什 什 么 么 是 是 什 什 么 么 是 是 深 深 冷 冷 处 处 理 理 及 及 其 其 工 工 艺 艺 机 机 理 理
Via 常 州 精 密 钢 管 博 客
随 着 机 械 工 业 的 不 断 发 展 ， 对 金 属 材 料 的 要 求 也 越 来 越 高 ， 如 何 在 材 料 以 及 热 处 理 工 艺 既 定 的 前 提 下 尽 量 提
高 金 属 工 件 的 机 械 性 能 及 使 用 寿 命 ， 这 成 为 很 多 热 处 理 行 业 前 沿 人 士 思 考 并 探 索 的 问 题 。 钢 材 在 热 处 理 工 艺 之 后 ，
其 硬 度 及 机 械 性 能 均 大 大 提 高 ， 但 热 处 理 后 依 然 有 残 存 的 以 下 问 题 ：
1 、 残 余 奥 氏 体 。 其 比 例 大 约 有10%-20% ， 由 于 奥 氏 体 很 不 稳 定 ， 当 受 到 外 力 作 用 或 环 境 温 度 改 变 时 ， 易 转 变 为
马 氏 体 ， 而 奥 氏 体 与 马 氏 体 的 比 容 不 一 样 ， 将 造 成 材 料 的 不 规 则 膨 胀 ， 降 低 工 件 的 尺 寸 精 度 。
2 、 组 织 晶 粒 粗 大 ， 材 料 碳 化 物 固 溶 过 饱 和 。
3 、 残 余 内 应 力 。 热 处 理 后 的 残 余 内 应 力 将 降 低 材 料 的 疲 劳 强 度 以 及 其 他 机 械 性 能 ， 在 应 力 释 放 过 程 中 且 易 导 致
工 件 的 变 形 。
经 过 国 内 外 许 多 金 属 材 料 研 究 者 的 不 懈 研 究 ， 深 冷 及 超 深 冷 处 理 工 被 认 为 可 以 解 决 以 上 问 题 。
一 、 什 么 是 深 冷 处 理 ？
深 冷 处 理 是 将 金 属 在-100 ℃ 下 进 行 处 理 ， 使 柔 软 的 残 余 奥 氏 体 几 乎 全 部 转 变 成 高 强 度 的 马 氏 体 ， 并 能 减 少 表
面 疏 松 ， 降 低 表 面 粗 糙 度 的 一 个 热 处 理 后 工 序 ， 当 这 个 工 序 完 成 后 ， 不 仅 仅 是 表 面 ， 几 乎 可 以 使 整 个 金 属 的 强 度 增
加 ， 耐 磨 性 增 加 ， 韧 性 增 加 ， 其 他 性 能 指 标 改 善 ， 从 而 使 得 模 具 和 刀 具 翻 新 数 次 后 仍 然 具 有 高 的 耐 磨 性 和 高 的 强
度 ， 寿 命 成 倍 增 加 。 而 未 进 行 深 冷 处 理 的 刀 剪 产 品 ， 翻 新 后 寿 命 会 显 著 降 低 。 深 冷 处 理 不 仅 应 用 于 刀 剪 产 品 ， 而 且
能 应 用 于 制 作 刀 剪 产 品 的 模 具 上 ， 同 样 可 以 使 模 具 寿 命 显 著 提 高
二 、 深 冷 处 理 的 机 理
1 、 消 除 残 余 奥 氏 体 ：
一 般 淬 火 回 火 后 的 残 余 奥 氏 体 在8 ～20 ％ 左 右 ， 残 余 奥 氏 体 会 随 着 时 间 的 推 移 进 一 步 马 氏 体 化 ， 在 马 氏 体 转 变
过 程 中 ， 会 引 起 体 积 的 膨 胀 ， 从 而 影 响 到 尺 寸 精 度 ， 并 且 使 晶 格 内 部 应 力 增 加 ， 严 重 影 响 到 金 属 性 能 ， 深 冷 处 理 一
般 能 使 残 余 奥 氏 体 降 低 到2 ％ 以 下 ， 消 除 残 余 奥 氏 体 的 影 响 。 如 果 有 较 多 的 残 余 奥 氏 体 ， 强 度 降 低 ， 在 周 期 应 力 作
用 下 ， 容 易 疲 劳 脱 落 ， 造 成 附 近 碳 化 物 颗 粒 悬 空 ， 很 快 与 基 体 脱 落 ， 产 生 剥 落 坑 ， 形 成 较 大 粗 糙 度 的 表 面 。
2 、 填 补 内 部 空 隙 ， 使 金 属 表 面 积 即 耐 磨 面 增 大 ：深 冷 处 理 使 得 马 氏 体 填 补 内 部 空 隙 ， 使 得 金 属 表 面 更 加 密 实 ， 使 耐 磨 面 积 增 加 ， 晶 格 更 小 ， 合 金 成 分 析 出 均
匀 ， 淬 火 层 深 度 增 加 ， 而 且 不 仅 仅 是 表 面 ， 使 翻 新 次 数 增 加 ， 寿 命 提 高 。
3 、 析 出 碳 化 物 颗 粒 ：
深 冷 处 理 不 仅 减 少 残 余 马 氏 体 ， 还 可 以 析 出 碳 化 物 颗 粒 ， 而 且 可 细 化 马 氏 体 孪 晶 ， 由 于 深 冷 时 马 氏 体 的 收 缩
迫 使 晶 格 减 少 ， 驱 使 碳 原 子 的 析 出 ， 而 且 由 于 低 温 下 碳 原 子 扩 散 困 难 ， 因 而 形 成 的 碳 化 物 尺 寸 达 纳 米 级 ， 并 附 着 在
马 氏 体 孪 晶 带 上 ， 增 加 硬 度 和 韧 性 。 深 冷 处 理 后 金 属 的 磨 损 形 态 与 未 深 冷 的 金 属 显 著 不 同 ， 说 明 它 们 的 磨 损 机 理 不
同 。
深 冷 处 理 可 以 使 绝 大 部 分 残 余 奥 氏 体 马 氏 体 化 ， 并 在 马 氏 体 内 析 出 高 弥 散 度 的 碳 化 物 颗 粒 ， 伴 随 着 基 体 组 织
的 细 微 化 ， 这 种 改 变 无 法 用 传 统 的 金 属 学 ， 相 变 理 论 来 解 释 ， 也 不 是 以 原 子 扩 散 形 式 来 进 行 的 ， 一 般 -150 ℃ ～ －
180 ℃ 下 ， 原 子 已 经 失 去 了 扩 散 能 力 ， 只 能 以 物 理 学 能 量 观 点 来 解 释 ， 其 转 变 机 理 目 前 尚 未 研 究 清 楚 。 因 此 有 待 人
们 进 一 步 探 讨 。
4 、 减 少 残 余 应 力 ；
5 、 使 金 属 基 体 更 加 稳 定 ；
6 、 使 金 属 材 料 的 强 度 、 韧 性 增 加 ；
7 、 使 金 属 硬 度 提 高 约HRC1 ～2 ；
8 、 红 硬 性 显 著 增 加 ；
三 、 深 冷 工 艺
通 常 的 深 冷 处 理 ， 是 按 照 降 温 ， 保 温 ， 和 升 温 三 个 阶 段 来 进 行 的 。
1 、 通 用 的 深 冷 处 理 工 艺 ：
以 每 分 钟 降 低0.25~0.5 ℃ 以 内 的 速 度 ， 降 低 到 －185 ℃ ， 降 温 时 间 约12 小 时 ， 然 后 保 温24 ～36 小 时 ， 再 缓 慢 的 以
每 分 钟 降 低0.25~0.5 ℃ 以 内 的 速 度 升 到 室 温 或 更 高 温 度 （ ＋160 ℃ ）
深 冷 工 艺.jpg
吉 列 公 司 就 是 用 上 述 曲 线 。
2 、 各 阶 段 的 意 义
（1 ） 降 温 阶 段
缓 慢 降 温 的 目 的 是 彻 底 消 除 残 余 应 力 。 因 为 淬 火 和 回 火 的 过 程 中 ， 金 属 基 体 内 会 产 生 残 余 应 力 ， 在 残 余 奥 氏
体 在 向 马 氏 体 转 变 的 过 程 中 ， 发 生 体 积 膨 胀 ， 也 会 使 得 残 余 应 力 增 加 ， 只 有 缓 慢 降 温 ， 才 能 抵 消 残 余 应 力 的 增 加 ，
并 彻 底 消 除 残 余 应 力 。 基 体 内 的 残 余 应 力 一 般 情 况 下 大 家 不 予 重 视 ， 但 正 是 基 体 内 的 残 余 应 力 ， 使 得 刀 剪 产 品 产 生
崩 裂 等 缺 陷 。 快 速 降 温 反 而 会 增 加 残 余 应 力 。
（2 ） 保 温 阶 段
保 温 的 目 的 是 使 基 体 内 的 残 余 奥 氏 体 尽 可 能 的 全 部 转 变 为 马 氏 体 ， 并 尽 可 能 多 的 产 生 碳 化 物 颗 粒 ， 因 为 残 余
奥 氏 体 向 马 氏 体 转 变 的 过 程 是 个 缓 慢 的 过 程 ， 保 温 时 间 的 长 短 会 影 响 到 残 余 奥 氏 体 转 变 的 量 ， 同 时 深 冷 后 寿 命 的 高
低 主 要 是 保 温 时 间 的 长 短 来 决 定 的 ， 通 常 情 况 下 ， 保 温2 ～4 小 时 性 能 已 经 有 所 改 善 ， 但 如 果 是 高 质 量 的 产 品 ， 均 需
要 使 用24 小 时 以 上 的 保 温 时 间 ， 寿 命 的 提 高 倍 数 与 保 温 时 间 的 长 短 有 直 接 关 系 。
（3 ） 升 温 阶 段
缓 慢 升 温 的 过 程 主 要 目 的 就 是 防 止 残 余 应 力 的 产 生 。
国 内 深 冷 处 理 的 研 究 因 设 备 的 限 制 一 般 采 用 液 氮 直 冷 法 ， 即 工 件 直 接 放 入 液 氮 内 ， 保 温 时 间 比 较 短 ， 一 般 保
温 时 间 与 直 径 （mm ） 一 致 ， 这 种 办 法 会 很 大 程 度 的 增 加 残 余 应 力 ， 虽 性 能 有 所 改 善 ， 但 毕 竟 不 是 一 种 安 全 可 靠 的
方 法 。
升 温 阶 段 一 般 升 到 室 温 即 可 ， 如 果 考 虑 到 零 件 的 特 殊 用 途 ， 如 工 作 温 度 比 较 高 等 ， 可 以 再 缓 慢 升 到+160 ℃ 。
从 深 冷 的 机 理 可 以 看 出 ， 以 上 的 工 艺 曲 线 与 材 料 的 材 质 及 大 小 关 系 不 大 ， 只 是 处 理 后 的 效 果 因 材 料 因 素 而 不
同 ， 国 外 几 乎 所 有 的 工 模 具 ， 刀 剪 ， 量 刃 具 等 都 采 用 这 种 工 艺 进 行 深 冷 处 理 ， 而 我 国 一 些 企 业 因 为 成 本 的 原 因 ， 往
往 采 用 偷 工 减 料 的 办 法 ， 所 以 成 效 不 高
3 、 深 冷 处 理 最 佳 时 机
一 般 认 为 ， 深 冷 处 理 应 该 在 工 件 淬 火 两 个 小 时 内 处 理 效 果 最 好 ， 因 为 残 余 奥 氏 体 随 着 时 间 的 推 移 会 逐 步 向 马 氏
体 转 变 ， 而 且 转 变 后 的 马 氏 体 会 进 行 固 化 ， 从 而 析 出 碳 化 物 的 能 力 降 低 。
四 、 常 用 适 合 深 冷 处 理 的 钢 材GB/T 25743 有 关 深 冷 处 理 工 艺 的 分 类
五 、 影 响 深 冷 效 果 的 因 素
1 、 同 样 的 深 冷 处 理 工 艺 因 材 质 不 同 而 效 果 不 同
2 、 同 样 的 深 冷 处 理 工 艺 因 工 件 形 状 不 同 而 效 果 不 同
3 、 温 度 越 低 ， 效 果 越 好
4 、 时 间 越 长 ， 效 果 越 好
5 、 深 冷 处 理 后 材 料 的 耐 腐 蚀 性 有 所 提 高
六 、 深 冷 处 理 目 前 国 内 外 的 发 展 状 况
上 世 纪30 年 代 ， 人 们 发 现 在 阿 尔 啤 斯 雪 山 放 工 具 一 段 时 间 后 比 较 好 用 ， 并 且 用 的 时 间 更 长 。
美 国 研 究 人 员 于1965 年 发 现 深 冷 处 理 可 以 使 工 模 具 刀 具 耐 磨 性 增 加 ， 日 本 、 德 国 、 俄 罗 斯 等 国 诸 多 学 者 也 相 继
开 展 了 深 冷 处 理 技 术 的 研 究 工 作 ， 上 世 纪 七 十 年 代 ， 美 国 深 冷 处 理 工 艺 在 工 模 具 、 刀 剪 、 量 具 上 进 行 应 用 ， 大 范 围
应 用 是 在 上 世 纪 八 十 年 代 ， 目 前 美 国 和 欧 洲 的 模 具 ， 刀 剪 等 行 业 已 经 应 用 普 遍 ， 并 且 有 很 多 专 业 深 冷 处 理 加 工 厂 ，
利 用 现 成 的 工 艺 为 客 户 进 行 深 冷 处 理 ， 并 承 诺 无 效 退 款 。 瑞 士 军 刀 和 吉 列 公 司 的 剃 须 刀 片 均 进 行 过 深 冷 处 理 。
我 国 深 冷 处 理 的 研 究 相 对 较 晚 ， 真 正 理 论 性 的 研 究 几 乎 很 少 ， 大 部 分 是 一 些 外 资 企 业 进 到 中 国 后 带 来 的 技 术 ，
主 要 应 用 在 一 些 旨 在 消 除 残 余 奥 氏 体 等 简 单 应 用 上 ， 对 于 深 层 次 的 应 用 尚 待 时 机 ， 特 别 是 刀 剪 行 业 ， 更 是 微 乎 其
微 。 质 量 上 台 阶 ， 寿 命 的 提 高 ， 增 强 国 际 竞 争 力 ， 需 要 进 行 这 方 面 的 研 究 和 应 用 ， 可 以 肯 定 的 说 ， 将 来 的 产 品 一 定
会 走 这 条 路 的 。
制 约 国 内 发 展 的 原 因 ：
1. 资 料 甚 少 ， 应 用 不 广 ， 造 成 信 息 不 通 畅 。
2. 持 怀 疑 态 度 ， 能 否 真 的 增 加 寿 命 ？
3. 液 氮 来 源 不 畅 ， 价 格 不 菲 。
4. 增 加 成 本 ， 售 价 不 会 增 加 ， 这 是 主 要 制 约 因 素 。
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