現(xiàn)在阿爾卑斯雪山放工具更容易使用，持續(xù)時間也更長。1965年，美國研究人員發(fā)現(xiàn)深冷處理可以增加工模具的耐磨性，日本、德國、俄羅斯等國的許多學者也對深冷處理技術(shù)進行了研究工作。20世紀70年代，美國深冷處理技術(shù)應(yīng)用于工模具、刀剪、量具，80年代得到廣泛應(yīng)用。目前，模具在美國和歐洲。瑞士軍刀和吉列剃須刀刀片已經(jīng)深冷處理。

　　國內(nèi)對深冷處理的研究相對較晚，真正的理論研究幾乎很少。大部分是一些外資企業(yè)進入中國后帶來的技術(shù)，主要應(yīng)用在一些消除殘余奧氏體等簡單應(yīng)用上，但深層次應(yīng)用的機會還有待觀察，尤其是在刀剪行業(yè)。為了提高質(zhì)量，提高使用壽命，增強國際競爭力，有必要在這一領(lǐng)域開展研究和應(yīng)用。可以肯定的是，未來的產(chǎn)品一定會走這條路。制約國內(nèi)發(fā)展的原因:

　　1.信息少，應(yīng)用不廣，導致信息不暢。

　　2.如果你持懷疑態(tài)度，真的能延年益壽嗎?

　　3.液氮來源不暢，價格高。

　　4.如果成本增加，售價不會增加，這是主要的制約因素。

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