摘 要：深冷處理作為一種有效提高材料性能的工藝，其研究已經從黑色金屬領域走向有色金屬。綜合現有文獻，總結了金屬材料及其合金深冷處理的研究進展，簡述了深冷處理技術的工藝和機理，並結合國內外研究現狀提出了一些展望。
關鍵詞：深冷處理；奧氏體；馬氏體；碳化物
深冷處理主要是以液氮為製冷劑，在-196℃下 對材料進行處理的一種方法，它是熱處理工藝的延續[1-2]。早在一百多年前，瑞士的鐘表製造商將鐘錶的關鍵零件埋到阿爾卑斯雪山中進行「深冷處理」，零件的耐磨性和可靠性都得到了提高。工具製造者把工具鋼放到冷凍箱進行「深冷處理」，以提高其使用壽命，這是人類早期應用深冷處理技術的例子[3-5]。
前蘇聯最早研究出深冷處理方法，它可以防止工具鋼產生脆斷現象，並使其壽命提高1.5～2倍[6-7]。美 國在20世紀50年代開始進行金屬材料深冷處理的研究，並於1965年首次將深冷處理技術實用化[8-9]，在車刀、鑽頭、銑刀、絲錐和工具鋼中進行深冷處理，顯著提高了刀具的耐磨性和使用壽命[10-11]。我國在20世紀80年代開始引入深冷處理技術，科研工作者們對深冷處理的工藝、機理都做了一定的研究。研究方向主要集中在工模具鋼，高速鋼及軸承鋼等[12-14]，經深冷處理後的材料性能比一般冷處理後的材料的性能普遍得到改善。近幾年，深冷處理技術的研究已從黑色金屬逐步擴展到有色金屬（鋁合金、銅合金、鎂合金等）以及複合材料等方面，並取得了一定進展。與傳統的冷處理相比，深冷處理能更有效地改善材料的力學性能並提高材料的穩定性和使用壽命[15]。因此，深冷處理技術是能充分挖掘材料性能並且潛力巨大的新型材料強韌化工藝[16-18]。
1深冷處理工藝
深冷處理一 般以液氮作 為製冷劑進行深冷處理，它不僅製冷溫度低（可達-196℃），而且經濟方便無汙染。深冷處理主要分為兩種方法[19-20]：一種是氣體法。利用氮氣的汽化潛熱或低溫氮氣製冷進行深冷處理；另一種是液體法。液氮與工件直接接觸，使其驟冷至-196℃，保溫一定時間後回復至室溫，也有通過乙醇稀釋液氮進行深冷處理。液體法由於降溫速率大，容易產生過大的熱應力，導致熱衝擊作用大。而氣體法可實現降溫速率的可控性，熱衝擊作用小，在研究中被廣泛採用[21]。
1.1深冷處理升降溫速度
對於深冷處理的升降溫速率現在有兩種觀點[22]，一種是急冷急熱法，即將工件直接放入液氮中進行深冷處理，深冷處理結束後直接放到空氣中，恢復到室溫。有學者認為這種方法使工件的溫度急劇變化，導致工件內部應力變化大，使材料結構破壞或失效。另一種是採取緩慢升降溫的方法，即工件按照一定的溫度梯度逐步達到一定溫度後進行深冷處理。如對淬火後的工件先冷卻到室溫再進行深冷處理，對於室溫下或受熱衝擊比較大容易產生開裂的工件，先吊置在液氮上方進行預冷，再進行深冷處理；也可以通過深冷處理裝置精確控制升降溫速率的方法進行深冷處理。
1.2深冷處理時間
對於工件深冷處理保溫時間的長短應考慮工件的尺寸大小和導熱速率以及組織轉變等因素。但有學者認為，深冷處理過程中不需要考慮奧氏體向馬氏體的轉變速度。也有學者認為保溫時間越長越好，長時間保溫使組織的轉化和碳化物的析出更充分，從而更好地提高材料的性能[23]。
1.3深冷處理次數
對於深冷處理的次數，目前比較認可的一種觀點是多次優於單次，並且大量的試驗研究表明，工件經過二次深冷處理後的效果最佳[24]。因為第二次深冷處理會重複第一次深冷處理，工件組織進一步轉化，碳化物進一步析出。但是進行3次以上深冷處理對工件組織的影響不明顯，無太大意義[25]。
段春爭等[26]通過對高速鋼循環深冷處理後的顯微組織和力學性能的研究發現，與一次長時間深冷處理相比，多次短時循環深冷處理後，W6Mo5Cr4V2鋼中馬氏體的c/a和含碳量明顯減小，殘留奧氏體數量進一步降低，有大量新的超細彌散碳化物顆粒沿馬氏體孿晶帶和位錯線析出，碳化物的平均粒度顯著降低，經多次短時間循環深冷處理後高速鋼力學性能更好。因此，在實際生產中應適當增加深冷處理次數。
2深冷處理對材料性能的影響
目前，深冷處理對材料性能影響的研究主要包括：硬度、強度和耐磨性、微觀組織、尺寸穩定性。也有學者對深冷處理後材料的腐蝕性進行了研究，但是深冷處理對材料腐蝕性能的作用效果不明顯，對組織和力學性能的影響比較顯著。因此，國內外學者就深冷處理對材料性能的研究主要集中在力學性能和微觀組織方面。
2.1硬度、強度和耐磨性
硬度、強度和耐磨性是衡量材料性能的重要指標。研究學者發現，深冷處理作為一種熱處理工藝，可以使材料中的殘餘奧氏體得到進一步轉化並促進碳化物進一步析出，從而提高材料的硬度、耐磨性和韌性，有效提高材料的力學性能。
Gill等[27]對AISIM2高速鋼在-196℃深冷處理並保溫38h發現，深冷處理過程中殘留奧氏體向馬氏體轉變，並且深冷處理能得到更細小的晶粒組織，也觀察到了大量細小彌散的碳化物析出。騰傑等[28]對紫銅深冷處理前後的力學性能 和組織進行 了對比，分析發現，深冷處理24 h，紫銅的顯微硬度達到峰值，強韌性得到了提高。其原因是深冷處理會引起紫銅晶粒內部位錯增加或形成亞結構，部分空洞消失及因微變形引起的加工硬化。陳振華等[29]對YL20.3硬質合金頂錘材料深冷處理的研究表明，通過深冷處理硬質合金硬度得以改善，深冷時間為2h和4h時較為明顯。黃雲戰等[30]對鉛黃銅合金深冷處理研究認為，β相的析出和彌散分布是深冷處理提高鉛黃銅合金強韌性和硬度的主要原因。陳鼎等[31]對鋁和鋁合金的深冷處理進行研究，通過對鋁和鋁合金深冷處理前後的XRD衍射峰強度和力學性能的變化 進行分析 和比較，發 現1230、2019、2024、3003、4032、7075和8009鋁合金經深冷處理後力學性能提高。
2.2微觀組織
材料經深冷處理後，奧氏體進一步轉化，晶粒細化，組織內部析出大量細小、彌散的碳化物，促進合金組織均勻化、緻密化，從而提高了材料的耐磨性和尺寸穩定性。
顧彪等[32]對回火後W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V高 速鋼刀具進行-196℃控溫和液氮浸泡式深冷處理，研究發現，高速鋼的韌性和硬度得到了提高，晶粒細化是性能提高的主要原因；其次，大量碳化物的析出也有助於其性能的提高。蔡紅等[33]研究了深冷處理對95Cr18不鏽鋼顯微組織、力學性能及耐腐蝕性的影響，發現對淬火後95Cr18不鏽鋼進行深冷處理，可以顯著降低鋼中的殘留奧氏體，析出更多細小的碳化物顆粒，提高鋼的硬度及耐磨性。鄧黎輝等[34]對 高強韌冷作模具鋼SDC55經液氮深冷處理後的組織和性能進行了研 究，結果表明，深冷 處理使SDC55鋼的殘留奧氏體一部分轉變成馬氏體，並且在馬氏體上有彌散的細小碳化物析出，使材料的硬度和耐磨性都得到提高。但長時間的深冷處理並不能使殘留奧氏體轉變完全，未轉變的殘留奧氏體分布在馬氏體的周圍，因此，材料深冷處理後擁有優良的強韌性。
2.3尺寸穩定性
材料的尺寸穩定性是指材料在受機械力、熱或其他外界條件作用下，其外形尺寸不發生變化的性能。工件尺寸變化的大小主要取決於殘餘奧氏體的量，如果材料中有大量的殘餘奧氏體，則殘餘奧氏體向馬氏體轉化過程中會產生較大尺寸的變形。在精密加工領域，某些關鍵零部件經過機械加工後尺寸精度會發生變化，如果鋼件中殘留的奧氏體較多，則在應用過程中會因為奧氏體轉變成馬氏體造成零件尺寸的變化，影響使用和技術要求的制定[35]。
張紅等[36]對GCr15、38CrMoAl鋼、鋁合金2A11以及球墨鑄鐵進行試驗研究，發現深冷處理能夠有效改善GCr15、38CrMoAl鋼、鋁合金2A11以及球墨鑄鐵的尺寸穩定性，並認為，深冷處理改善材料尺寸穩定性的機理主要是殘留奧氏體的轉變和殘餘應力的釋放兩個方面。王榮濱[37]對4種有代表性的普通黃銅性能進行了試驗，研究表明，經深冷處理後，黃銅的抗拉強度、彈性極限、硬度分別提高了12%、26%、45%，但伸長率下降了11%；組織穩定、尺寸穩定，畸變減少，有利於提高使用壽命。
3深冷處理機理
國內外的研究學者認為，金屬及其合金經深冷處理後，其微觀組織結構的變化主要包括以下幾個方面：殘餘奧氏體的轉化；硬質相的析出；組織緻密化、晶粒細化和轉動；殘餘應力與原子動能的變化。
3.1殘餘奧氏體的轉化
對於鋼鐵材料而言，深冷處理會促進基體中殘餘奧氏體進一步向馬氏體轉變。而影響尺寸穩定性的主要原因是工件在長時間的存放和使用過程中，殘留奧氏體的轉變為馬氏體，二者體積的差別，造成了工件形狀和尺寸的變化，表現為尺寸的不穩定性。而且鋼中奧氏體在低溫環境下非常不穩定，通過深冷處理能使鋼鐵材料中的殘餘奧氏體進一步轉化為馬氏體，位錯密度提高，從而提高了工件在存放和使用過程中的穩定性及力學性能。
劉勇等[38]通過對Cr12MoV鋼深冷處理發現，深冷處理可顯著降低Cr12鋼中的殘留奧氏體含量，經3×1 h循環深冷處理+180℃×1.5 h回火後，其殘留奧氏體含量由未冷處理的34.36%降至2.58%，92.5%的殘餘奧氏體得到轉化。孫瑩等[39]通過對T10鋼的深冷處理研究發現，深冷處理後T10鋼的殘留奧氏體含量降低38.2%，部分轉化為馬氏體，同時馬氏體基體上細小彌散的碳化物增多，從而提高了鋼的硬度、衝擊韌性和耐磨性。
3.2硬質相的析出
經深冷處理後，鋼鐵材料體積收縮使鐵的晶格常數有縮小的趨勢，從而促進了碳原子的析出，碳原子在低溫條件下擴散速度低，所以，在馬氏體基體上會析出超細碳化物[40]。張紅等[41]對3Cr13深冷處理研究發現，與普通熱處理相比，深冷處理後，鋼中析出的碳化物數量明顯增多，分布更加均勻彌散，硬度和衝擊韌性都得到了提高。對於有色金屬及其合金，陳鼎等[42]認為由於溫度的降低，合金中產生變形能，一部分變形能轉化為內能使合金組織處於亞穩態，於是沿位錯線及晶界會析出強化相。所以，硬質相的析出是材料性能提高的主要原因之一。黃利銀等[43]通過研究深冷處理對鎳基合金GH3030力學性能和組織的影響後發現，GH3030深冷處理後，晶粒內會析出大量微細顆粒。
3.3晶粒細化、轉動與組織緻密化
有學者認為，晶粒細化是由於馬氏體點陣常數發生變化及其板條發生碎化引起的[44]，也有學者認為，微細碳化物的析出造成了組織細化[45]。王曉峰 等[46]通過對Cr-Zr-Cu電極合金深冷處理研究發現，深冷處理使Cr-Zr-Cu合金產生了孿晶結構，析出高彌散的Cr、Zr粒子，基體組織變得緻密。陳文革等[47]對W-Cu合金進行 深冷處理研究發現，W-Cu合金髮生了「類馬氏體」轉變，銅顆粒彌散析出，晶粒細化，原子發生位移和體積收縮，從而提高了合金的密度和強度。
材料在深冷處理過程中，由於熱脹冷縮使材料產生巨大的內應力，使得晶粒發生了轉動，擇優取向形成了織構，這一新理論由陳鼎等[48]提出並在鋁和鋁合金中得到了證實。
3.4殘餘應力與原子動能
工件經過機械加工和強化工藝強化後都能引起殘餘應力，其殘餘應力在使用過程中會緩慢釋放，導致工件形狀發生變化。深冷處理過程中，工件中不同的相發生收縮，產生了微觀應力，當應力達到一定程度時發生塑性形變從而釋放殘餘應力；而且深冷處理過程中產生的熱應力也會與殘餘應力發生作用，同樣釋放了殘餘應力。
謝薇等[49]發現經-196℃深冷處理有效降低了3D-Cf/Mg基複合材料的熱殘餘應力。陳振華等[50]通 過對WC-Co硬質合金進行深冷 處理研究發 現，深冷處理較大程度提高了硬質合金表面的殘餘應力，同時，粘結相Co相發生fcc-Co向hcp-Co的馬氏體相變，兩者相互作用提高了WC-Co硬質合金力學性能和疲勞性能。殘餘應力也會提高工件的力學性能。Kalsi等[51-52]認為殘餘壓應力可以有效地提高工件的耐磨性和疲勞壽命，且隨著深冷處理溫度降低，殘餘奧氏體向馬氏體的轉變就越充分，殘餘壓應力就越大[53]。
原子間的結合力和原子的動能使得原子處在一個平衡的位置，深冷處理轉移了材料內金屬原子的部分動能，使材料內部的原子結合得更為緊密，從而提高了金屬的性能[54-55]。
4總結與展望
深冷處理在金屬材料中的研究已經取得一定成果，主要包括深冷處理工藝、對材料性能的影響及其作用機理等。經深冷處理後，材料的耐磨性、硬度、微觀組織和尺寸穩定性等都得到了改善，滿足了不同的需求。而且深冷處理的研究也已經從黑色金屬向有色金屬發展。
深冷處理在發展的過程中也出現了比較多的問題，不同的深冷處理工藝對金屬材料產生較大的影響。深冷處理機理對於不同的金屬材料需要新的理論支持，而且，目前深冷處理工藝應用與實踐仍有較大的局限，其原因在於深冷處理裝備嚴重滯後，理論研究和實踐應用需要進一步補充和完善。
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文章來源：《熱加工工藝》雜誌
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