前言：對(duì)于鋼鐵材料，零件淬火后，馬氏體組織中存在存在一定量的殘余奧氏體，尤其是馬氏體轉(zhuǎn)變溫度較低的材料，殘余奧氏體可能多達(dá)10%以上。殘余奧氏體是一種不穩(wěn)定組織，可以逐步轉(zhuǎn)變成馬氏體。奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體體積會(huì)變大，造成零件尺寸的變化。同時(shí)，奧氏體的機(jī)械性能也不穩(wěn)定。深冷處理就是將淬火后工件置入較低溫度的環(huán)境中（傳統(tǒng)的方法比如5℃以下的冷水中，現(xiàn)代工業(yè)方法則利用-196℃液氮中），促進(jìn)殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，以提高材料性能。一般比較重要的零件才會(huì)采用深冷工藝，比如精密量具，精密軸承等。

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深冷定義及原理
深冷處理就是利用液氮（-196℃）作為冷卻介質(zhì)將淬火后的金屬材料的冷卻過(guò)程繼續(xù)下去，達(dá)到遠(yuǎn)低于室溫的某一溫度，從而達(dá)到改善金屬材料的性能的目的。深冷處理技術(shù)是近年來(lái)興起的一種改善金屬工件性能的新工藝技術(shù)。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，原子之間具有正常的分布和吸引力，但是原子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能總是在一定程度上打破原子正常分布和吸引力，要消除這種原子動(dòng)能的不利影響，深冷處理是目前zui有效、的技術(shù)手段。

深冷處理過(guò)程中，被處理材料置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高或改善材料性能。關(guān)于深冷處理的機(jī)理問(wèn)題，現(xiàn)在還處于一個(gè)研究初期階段，對(duì)材料內(nèi)部變化機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠完善。相對(duì)來(lái)說(shuō)有關(guān)黑色金屬(鋼鐵) 的深冷機(jī)理已經(jīng)研究得較為深入、透徹，各國(guó)研究者已達(dá)成一些共識(shí)。

對(duì)于黑色金屬來(lái)說(shuō)，其深冷處理的機(jī)理主要由以下幾點(diǎn)：

①殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體提高了材料的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)改善了材料的尺寸穩(wěn)定性；

②從馬氏體基體中析出超細(xì)碳化物顆粒，提高了材料的耐磨性，從而提高使用壽命；

③馬氏體板條碎化，使組織得到細(xì)化，從而引起工件的強(qiáng)韌化；

④降低材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，從而提高材料的尺寸穩(wěn)定性。
在深冷處理過(guò)程中，大量的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是過(guò)飽和的亞穩(wěn)定馬氏體在從-196℃至室溫過(guò)程中會(huì)降低過(guò)飽和度，析出彌散、尺寸僅為20～60Å并與基體保持共格關(guān)系的超微細(xì)碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減少，微觀應(yīng)力降低，而細(xì)小彌散的碳化物在材料塑性變形時(shí)可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而強(qiáng)化基體組織。同時(shí)由于超微細(xì)碳化物顆粒析出，均勻分布在馬氏體基體上，減弱了晶界脆化作用，而基體組織的細(xì)化既減弱了雜質(zhì)元素在晶界的偏聚程度，又發(fā)揮了晶界強(qiáng)化作用，從而改善了高速鋼的性能，使硬度、沖擊韌性和耐磨性都顯著提高。
深冷技術(shù)的改進(jìn)效果不限于工件表面，它滲入工件內(nèi)部，體現(xiàn)的是整體效應(yīng)，所以可對(duì)工件進(jìn)行重磨，反復(fù)使用，而且對(duì)工件還有減少淬火應(yīng)力和增強(qiáng)尺寸穩(wěn)定性作用。

二、深冷技術(shù)的發(fā)展歷史
在20世紀(jì)初，國(guó)外就開(kāi)始研究用過(guò)度冷卻的方法改變鋼的組織和性能。在1938年，A II.LYJIREB首先提出高速工具鋼深冷處理的建議，并在理論上提出了冷到-80℃的理論根據(jù)。美國(guó)在20世紀(jì)50年代已經(jīng)開(kāi)始深冷處理對(duì)金屬性能影響的研究。60年代末，美國(guó)路易斯安娜理工大學(xué)機(jī)械工程系F.Barron教授對(duì)5種合金鋼52100，D-2，A-2，M-2和O-1進(jìn)行了細(xì)致地研究。通過(guò)對(duì)比深冷處理與未深冷處理的試樣發(fā)現(xiàn)，深冷處理后的硬度雖然增加有限，但其磨粒磨損抗力卻有顯著提高。如經(jīng)-84℃處理后的試樣耐磨性比未處理的要提高2.0~6.6倍，經(jīng)-190℃處理的試樣耐磨性比-84℃處理的還要提高2.6倍。實(shí)際生產(chǎn)中也證實(shí)了F.Barron的研究結(jié)論的正確性。Dayton公司在其生產(chǎn)報(bào)告中明確指出：采用-310℃F處理的沖頭壽命可提高一倍。美國(guó)材料開(kāi)發(fā)有限公司于1966年10月，開(kāi)始利用深冷處理方法來(lái)處理承受磨損的工具和零件。70年代美國(guó)休斯航空公司、通用動(dòng)力公司、通用汽車公司、Steelcase及日本Cannon等公司均使用深冷處理技術(shù)，特別是Metarials Improvement Inc,則成為專門(mén)從事深冷處理的專業(yè)性公司。前蘇聯(lián)也是較早采用深冷處理技術(shù)來(lái)提高高速鋼刀具使用壽命的國(guó)家。
20世紀(jì)80年代，澳大利亞、羅馬尼亞、德國(guó)、新加坡、英國(guó)等國(guó)家的學(xué)者對(duì)深冷處理的工藝、機(jī)理都做了一定的研究，研究結(jié)果普遍認(rèn)為深冷處理可使材料的性能明顯提高。

對(duì)金屬材料進(jìn)行深冷處理可以明顯改善其組織結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械物理性能，其深冷處理效果是通過(guò)以下幾個(gè)方面達(dá)到的。
（1）、殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體
殘余奧氏體，是金屬材料在淬火后留下的，含量一般在13~45%之間。*，殘余奧氏體是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，限制了材料硬度和耐磨性，在受冷受熱時(shí)會(huì)分解轉(zhuǎn)化，致使模具的體積發(fā)生膨脹與變形，幾何尺寸不穩(wěn)定。
常規(guī)的淬火處理，冷至室溫后，會(huì)留下相當(dāng)數(shù)量的殘余奧氏體，通過(guò)深冷處理，可以使殘余奧氏體基本轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。根據(jù)相關(guān)部門(mén)檢測(cè)，以深冷處理后殘余奧氏體僅存1-5%，其轉(zhuǎn)化率達(dá)到90~100%，對(duì)于含碳量<0.3~0.4的鋼種，深冷處理就可以實(shí)現(xiàn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。

（2）細(xì)化組織結(jié)構(gòu)
金屬材料經(jīng)深冷處理后，不僅引起殘余奧氏體分解，而且馬氏體部分分解，轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟?，隨后以位錯(cuò)形式析出，并形成超顯微碳化物，發(fā)生顯微塑性變形。通過(guò)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，板條馬氏體碎化即基體組織細(xì)化，碳化物細(xì)化。這就是說(shuō)具有同素異物轉(zhuǎn)變的金屬材料，在深冷處理過(guò)程中，不僅有殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，而且還有微細(xì)碳化物析出及組織細(xì)化過(guò)程。
我們選用生產(chǎn)廠家使用zui廣泛的W6Mo5Cr5V2高速工具鋼刀具進(jìn)行研究，熱處理+深冷處理與熱處理比較，刀具的殘余奧氏體從11%減少到3%；同時(shí)對(duì)刀具的微觀組織結(jié)構(gòu)分析，同樣觀察到其組織細(xì)化，并有碳化物析出，刀具的壽命提高1~3倍。

未深冷處理的刀具摩擦面凹凸的厲害，重研磨帶大；而經(jīng)深冷處理垢刀具摩擦面凹凸變化不大，重研磨帶小。由此可見(jiàn)，工具鋼進(jìn)行深冷處理后，組織變得均勻、微細(xì)和致密，使工具鋼的堅(jiān)韌性和耐磨性和到顯著提高。