顧開(kāi)選 王俊杰 張紅

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，高端裝備制造業(yè)的發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。新中國(guó)成立尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門類齊全、獨(dú)立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動(dòng)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)綜合國(guó)力，支撐我國(guó)作為世界大國(guó)的地位。然而，與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。其中，核心基礎(chǔ)零部件（元器件）、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)（以下統(tǒng)稱“四基”）等工業(yè)基礎(chǔ)能力薄弱，是制約我國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和質(zhì)量提升的癥結(jié)所在。高端裝備制造業(yè)方面存在的共性關(guān)鍵問(wèn)題是核心零部件或材料的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、強(qiáng)韌性等力學(xué)性能相對(duì)較低，從而限制了裝備制造業(yè)的精密化、高端化發(fā)展。因此，對(duì)傳統(tǒng)材料改性處理以提高其上述性能具有重要的戰(zhàn)略意義。

近年來(lái)，隨著低溫技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫的應(yīng)用不斷滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，包括天然氣液化、核聚變、超導(dǎo)、氫能利用、航空航天、生物醫(yī)療、食品工業(yè)等，與此同時(shí)低溫在金屬材料行業(yè)以及高端機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用也日益受到重視，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的材料深冷處理改性技術(shù)也成為各國(guó)學(xué)者和材料生產(chǎn)加工行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

所謂深冷處理是指把材料（或工件）置于一定的低溫（-100℃以下）環(huán)境下，通過(guò)控制升降溫速率、處理溫度以及保溫時(shí)間等工藝參數(shù)來(lái)對(duì)材料進(jìn)行處理，這種處理能夠使材料的微觀組織發(fā)生不同程度的不可逆轉(zhuǎn)變，從而當(dāng)材料回到室溫后達(dá)到改善其宏觀性能的目的。早在100多年以前瑞士的鐘表制造者們把鐘表的關(guān)鍵零部件埋到寒冷的阿爾卑斯雪山中，發(fā)現(xiàn)能夠有效提高零部件的使用壽命和精度，但由于當(dāng)時(shí)低溫技術(shù)的限制，未能展開(kāi)深入的研究和廣泛的應(yīng)用，直到20世紀(jì)80年代初，路易斯安那大學(xué)的教授對(duì)工具鋼開(kāi)展了深冷處理研究，發(fā)現(xiàn)耐磨性有明顯的提高，隨后，深冷處理在美國(guó)逐漸實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，成立了若干個(gè)專業(yè)的深冷處理服務(wù)企業(yè)，其他國(guó)家也相繼的開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)和應(yīng)用研究。

中國(guó)在深冷處理方面的研究和應(yīng)用起步較晚，然而，隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)水平的不斷提高，一方面，對(duì)于各種高精密、高可靠性、長(zhǎng)壽命儀器設(shè)備的需求與日俱增，另一方面，各種機(jī)械裝備、儀器儀表的生產(chǎn)周期明顯縮短，這就需要對(duì)生產(chǎn)加工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，深冷處理作為一種先進(jìn)的處理手段，通過(guò)改善材料的性能從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及使用壽命。

一、深冷處理技術(shù)現(xiàn)狀分析

深冷處理是在熱處理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種材料補(bǔ)充處理手段，為了有力推動(dòng)該技術(shù)在材料及裝備制造行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)裝備制造業(yè)朝著高精度、高可靠性、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，需要對(duì)該技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究，建立牢固的理論基礎(chǔ)，因此，深冷處理技術(shù)的研究主要從深冷處理的宏觀效果、深冷處理工藝及深冷處理機(jī)理幾方面進(jìn)行。

1.熱處理簡(jiǎn)介

熱處理的目的是為了獲得要求的硬度和力學(xué)性能，以強(qiáng)化零件基體或零件的表面性能，滿足零件的實(shí)際工作需要，材料熱處理方式不同所獲得的組織性能會(huì)有很大的差異。鋼鐵材料常規(guī)的熱處理方法有退火、正火、淬火和回火。退火是指將鋼加熱到一定溫度以上（Ac3或Ac1），保溫一定時(shí)間，隨后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）以獲得平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其主要目的是降低鋼件硬度，改善切削加工性；提高塑性或恢復(fù)經(jīng)冷變形后鋼的塑性，提高工藝性能和使用性能；消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂，并使組織均勻化。正火是指將鋼加熱到更高溫度（Ac3或Acm）以上，在空氣中冷卻或進(jìn)行風(fēng)冷、噴霧冷卻等，其主要目的是獲得一定的硬度，提高塑性，細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能和加工性能；獲得均勻的組織，消除過(guò)共析鋼中的網(wǎng)狀碳化物。淬火是將鋼加熱到奧氏體化以后通過(guò)快速冷卻使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，從而能夠顯著提高鋼的強(qiáng)度、耐磨性、強(qiáng)韌性等性能，回火是將淬火后的鋼加熱到一定溫度，從而使淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，并消除淬火應(yīng)力的處理工藝。

以上熱處理工藝中，淬火和回火是材料強(qiáng)化的重要手段，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。材料經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，在較低溫度下發(fā)生馬氏體相變，材料的馬氏體相變是一種無(wú)擴(kuò)散相變，通過(guò)切變完成晶格改組，而不涉及成分變化。由于馬氏體轉(zhuǎn)變的無(wú)擴(kuò)散性，相變需要很大的驅(qū)動(dòng)力和過(guò)冷度。由淬火冷卻形成的馬氏體相變，又稱為熱誘發(fā)馬氏體相變，經(jīng)淬火處理后再配以回火處理，來(lái)調(diào)整硬度、韌性等以滿足各種工件的不同性能的要求。目前工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料的淬火工藝主要是將工件加熱到材料的Ac3或Ac1以上30～50℃，保溫一定時(shí)間后，快速在水、鹽水、油或氣氛中冷卻。這些淬火介質(zhì)的淬冷能力雖然都很強(qiáng)，但是由于先轉(zhuǎn)變的奧氏體對(duì)未轉(zhuǎn)變的奧氏體的轉(zhuǎn)變具有抑制作用，只有進(jìn)一步增加相變驅(qū)動(dòng)力，即增加過(guò)冷度才能使相變繼續(xù)進(jìn)行，所以對(duì)于大多數(shù)的鐵碳合金，淬火后總是存在一部分殘余奧氏體，即使冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度（Mf）點(diǎn)，仍不能得到100%馬氏體。若殘余奧氏體含量過(guò)大，將會(huì)直接影響回火處理的質(zhì)量，達(dá)不到工件所要求的性能。此外，對(duì)于某些不銹鋼，高合金鋼，氧化鋯陶瓷等由于其馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度（Ms）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，所以常規(guī)的淬火介質(zhì)不能使材料淬火后得到全部馬氏體。

面心立方結(jié)構(gòu)的殘余奧氏體具有硬度和強(qiáng)度低、塑性好以及不穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，殘余奧氏體的存在會(huì)降低材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性，而且在使用過(guò)程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，由于2種相的容積比不同，轉(zhuǎn)變過(guò)程中會(huì)引起工件宏觀體積的變化，從而導(dǎo)致工件的尺寸不穩(wěn)定。因此，為了盡量減少殘余奧氏體含量獲得最大數(shù)量的馬氏體，提高工件的性能及使用壽命，最直接的辦法就是將淬冷至室溫的材料繼續(xù)冷卻到更低的溫度，繼續(xù)提供過(guò)冷度即可使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這樣可進(jìn)一步提高鋼的硬度和耐磨性，并穩(wěn)定鋼件的尺寸，這是深冷處理技術(shù)產(chǎn)生的最初動(dòng)機(jī)。

2.深冷處理宏觀效果

（1）深冷處理對(duì)材料耐磨性的影響

在機(jī)械行業(yè)及裝備制造業(yè)中，零部件的耐磨性能對(duì)機(jī)械設(shè)備性能及壽命影響非常大。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中提高零部件耐磨性最為傳統(tǒng)的方法是表面處理（滲碳、滲氮、電鍍、激光熔覆等），然而，深冷處理的出現(xiàn)以提高鋼鐵材料耐磨性能最為顯著，美國(guó)在20世紀(jì)50年代末就已經(jīng)開(kāi)始了深冷處理對(duì)金屬性能的影響研究，到了20世紀(jì)70年代初至80年代末，路易斯安那理工大學(xué)的Barron教授開(kāi)展了深冷處理研究工作并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了深冷處理提高耐磨性能的效果，最初研究了深冷處理對(duì)車刀耐磨性的影響，肯定了深冷處理的有效性及生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨后針對(duì)12種工具鋼、3種不銹鋼、4種碳素鋼和鑄鋼進(jìn)行了深冷處理研究，結(jié)果表明工具鋼深冷處理后耐磨性提高了2.0～6.6倍[1]，最初對(duì)于深冷處理的研究大多都集中在提高工模具鋼的耐磨性和使用壽命上，并取得了很好的效果。20世紀(jì)90年代初，深冷處理開(kāi)始引起廣泛的重視大量研究表明，鋼鐵材料尤其是工具鋼采用深冷處理能夠有效提高耐磨性、延長(zhǎng)使用壽命，如表1所示。

對(duì)于深冷處理提高鋼鐵材料耐磨性的機(jī)理普遍認(rèn)為是由于殘余奧氏體的分解和超細(xì)碳化物顆粒的析出所導(dǎo)致，尤其碳化物顆粒對(duì)耐磨性影響較大。然而，盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在深冷處理改善耐磨性方面做了大量的工作，不同的材料或者相同材料不同的研究結(jié)果，深冷處理提高耐磨性的比例也有一定的差別，說(shuō)明對(duì)于不同材料的深冷處理最佳工藝還沒(méi)能達(dá)成普遍的共識(shí)。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為深冷處理應(yīng)置于淬火后回火前進(jìn)行，然而Molinari[2]認(rèn)為，對(duì)于M2高速鋼來(lái)說(shuō)淬火后回火前深冷基本上沒(méi)有任何改善，而淬火回火以后深冷耐磨性能夠明顯提高。此外，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為淬火后應(yīng)該盡快（1h以內(nèi)）進(jìn)行深冷處理以便殘余奧氏體盡可能多的轉(zhuǎn)化為馬氏體，而Akhbarizadeh[3]認(rèn)為淬火后在室溫下放置一周以后深冷處理更有利于殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，深冷處理效果更好。因此，為了有力地推動(dòng)深冷處理技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對(duì)于深冷處理的最佳效果需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索和應(yīng)用積累，從而達(dá)到針對(duì)特定的材料形成標(biāo)準(zhǔn)化的處理方法。

除了鋼鐵材料外，有色金屬甚至非金屬材料的耐磨性也逐漸受到關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)鎂合金深冷處理后耐磨性明顯提高，深冷處理使硬質(zhì)合金的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)使基體中的部分馬氏體相由面心立方結(jié)構(gòu)的α-鈷（Co）轉(zhuǎn)變成密排六方結(jié)構(gòu)的ε-Co從而提高了硬質(zhì)合金的耐磨性。Pande研究發(fā)現(xiàn)nylon-6高分子聚合物深冷處理后耐磨性提高52.15%，主要原因是由于深冷處理提高了高分子聚合物的結(jié)晶度[4]?？梢钥闯觯罾涮幚韺?duì)于不同種類材料耐磨性的提高均有一定效果，由于對(duì)于有色金屬以及非金屬材料的深冷處理研究還處于初期階段，對(duì)于其機(jī)理及工藝方面的認(rèn)識(shí)還不夠深入，且部分材料像鈦合金的深冷處理基本還為涉及，因此還有大量的工作等待進(jìn)一步開(kāi)展。

（2）深冷處理對(duì)材料機(jī)械性能的影響

除了改善耐磨性外，深冷處理對(duì)材料強(qiáng)度、塑性、韌性以及疲勞等機(jī)械性能的改善也是各國(guó)學(xué)者關(guān)注的對(duì)象，但是深冷處理對(duì)鋼鐵材料機(jī)械性能的改善效果遠(yuǎn)不如對(duì)耐磨性的改善效果明顯，其對(duì)于材料的使用壽命、企業(yè)的投入成本影響不大，從而對(duì)其重視程度相對(duì)較弱。但值得肯定的是深冷處理使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體能夠提高材料強(qiáng)度，一般情況下，深冷處理在提高鋼鐵材料耐磨性的同時(shí)對(duì)材料的強(qiáng)度會(huì)有一定的改善，至少不會(huì)出現(xiàn)明顯下降的情況，對(duì)鋼鐵材料塑性的影響也相對(duì)較小。而在韌性方面則存在爭(zhēng)議，目前未能達(dá)成普遍共識(shí)，部分學(xué)者認(rèn)為深冷處理使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體會(huì)使韌性降低，而大多數(shù)情況下深冷處理反而能夠提高材料的韌性。

對(duì)于材料機(jī)械性能的深冷處理研究應(yīng)更多的集中到改善空間大、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高的材料方面，比如有色金屬、非金屬材料，不斷地探索新材料新方向的深冷處理具有非常重要的意義。

（3）深冷處理對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響

所謂尺寸穩(wěn)定性問(wèn)題是指材料在熱處理與加工完畢后，在工作環(huán)境條件下不受外力作用或在低于彈性極限的應(yīng)力作用下抵抗永久變形的能力，以及在加工過(guò)程中保持尺寸不變的能力。一般認(rèn)為，金屬材料尺寸的自發(fā)變化是以下2個(gè)因素的結(jié)果：①材料的相與組織的不穩(wěn)定性，②在各種熱加工與冷加工工藝過(guò)程中以及在機(jī)械裝配操作時(shí)，零件中的殘余內(nèi)應(yīng)力及其松弛。

早在20世紀(jì)50年代后半期在國(guó)外就開(kāi)始應(yīng)用深冷處理與熱處理相結(jié)合的方法來(lái)改善金屬材料及構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性并取得了良好的效果。鋼鐵材料中的殘余奧氏體屬于亞穩(wěn)態(tài)相，其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體會(huì)產(chǎn)生體積的變化，從而導(dǎo)致尺寸不穩(wěn)定，深冷處理一方面通過(guò)使殘余奧氏體分解來(lái)穩(wěn)定組織，另一方面降低材料殘余應(yīng)力來(lái)改善材料的尺寸穩(wěn)定性，因此，無(wú)論是在軸承鋼、合金鋼、滲碳鋼還是工具鋼方面都有相關(guān)的研究報(bào)道指出，采用深冷處理可以降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力，提高材料尺寸穩(wěn)定性。

此外，在航空航天及軍工企業(yè)存在大量的鋁合金零件，這些零件對(duì)精度要求極高，加工后的變形問(wèn)題較為嚴(yán)重，研究表明深冷處理能夠有效的降低鋁合金零件的殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，目前深冷處理技術(shù)在改善鋁合金及鋁基復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。由于尺寸穩(wěn)定性改善的微觀機(jī)制較為復(fù)雜，對(duì)于宏觀殘余應(yīng)力的檢測(cè)較為困難且準(zhǔn)確度較差，目前這方面的研究工作做得較少，大多結(jié)合實(shí)際零部件進(jìn)行外形尺寸的測(cè)量來(lái)衡量深冷處理的效果。除了鋁合金外，鈦合金由于其熱導(dǎo)率較低，加工過(guò)程中熱應(yīng)力較大，更容易產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力從而引起尺寸不穩(wěn)定，深冷處理能夠有效改善鈦合金的尺寸穩(wěn)定性。

（4）深冷處理對(duì)材料耐腐蝕性的影響

早在20世紀(jì)80年代末，路易斯安那理工大學(xué)的Barron教授[5]研究了深冷處理對(duì)幾種鋼腐蝕速率的影響，結(jié)果表明深冷處理后S-2工具鋼的腐蝕速率減小了1.786倍，M-1工具鋼和4242鋼減小了1.2倍，而316和410不銹鋼減小不到1.1倍，說(shuō)明深冷處理能夠提高鋼鐵材料的耐腐蝕性，但由于其提高的幅度不大且機(jī)理方面也不是很清楚，因此，后來(lái)很少有學(xué)者對(duì)此展開(kāi)深入研究。國(guó)內(nèi)有學(xué)者嘗試了采用深冷處理改善口腔醫(yī)學(xué)用合金的耐腐蝕以及黃銅的耐腐蝕性，宏觀結(jié)果均表明深冷處理能夠有效改善耐腐蝕性，然而機(jī)理方面仍然未能清楚的揭示。隨著科技的不斷進(jìn)步，對(duì)高品質(zhì)材料的需求不斷增加，同時(shí)隨著材料檢測(cè)手段的不斷進(jìn)步，對(duì)不同類型的材料開(kāi)展深冷處理研究耐腐蝕性相信會(huì)有較大的實(shí)用價(jià)值。

3.深冷處理工藝

（1）深冷處理與傳統(tǒng)熱處理的結(jié)合

低溫技術(shù)的不斷發(fā)展有力地推動(dòng)了深冷處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與之相關(guān)的機(jī)理及工藝方面的研究工作也受到各國(guó)學(xué)者的重視。20世紀(jì)初開(kāi)始，學(xué)者們對(duì)不同材料的深冷處理機(jī)理以及深冷處理工藝進(jìn)行了深入廣泛的研究。由于深冷處理作為傳統(tǒng)熱處理的補(bǔ)充，其與傳統(tǒng)熱處理的配合問(wèn)題是否會(huì)對(duì)處理效果產(chǎn)生影響自然而然引起了學(xué)者們的興趣。

對(duì)于深冷處理與傳統(tǒng)熱處理的結(jié)合，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為深冷處理應(yīng)置于淬火后進(jìn)行，目前普遍認(rèn)為對(duì)于高速鋼來(lái)說(shuō)大多采用淬火后回火前深冷處理，其工藝路線如圖1所示。然而，也有學(xué)者研究了合金結(jié)構(gòu)鋼的深冷處理，結(jié)果表明回火后進(jìn)行深冷處理能獲得最佳的力學(xué)性能。Preciado研究發(fā)現(xiàn)深冷處理前回火能增加滲碳鋼基體中碳化物顆粒的數(shù)量，提高鋼的硬度和耐磨性，而且深冷處理前的回火溫度對(duì)深冷處理效果有一定的影響[7]。

淬火后先深冷出要是為了最大限度的降低殘余奧氏體的含量，其主要針對(duì)淬火后殘余奧氏體含量較高的材料，淬火后先回火使淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體從而使得淬火應(yīng)力得到釋放，然而此時(shí)殘余奧氏體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，其轉(zhuǎn)變程度較為有限，因此，對(duì)于深冷處理工序的選擇應(yīng)根據(jù)材料以及所追求的深冷處理效果不同而選擇不同的工藝，對(duì)于淬透性較差，淬火后殘余奧氏體含量較高的鋼采用淬火后深冷處理能夠有效降低材料的殘余奧氏體，提高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定，而對(duì)于淬透性較好，淬火后殘余奧氏體含量較低的鋼采用回火后深冷處理能夠使材料獲得較好的綜合性能。

（2）深冷處理工藝參數(shù)

在深冷處理工藝的研究方面，Darwin[6]認(rèn)為深冷處理過(guò)程中的處理溫度、保溫時(shí)間、降溫速率和回火溫度對(duì)深冷處理效果的貢獻(xiàn)從比例上來(lái)說(shuō)分別占到72%，24%，10%和2%。深冷處理溫度的重要性已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，這也是區(qū)分深冷處理和普通冷處理的主要原因，通常情況下，越低的處理溫度除了有利于殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變外還更有利于碳化物顆粒的析出，由于液氮的獲取更加容易低廉，因此目前廣泛采用的最低處理溫度為液氮溫度（-196℃）。圖2為5種不同材料通過(guò)-84℃和-196℃冷處理后耐磨性的變化，從圖中可以看出，處理溫度越低耐磨性提高約明顯。

保溫時(shí)間主要決定于工件溫度的均勻性和組織轉(zhuǎn)變的程度，由于低溫下原子運(yùn)動(dòng)比較緩慢，其擴(kuò)散到新的位置需要一定的時(shí)間才能完成，然而對(duì)于不同的材料，其微觀組織轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間也存在明顯的差別，普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，深冷處理保溫時(shí)間越長(zhǎng)其處理效果越好，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間（例如35h）以后性能基本不再改變，然而，Amini研究1.2080（CR12）工具鋼的深冷處理，結(jié)果表明，深冷處理時(shí)間超過(guò)36h后，碳化物顆粒的數(shù)量會(huì)減少，而且顆粒會(huì)變大，從而會(huì)導(dǎo)致性能有所下降。可以推斷，不同的材料由于微觀組織的差別比較大，因此深冷處理的最佳保溫時(shí)間也存在一定的差別。

控制降溫速率主要是為了避免冷卻速度過(guò)快造成的冷沖擊，從而導(dǎo)致材料內(nèi)部由于局部應(yīng)該過(guò)大產(chǎn)生微裂紋等缺陷，因此，理論上講降溫速率越慢對(duì)深冷處理效果越有利。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于深冷處理工藝的研究目前還存在很大的局限性，盡管很多研究均表明深冷處理的溫度越低、保溫時(shí)間越長(zhǎng)、降溫速率越慢對(duì)深冷處理越好，然而，針對(duì)不同的材料以及所追求的性能不同，其最佳的工藝還有待進(jìn)一步探索，目前，針對(duì)深冷處理工藝方面系統(tǒng)性綜合性的研究尚不足。

二、深冷處理機(jī)理

鋼鐵材料的深冷處理不管是研究還是應(yīng)用都比較廣泛，涉及的材料除了工具鋼以外，還包括滲碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、不銹鋼等。其機(jī)理相對(duì)較為成熟，目前一致認(rèn)為，鋼鐵材料的主要作用機(jī)理是使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體和在馬氏體基體上析出超細(xì)碳化物顆粒兩個(gè)方面。深冷處理不僅能夠增加馬氏體基體上碳化物顆粒的數(shù)量和體積分?jǐn)?shù)還能促使碳化物顆粒分布更均勻，研究表明碳化物顆粒的析出主要是由低溫下馬氏體晶格的收縮促使碳原子擴(kuò)散到新的位置后重新形核所產(chǎn)生的。深冷處理這2方面作用機(jī)理表現(xiàn)在宏觀上來(lái)能夠有效提高材料的硬度和耐磨性，從而提高工具鋼的使用壽命。

此外，有色金屬包括鋁合金、鎂合金、銅合金以及鈦合金的深冷處理也逐漸受到重視，而對(duì)于其機(jī)理的認(rèn)識(shí)還并不是很清楚，還處于研究的初期階段。對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，深冷處理過(guò)程中未能檢測(cè)到明顯的亞穩(wěn)態(tài)相轉(zhuǎn)變，因此其主要作用機(jī)理應(yīng)該是位錯(cuò)和孿晶層次的變化引起的，有學(xué)者采用XRD研究發(fā)現(xiàn)深冷處理在鋁合金內(nèi)部引起了晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，并提出了新的鋁合金強(qiáng)化機(jī)制[8]。在鎂合金方面，研究表明深冷處理能夠增加基體中二次相顆粒的含量，使二次相顆粒細(xì)化并分布均勻，從而提高了鎂合金的機(jī)械性能及耐磨性[9]。Jiang Y[10]研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理在AZ31鎂合金內(nèi)部產(chǎn)生孿晶，同時(shí)出現(xiàn)晶粒取向。銅合金的深冷處理由于研究較少且不夠深入，所以機(jī)理方面還沒(méi)有得到達(dá)成一致，有學(xué)者認(rèn)為深冷處理不會(huì)產(chǎn)生新相，但是能夠細(xì)化銅合金的晶粒，但是對(duì)于晶粒細(xì)化沒(méi)有細(xì)致的分析，也沒(méi)有揭示晶粒細(xì)化的深層機(jī)制，因此還有待進(jìn)一步深入研究。鈦合金的深冷處理研究較其他幾種有色金屬還少，可參考的文獻(xiàn)資料也比較少，其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

三、深冷處理設(shè)備及應(yīng)用

1.國(guó)外深冷處理設(shè)備

由于深冷處理效果與深冷處理過(guò)程中的降溫速率、處理溫度、保溫時(shí)間和升溫速率等參數(shù)有關(guān)，因此，實(shí)現(xiàn)深冷處理過(guò)程的可控顯得尤為必要，從而促使了深冷處理設(shè)備的誕生。美國(guó)是把深冷處理技術(shù)首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的國(guó)家，比如，300°Below Cryogenic Tempering Service，Inc從1966年就開(kāi)始把冷熱循環(huán)處理進(jìn)行商業(yè)化，為全球范圍內(nèi)上千家企業(yè)提供冷熱循環(huán)處理服務(wù)，并在眾多國(guó)家建立了上百家的分公司，每個(gè)分公司都采用其自主研發(fā)的冷熱循環(huán)處理設(shè)備來(lái)提供服務(wù)，其涉及的材料有各種工具鋼、汽車零部件、航空航天材料、以及軸承鋼等。其處理設(shè)備如圖3所示。近年來(lái)，美國(guó)國(guó)內(nèi)冷熱循環(huán)處理企業(yè)發(fā)展比較迅速，在各地區(qū)均有一定數(shù)量的深冷處理服務(wù)企業(yè)。

2.國(guó)內(nèi)深冷處理設(shè)備

深冷處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展比較緩慢，因此相應(yīng)的設(shè)備發(fā)展也比較緩慢，根據(jù)冷卻方式的不同可以分為制冷機(jī)法和低溫液體冷卻法2類，壓縮空氣制冷曾經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用，如杭州制氧機(jī)研究所大型軋輥深冷處理設(shè)備和航天部青云儀器廠的空氣渦輪制冷機(jī)，但是由于這種設(shè)備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不方便等缺點(diǎn)，目前很少采用。最近幾年發(fā)展起來(lái)的低溫冰箱隨著最低制冷溫度的下降，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)緊湊和操作運(yùn)行簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，有望在-100℃的溫度附近得到廣泛的應(yīng)用，然而，對(duì)于溫度更低的深冷處理應(yīng)用時(shí)機(jī)還不成熟。目前最常用的則是低溫液體冷卻法，由于液氮的溫度較低、來(lái)源廣泛、無(wú)污染、價(jià)格便宜，大多情況下利用液氮作為冷媒介質(zhì)，有時(shí)還利用液氮和酒精等介質(zhì)混合的方式獲取不同的溫度。

目前，采用液氮制冷的深冷處理較為普遍，根據(jù)其制冷方式的不同又可以分為液氮浸泡式和利用液氮的汽化潛熱或者低溫氮?dú)庵评?，而后者又分為：基于輻射換熱的系統(tǒng)、基于對(duì)流換熱的系統(tǒng)以及基于輻射和對(duì)流換熱相結(jié)合的換熱系統(tǒng)。目前普遍采用的是通過(guò)液氮汽化后和工件進(jìn)行對(duì)流換熱方式，通過(guò)控制液氮的進(jìn)給量來(lái)控制工件的溫度，換熱完的氣體直接排放到大氣中。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“中科院理化所”）筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)從20個(gè)世紀(jì)80年代末開(kāi)始進(jìn)行深冷處理設(shè)備的研制，如今，該設(shè)備在不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新中取得了很好的發(fā)展，已被國(guó)內(nèi)外近300多家企業(yè)所使用，該設(shè)備具有控制精度高、保溫效果好、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，部分產(chǎn)品如圖4。

傳統(tǒng)的深冷處理設(shè)備采用液氮汽化后和工件進(jìn)行熱交換，換熱完以后的氮?dú)庵苯优诺酱髿庵?，然而為了滿足部分企業(yè)對(duì)氮?dú)獾男枨?，同時(shí)從降低能耗節(jié)約資源的角度出發(fā)，中科院理化所研發(fā)了帶有氮?dú)饣厥展δ艿纳罾涮幚碓O(shè)備，其原理圖如圖5所示。目前該設(shè)備已經(jīng)用于熱處理企業(yè)中，并運(yùn)行良好。

四、結(jié)語(yǔ)

深冷處理作為一種新的材料處理手段，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于精密制造行業(yè)，產(chǎn)生了積極的作用?，F(xiàn)階段我國(guó)裝備制造業(yè)急需轉(zhuǎn)型，高精密性、高可靠性、高穩(wěn)定性以及長(zhǎng)壽命儀器儀表、產(chǎn)品、設(shè)備的生產(chǎn)是轉(zhuǎn)型的必然趨勢(shì)，強(qiáng)化“四基”是當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)之一，而深冷處理技術(shù)作為一種先進(jìn)的基礎(chǔ)工藝具有較大縱深發(fā)展的機(jī)會(huì)。

此外，我國(guó)航天軍工進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，型號(hào)從研制到批產(chǎn)時(shí)間短、任務(wù)急，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的精度要求越來(lái)越高。大型鋁合金結(jié)構(gòu)件由于其自身質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好、易成型等特點(diǎn)，依然是未來(lái)新型號(hào)的首選，而它自身的缺點(diǎn)依然明顯：周期長(zhǎng)、造價(jià)高、單個(gè)大型鋁合金結(jié)構(gòu)件從鑄造到交付的周期一般為半年以上，生產(chǎn)成本達(dá)到百萬(wàn)元。通過(guò)深冷處理能夠大幅提高大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量可靠性與成品率，不僅降低航天軍工制造成本，同時(shí)提高了批產(chǎn)型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)效率，為國(guó)家軍工任務(wù)的順利完成提供保障。

高端裝備制造業(yè)的尺寸穩(wěn)定性問(wèn)題已成為行業(yè)的瓶頸，深冷處理尺寸穩(wěn)定化技術(shù)具有效果顯著、處理周期短、處理過(guò)程無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，其必然能夠成為推動(dòng)高端制造業(yè)快速穩(wěn)健發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

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