前言：對于鋼鐵材料，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)變成馬氏體體積會變大，造成零件尺寸的變化。同時，奧氏體的機械性能也不穩(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程繼續(xù)下去，達到遠低于室溫的某一溫度，從而達到改善金屬材料的性能的目的。深冷處理技術(shù)是近年來興起的一種改善金屬工件性能的新工藝技術(shù)。對于金屬材料來說，原子之間具有正常的分布和吸引力，但是原子運動的動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)于深冷處理的機理問題，現(xiàn)在還處于一個研究初期階段，對材料內(nèi)部變化機理的認識還不夠完善。相對來說有關(guān)黑色金屬(鋼鐵) 的深冷機理已經(jīng)研究得較為深入、透徹，各國研究者已達成一些共識。

對于黑色金屬來說，其深冷處理的機理主要由以下幾點：

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

②從馬氏體基體中析出超細碳化物顆粒，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，使組織得到細化，從而引起工件的強韌化；

④降低材料內(nèi)部的殘余應力，從而提高材料的尺寸穩(wěn)定性。
在深冷處理過程中，大量的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是過飽和的亞穩(wěn)定馬氏體在從-196℃至室溫過程中會降低過飽和度，析出彌散、尺寸僅為20～60Å并與基體保持共格關(guān)系的超微細碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減少，微觀應力降低，而細小彌散的碳化物在材料塑性變形時可以阻礙位錯運動，從而強化基體組織。同時由于超微細碳化物顆粒析出，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，所以可對工件進行重磨，反復使用，而且對工件還有減少淬火應力和增強尺寸穩(wěn)定性作用。

二、深冷技術(shù)的發(fā)展歷史
在20世紀初，國外就開始研究用過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)。美國在20世紀50年代已經(jīng)開始深冷處理對金屬性能影響的研究。60年代末，美國路易斯安娜理工大學機械工程系F.Barron教授對5種合金鋼52100，D-2，A-2，M-2和O-1進行了細致地研究。通過對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。實際生產(chǎn)中也證實了F.Barron的研究結(jié)論的正確性。Dayton公司在其生產(chǎn)報告中明確指出：采用-310℃F處理的沖頭壽命可提高一倍。美國材料開發(fā)有限公司于1966年10月，開始利用深冷處理方法來處理承受磨損的工具和零件。70年代美國休斯航空公司、通用動力公司、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)來提高高速鋼刀具使用壽命的國家。
20世紀80年代，澳大利亞、羅馬尼亞、德國、新加坡、英國等國家的學者對深冷處理的工藝、機理都做了一定的研究，研究結(jié)果普遍認為深冷處理可使材料的性能明顯提高。

對金屬材料進行深冷處理可以明顯改善其組織結(jié)構(gòu)，提高機械物理性能，其深冷處理效果是通過以下幾個方面達到的。
（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，在受冷受熱時會分解轉(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，會留下相當數(shù)量的殘余奧氏體，通過深冷處理，可以使殘余奧氏體基本轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。根據(jù)相關(guān)部門檢測，以深冷處理后殘余奧氏體僅存1-5%，其轉(zhuǎn)化率達到90~100%，對于含碳量<0.3~0.4的鋼種，深冷處理就可以實現(xiàn)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。

（2）細化組織結(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?，隨后以位錯形式析出，并形成超顯微碳化物，發(fā)生顯微塑性變形。通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，板條馬氏體碎化即基體組織細化，碳化物細化。這就是說具有同素異物轉(zhuǎn)變的金屬材料，在深冷處理過程中，不僅有殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，而且還有微細碳化物析出及組織細化過程。
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%；同時對刀具的微觀組織結(jié)構(gòu)分析，同樣觀察到其組織細化，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，工具鋼進行深冷處理后，組織變得均勻、微細和致密，使工具鋼的堅韌性和耐磨性和到顯著提高。