陳九龍，魯蘇皖，龔易愷，劉昭全

(1.四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院，四川 成都610207；2.核工業(yè)西南物理研究院，四川成都610225)

深冷處理技術(shù)是一種以提高金屬材料性能和使用壽命為目標(biāo)而興起的金屬冷處理工藝。所謂深冷處理工藝，是在冷處理工藝(0℃～-100℃)［1］的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，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延續(xù)下去，達(dá)到遠(yuǎn)低于室溫的某一溫度，促使常規(guī)熱處理后所存在的殘余奧氏體得到進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，從而改善金屬材料的性能［2］。傳統(tǒng)冷處理工藝處理的金屬材料存在奧氏體殘留量大、開裂［3］等缺點(diǎn)，深冷處理后的工具鋼、高速鋼等材料所制造的各種刀具、刃具、工模具工件的耐磨性、韌性和使用壽命［4-8］等得到了極大的提高，在工業(yè)領(lǐng)域得到了的廣泛應(yīng)用，并得到了科研人員的青睞。其應(yīng)用范圍也從鋼鐵材料延伸到了鎂合金［9，10］、鋁合金［11-13］、鈦合金［14-17］等材料。經(jīng)過深冷處理的金屬材料在鐘表、機(jī)械制造、汽車、航空航天、船舶運(yùn)輸［18-21］等工業(yè)領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用。

1 深冷處理技術(shù)的發(fā)展

鋼鐵材料目前作為世界上應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，已經(jīng)有很長(zhǎng)的研究、發(fā)展歷史。對(duì)鋼的傳統(tǒng)熱處理通常是先進(jìn)行淬火，形成強(qiáng)度較高的馬氏體，再通過回火消除應(yīng)力，并減小其中的奧氏體殘留［22］。然而，殘余的奧氏體無法被完全清除，對(duì)材料的硬度、強(qiáng)度及耐磨性等會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的殘余奧氏體在工作中可能會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，影響材料的精度及穩(wěn)定性。制造機(jī)械性能好和制造精度要求比較高的零件，大多數(shù)選用含碳量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼以及各種類型的合金鋼［23-25］，并且仍存在大量的殘余奧氏體，因而限制了材料硬度及強(qiáng)度的提高。金屬材料從高溫到室溫的降溫過程中，奧氏體到馬氏體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變初期速度較快，剩余的轉(zhuǎn)變伴有體積膨脹的過程，且這種過程持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，常常需要數(shù)年的時(shí)間才能穩(wěn)定，這給金屬精密件帶來時(shí)間穩(wěn)定性方面的問題［26-28］，使一些緊密配合的金屬件經(jīng)過一段時(shí)間后工作失效。深冷處理工藝正是在解決這個(gè)問題時(shí)被發(fā)現(xiàn)和發(fā)展起來的［29］，深冷處理技術(shù)是建立在傳統(tǒng)熱處理之上，控制退火的溫度至-130℃以下對(duì)材料進(jìn)行處理［30，31］。深冷處理有助于提高材料的過冷度，減少奧氏體殘留，并促進(jìn)殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。經(jīng)過深冷處理的鋼鐵材料相較于一般熱處理的鋼鐵材料，在耐磨性及硬度方面有了很大改觀［32］。深冷處理作為一種有效的工藝手段，它逐漸顯示出強(qiáng)大的生命力，正在迅速的為世界各國(guó)所采用。使用深冷處理工藝的零件有大型軋鋼機(jī)滾軸、精密儀器的齒輪、刃具、量具、油泵油嘴、飛輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪軸、精密軸承及低溫閥門等［33-35］，影響遍及整個(gè)機(jī)械加工行業(yè)。目前，深冷處理過程主要在淬火后或回火后進(jìn)行［36］，對(duì)于不同種鋼材適用的處理方法不同，具體仍需深入研究。

2 深冷處理對(duì)鋼鐵耐磨性的影響

鋼作為一種在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛的金屬材料，因其加工性能好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上常常被用于制作截齒、刃具、刀頭、基板、模具［37，38］等工件。所以耐磨性對(duì)于鋼材料來說是一項(xiàng)非常重要的性能，使用耐磨性不好的鋼材料制作的產(chǎn)品往往會(huì)由于磨損過快、磨損后無法滿足加工精度需求等原因，使得生產(chǎn)成本增高，所以如何提高鋼材料的耐磨性是目前科研人員關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)問題［39］。目前大量的研究表明，對(duì)于高速鋼、工具鋼、軸承鋼等鋼材料進(jìn)行深冷處理后，鋼材料的耐磨性能得到了極大的提高。

Tang等［40］設(shè)計(jì)出了一種新型的磁場(chǎng)耦合深冷處理(MDCT)，使用AISI 4140鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，在兩個(gè)釹鐵硼永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)之中，在113 k(-160℃)的條件下對(duì)樣品進(jìn)行深冷處理，其工藝設(shè)置示意圖見圖1。后續(xù)研究表明經(jīng)MDCT處理的AISI 4140鋼擁有更好的摩擦性能。在摩擦性能測(cè)試中，經(jīng)MDCT處理的樣品摩擦系數(shù)為0.52，相較于傳統(tǒng)工藝處理的AISI 4140鋼下降約17.0%，MDCT處理的AISI 4140鋼耐磨損性相較于普通AISI 4140鋼提升了29%。但同時(shí)，MDCT處理也導(dǎo)致AISI 4140鋼材的硬度下降約4.7%。為研究深冷處理對(duì)于GCr15軸承鋼耐磨性的影響，葛艷輝［41］采用四種處理工藝對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行處理，首先在810℃下進(jìn)行4 h的球化回火，再在810℃下進(jìn)行20 min的油淬，然后對(duì)其中三組在160℃下進(jìn)行2 h的低溫回火，最后對(duì)兩組處理后的GCr15軸承鋼在-196℃分別進(jìn)行10 h和20 h的深冷處理以及160℃，2 h的低溫回火處理。圖2為四種不同工藝處理后的GCr15軸承鋼的金相組織圖，其中(a)為球化回火+油淬處理的金相組織圖，(b)為球化回火+油淬+低溫回火處理的金相組織圖，(c)為球化回火+油淬+低溫回火+10 h深冷處理的金相組織圖，(d)為球化回火+油淬+低溫回火+20 h深冷處理的金相組織圖。在圖(b)中可見，未經(jīng)過深冷處理的GCr15軸承鋼中含有較多的殘留奧氏體，將(c)、(d)與(b)作比較可明顯看出殘留奧氏體減少，同時(shí)細(xì)小的碳化物顆粒也相應(yīng)增加，且經(jīng)過20 h深冷處理的GCr15軸承鋼所析出的碳化物多于經(jīng)過10 h處理的GCr15軸承鋼?？梢姡谏罾涮幚碇?，殘余奧氏體繼續(xù)分解為馬氏體，所以殘余奧氏體減少，馬氏體增加，且部分馬氏體發(fā)生了細(xì)化。同時(shí)隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)小碳化物析出增多，并且馬氏體為碳化物提供了支撐，使其在磨損時(shí)發(fā)生脫落，使得GCr15軸承鋼的耐磨性得到了提升。

圖1 MDCT工藝設(shè)置示意圖Figure 1 Schematic diagramof process setting

以上研究結(jié)果表明，經(jīng)過深冷處理的工具鋼、軸承鋼等鋼鐵材料擁有更好的耐磨性，使其在機(jī)械加工方面有了更為優(yōu)秀的性能。目前認(rèn)為其原因是相較于常規(guī)工藝所生產(chǎn)出來的鋼材料，深冷處理中的超低溫條件可以促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體［42-44］，在處理過程中過飽和的馬氏體可以析出大量的碳以及產(chǎn)生更多的滲碳體［45，46］。板條馬氏體碎化、基體組織細(xì)化、碳化物顆粒細(xì)化［47-51］等現(xiàn)象也都可以提高鋼鐵材料的耐磨性。同時(shí)有觀點(diǎn)認(rèn)為耐磨性提升的最主要原因是細(xì)小彌散碳化物的析出。李彩云等［52］對(duì)W6Mo5Cr4V2高速鋼刃具的深冷處理機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)提升其耐磨性的主要原因是大塊碳化物碎化并析出細(xì)小的彌散碳化物顆粒，而本身奧氏體含量較小的工具鋼隨著奧氏體的繼續(xù)轉(zhuǎn)化，其對(duì)材料耐磨性增強(qiáng)的貢獻(xiàn)并不大。在機(jī)械加工行業(yè)中使用的刀具、刃具等耗材領(lǐng)域，由于深冷處理后的鋼材料耐磨性增強(qiáng)，使得深冷鋼所加工的刀具、刃具、截齒等耗材在加工過程的損耗更小，能有效節(jié)約生產(chǎn)成本［53］。

圖2 不同流程處理后的金相組織圖(600X)Figure 2 The microstructure of different processing(600X)

3 深冷處理對(duì)鋼鐵硬度的影響

鋼材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車船舶、機(jī)械工程［54-57］等領(lǐng)域。如在車輛工程中，許多廠家都選擇鋼作為車架的主要材料［58-60］，所以鋼材料的硬度能在一定程度上決定受到撞擊時(shí)，車體對(duì)于駕乘人員的保護(hù)能力［61，62］，同樣，在機(jī)床方面，鉆頭、刀頭等工具對(duì)于鋼的硬度同樣有較高的要求。所以，如何提高鋼材料的硬度也是科研人員探尋的方向。在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究中，經(jīng)過深冷處理的鋼鐵材料硬度都有所提升。同時(shí)，在生產(chǎn)硬質(zhì)合金的過程中，深冷處理工藝就是一種時(shí)效性強(qiáng)、效果好的具有發(fā)展前途的工藝手段。

M.Priyadarshin等［63］將AISI P20工具鋼分別做-50℃和-100℃的冷處理以及-150℃的深冷處理并對(duì)三種樣本的硬度和耐磨性做了相關(guān)測(cè)試。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過-150℃深冷處理金屬的顯微硬度值在320-330 HV的范圍內(nèi)，與未經(jīng)處理的金屬相比提高了約35.0%。同時(shí)，經(jīng)過深冷處理金屬的耐磨性相較于未經(jīng)處理的金屬與冷處理金屬也有進(jìn)一步的提升，特別是與未經(jīng)處理的金屬相比提高了28%。為了研究深冷處理對(duì)AISI D2鋼硬度的影響，Debdulal Das等［64］在控制變量的情況下對(duì)AISI D2鋼分別進(jìn)行常規(guī)熱處理與不同溫度的冷處理。結(jié)果顯示，樣品的宏觀硬度(HV60)在經(jīng)過常規(guī)熱處理、冷處理、淺冷處理以及深冷處理后分別為7.44 GPa、7.63 GPa、7.72 GPa、8.04 GPa。樣品的微觀硬度(HV0.05)在經(jīng)過常規(guī)熱處理、冷處理、淺冷處理以及深冷處理后分別為9.03 GPa、9.29 GPa、9.42 GPa、10.06 GPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，普通冷處理和淺冷處理相比常規(guī)熱處理，對(duì)于樣品的硬度值的提高較小，而深冷處理相比普通熱處理可以更有效提升樣品的硬度。

以上研究結(jié)果表明，經(jīng)過深冷處理的鋼鐵材料擁有更好的硬度。其主要原因是鋼中殘留的奧氏體在低溫下很不穩(wěn)定，深冷處理能夠促進(jìn)剩余的奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)化為馬氏體，提升材料的硬度及強(qiáng)度。同時(shí)，鋼在發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)化的過程中所析出的碳也在一定程度上細(xì)化了馬氏體的基體組織，使鋼的硬度得到進(jìn)一步的提高［65，66］。經(jīng)深冷處理后的高硬度鋼材在機(jī)械加工、車輛船舶、航空航天等領(lǐng)域有了更為廣闊的應(yīng)用空間，一方面在提升安全性的同時(shí)，也能降低生產(chǎn)成本［67，68］。

4 深冷處理對(duì)鋼鐵尺寸穩(wěn)定性的影響

鋼鐵是目前世界上使用量最大的金屬材料之一，在一些對(duì)尺寸要求較高的零部件制造上也能見到其身影。在常見的精密儀器、模具等方面對(duì)于產(chǎn)品的尺寸有著極為嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)工藝所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品由于殘余應(yīng)力大，在使用過程中在殘余應(yīng)力的影響下會(huì)發(fā)生形變，在長(zhǎng)時(shí)間的使用下，產(chǎn)品的形變可能會(huì)超過所能接受的最大工差，導(dǎo)致零件或設(shè)備的更換，使企業(yè)生產(chǎn)成本增高。深冷處理對(duì)于金屬材料有非常好的減少殘余應(yīng)力的作用，在一個(gè)工件殘余應(yīng)力少的情況下，其尺寸就更為穩(wěn)定［69-72］。

楊靜等［73］對(duì)W6 Mo5Cr4V2鋼長(zhǎng)桿件在淬火后進(jìn)行了-180℃保溫3小時(shí)的深冷處理。由于低溫環(huán)境達(dá)到了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，在經(jīng)過深冷處理后的W6 Mo5Cr4V2鋼中，大部分不穩(wěn)定的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，而少量穩(wěn)定性較好的奧氏體在多次回火及深冷處理中仍然保留了下來。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，深冷處理對(duì)鋼的穩(wěn)定性有著極大的提升，并且通過合理控制處理材料的方案，能夠極大地影響到材料的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中，淬火+深冷處理+高溫回火三次+時(shí)效工藝方案對(duì)W6 Mo5Cr4V2鋼尺寸穩(wěn)定性的改善效果最好。通過對(duì)GCr15鋼增加深冷處理，并對(duì)比分析了普通熱處理、回火前-180℃深冷處理及回火后-180℃深冷處理等材料的尺寸穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中，材料穩(wěn)定性的測(cè)量方法采用圓環(huán)開口法，將不同步驟處理過的圓環(huán)打兩個(gè)5 mm間距的壓痕，并在壓痕中間等距離處切割出3 mm的缺口，通過兩壓痕中間距離的變化量來評(píng)價(jià)材料的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過普通熱處理后的圓環(huán)尺寸穩(wěn)定性最差，而經(jīng)過深冷處理的兩組圓環(huán)尺寸穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通熱處理的圓環(huán)。其中，回火前深冷處理的一組尺寸穩(wěn)定性最佳。通過對(duì)其顯微組織的分析，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)深冷處理后，材料組織內(nèi)部的馬氏體由取向清晰變?yōu)榱讼嗷ゴ┎?，并有部分發(fā)生了碎化現(xiàn)象，使得內(nèi)部晶粒細(xì)化、晶界增多。因此，深冷處理后材料的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)［74］。

由以上研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過深冷處理后的鋼材料無論是在短時(shí)間內(nèi)還是長(zhǎng)時(shí)間段中，其尺寸的穩(wěn)定性都有了極大的提高。這是由于深冷處理能使鋼鐵組織內(nèi)部不穩(wěn)定的殘留奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，減少由于奧氏體與馬氏體比容差所造成的尺寸變化。其次，在深冷處理過程中發(fā)生馬氏體細(xì)化以及碳化物析出，析出的碳化物填充在晶格間隙之間，有效的增強(qiáng)了材料對(duì)于時(shí)效變形的抵抗力。最后，深冷處理能有效降低產(chǎn)品的殘余應(yīng)力，使其尺寸穩(wěn)定性提高。經(jīng)過深冷處理的鋼由于尺寸更為穩(wěn)定，在模具、車輛船舶、精密儀器［75］等領(lǐng)域有了更廣泛的運(yùn)用空間。

5 結(jié)語與展望

鋼鐵材料的在經(jīng)過深冷處理后，在各個(gè)方面都體現(xiàn)出了更為優(yōu)秀的性能。有奧氏體殘留少、應(yīng)力剩余量小、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過深冷處理的工具鋼制備出的機(jī)床刀頭擁有更高的硬度和耐磨損性，相較于傳統(tǒng)工藝鋼材制作的刀頭效率更高、壽命更長(zhǎng)。可見，深冷處理對(duì)于金屬性能，特別是奧氏體殘留方面有著極為突出的作用。但同時(shí)，深冷處理也有著材料的晶體缺陷增加、熱沖擊大導(dǎo)致工件開裂［76］等問題。目前深冷處理的主要研究方向在于改進(jìn)深冷處理的工藝流程，以發(fā)現(xiàn)更優(yōu)的冷卻速率、冷卻溫度和保溫時(shí)間的組合為目標(biāo)，進(jìn)一步提高處理后金屬材料的各項(xiàng)性能，并且解決目前存在的缺陷。同時(shí)也要拓寬深冷處理技術(shù)的應(yīng)用范圍。由于深冷處理可以在不改變現(xiàn)有材料成分基礎(chǔ)上改善材料的力學(xué)性能，因此科研人員不僅將深冷處理應(yīng)用在硬質(zhì)合金、有色金屬上，同時(shí)也將這項(xiàng)技術(shù)在無機(jī)非金屬及復(fù)合材料等方向上的應(yīng)用進(jìn)行研究。值得一提的是，由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與單相材料有較大差異，因此深冷處理的機(jī)理會(huì)變的比較復(fù)雜，不適合直接用單相材料上微觀組織的變化進(jìn)行類比討論。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料深冷處理機(jī)理的研究還較為缺乏。隨著對(duì)深冷處理工藝的深入研究，未來經(jīng)過深冷處理的金屬材料可能會(huì)擁有更多的優(yōu)異性能，同時(shí)也可以在改變更多種類材料的力學(xué)性能方面有所進(jìn)展，深冷處理這項(xiàng)技術(shù)也將擁有更為廣闊的發(fā)展前景及應(yīng)用空間。