冷处理

冷处理—深冷处理冷处理所谓冷处理就是将淬火钢深冷至室温以下的处理方法。

钢件淬火后，再迅速将其冷却到室温以下的某一温度，使淬火后的残余奥氏体转变为马氏体，以增加钢件硬度和尺寸稳定性的热处理工艺。

冷处理实际上是淬火过程的继续。

也有称做低温处理（或深冷处理）的。

至于“冰冷处理”和“零下处理”这两个名词，不够确切，建议不再继续使用。

就冷处理的温度而言，即使在-190℃进行处理仍有一定（一般为百分之几）残存的奥氏体被保留下来。

因此，一般用-100～-80℃就足够了。

冷处理时间一般有30～90min就足够了。

冷处理可有效防止置裂。

当钢件急冷到常温并在常温下放置时，其残存的奥氏体将缓慢向马氏体转化，由于这种转变会导致内应力增加，最后就会开裂。

冷处理的主要工艺参数是：淬火工件在室温停留的时间、冷处理温度、深冷停留时间需冷处理的工件淬火后，允许在室温停留的时间取决于钢的Mc点温度。

Mc点在室温以上者，奥氏体陈化稳定敏感性强，工件淬火后如在室温停留，将引起残奥稳定化，降低冷处理效果。

Mc点在室温以下者，室温停留时，残奥陈化稳定的敏感性小，对冷处理效果影响不大。

有人按室温下陈化稳定程度将钢分为三类：第一类是陈化稳定不敏感的材料，可以在室温下停留一昼夜。

如18CrNiW、12Cr2Ni4W A、W9Cr4V等；第二类是具有中等敏感程度的材料，在室温下不得超过2~3h，如W18Cr4V、CrMn、T12、GCr15、CrWMn等；第三类是高敏感性材料，应在淬火冷至室温时立即进行冷处理，如T8、T9、9CrSi等。

试验指出，冷处理效果主要取决于冷处理温度和在室温停留时间。

冷处理温度越低，室温停留时间越短，效果越好。

工件淬火后，在室温停留不得超过半小时。

冷处理温度取决于钢的Mf点，一般工模具Mf点在-60℃左右，故冷处理温度可选在-60℃~-80℃。

一些高合金钢和高合金渗碳钢的Mf很低，约为-120℃~-180℃，因而冷处理温度应选定在-120℃~-180℃。

冷处理是在制冷设备中进行的，其中装有制冷剂。

钢的Mf点越低，冷处理效果越显著。

在冷处理温度的保持时间，以保证整个工件冷透为原则，主要决定于工件的几何尺寸。

因马氏体是变温形成，工件一旦达到冷处理温度，转变即告结束，无需“保温”。

成批装料或工件尺寸较大时，需要一定的透冷时间，一般为0.5~1h。

需要强调的是：对于形状复杂、尺寸较大、容易变形开裂的工件，不要在温度较高时直接进入已达冷处理温度的设备中，应先淬火冷至室温，装入冷处理设备后，与设备一起逐渐至冷处理温度，以减小应力，避免变形开裂。

另外，冷处理之后，必须进行回火或时效（保温4~10h），获得稳定的回火马氏体组织，并使少量的残奥进一步转化和稳定化，以消除淬火应力。

淬火零件如有残留沃斯田铁（注: 沃斯田铁即奥氏体），硬度会降低并发生搁置变形，因此需要施行深冷处理使残留沃斯田铁（下文简称为残奥）麻田化（注：麻田化即使之发生马氏体转变）。

但施行深冷处理有时会发生深冷裂痕（Subzero Crack）。

淬火后立刻深冷处理或有脱碳层时就会发生。

深冷处理以淬火后即刻施行为原则。

淬火后常温搁置愈久，沃斯田铁安定化（注：沃斯田铁安定化即奥氏体稳定化）则残奥之麻田化愈困难。

但淬火后立即深冷处理，由于淬火引起之应力与残奥麻田化引起之应力相重叠而发生与淬火裂痕相同之深冷处理裂痕。

欲防止深冷处理裂痕，最好在深冷处理前作100~130℃之轻回火（注：轻回火应为低温短时回火）。

亦即使残奥稍微安定化并减轻淬火应力后再施行深冷处理。

如此可以近乎完全防止深冷处理裂痕发生。

但仍然有5%左右之安定化残奥存留。

然而因安定之故，具有吸收冲击之功用。

所以在深冷处理前作100℃热水回火为其关键所在。

对于复杂形状之机件，施行深冷处理时更不得遗漏此种100℃热水回火步骤。

由深冷温度（-80℃或-180℃）回复至室温时，一般为放置于空气中，均以为自深冷温度缓慢回复到室温才好。

其实，最好的方法是自深冷温度投入水中。

自深冷温度投入水中并非急冷。

看似急冷实为急热。

-80℃之深冷温度投入室温（20℃）之水中等于100℃之急热。

水中投入等于水中加热之理由在此。

因此非但不会开裂，反而有消除深冷处理应力之益处，深冷处理急冷之应力刚好为深冷处理急热之应力所抵消。

自深冷温度投入水中之方法谓之深冷急热法（up-hillqueneh）。

淬火至自高温向低温急冷，而深冷急热法正好与其相反为自低温向高温急热。

深冷温度愈低，则深冷急热法愈有效。

以投入热水取代投入水中更为有效。

利用液态氮（-196℃）之深冷处理，亦即超深冷处理之配合将成为新的低温热处理方法。

淬火应力因深冷处理而扩大，因此必须在深冷处理前减轻淬火应力。

即淬火后并非直接作深冷处理，最好先投入100℃之热水作1小时之回火，回火温度如提升至200℃则效果更好，约可消处50%之淬火应力，事先回火可使残奥安定化。

当有脱碳层时会引起深冷处理裂痕，最好先将其除去，当然最好是于淬火时不使其发生脱碳。

此外，如测试淬火硬度留下压痕时会引起残留应力而发生裂痕。

因此于深冷处理前应尽量避免硬度试验，否则，于试验后应先经100℃之热水回火后再做深冷处理。

此外，如测试淬火硬度留下压痕时会引起残留应力而发生裂痕。

因此于深冷处理前应尽量避免硬度试验，否则，于试验后应先经100℃之热水回火后再做深冷处理。

一、深冷处理的名称l 国内现在有冷处理、冰冷处理（-78℃以内）、深冷处理（-130℃——-180℃）、超深冷处理（-180℃——-196℃）等叫法。

l 国外通常是用sub-zero、Cryogenic Treatment、Deep Cryogenic Treatment等叫法。

l 建议：随着科技的发展，我们将来一定会用到更低的温度来做冷处理，例如液氦深冷，那我们如何称呼呢？所以我建议通通叫深冷处理，但前面加个工艺温度，就像我们说880℃淬火、1050℃淬火一样。

二、深冷处理的作用及原理深冷处理针对黑色金属的改善主要在以下几方面：l 提升工件的硬度及强度l 保证工件的尺寸精度l 提高工件的耐磨性l 提高工件的冲击韧性l 改善工件内应力分布，提高疲劳强度l 提高工件的耐腐蚀性能起作用机理如下：1、提升工件的硬度及强度l 深冷处理某种意义上是淬火的延续，通过降低温度让Mf点在常温以下的材料继续完成A 向M的转变，像某些高碳高合金钢及低合金渗碳钢Mf点都比较低，在常规淬火后，残余奥氏体可达25%，甚至更高，通过继续转变，通常可以提高HRC1-3度，多时甚至可达HRC5-6度。

l 在马氏体基体析出纳米级别的超细碳化物，微量提升了工件的硬度，上海交大的钱士强用16Mn实验，基本撇开了残奥转变的影响，经多次深冷的工件相比未深冷的硬度提高了HRC 约1.5度，说明弥散分布的超细碳化物对组织起到了弥散强化的作用。

l 根据材料手册，材料硬度在HRC50以上时，我们可以看到硬度每提升HRC0.5度，铬钢、铬钒钢及铬钼钢的抗拉强度通常提高幅度在30MPA左右。

l 提升大件的整体硬度，增加淬硬层深。

（见下图）2、保证工件的尺寸精度l 残余奥氏体是一种不稳定组织，会随着时间的推移以及外力的作用而促使其部分转变为马氏体，影响工件的尺寸精度。

奥氏体的比体积：0.1212+0.0033（%C） w(C)%=0-2马氏体的比体积：0.1271+0.0025（%C） w(C)%=0-2在正常情况下，按照以上公式估算，奥氏体全部转变为马氏体体积增加约4%左右，假设热处理后有10%的残奥存在时，全部转变为马氏体则体积有0.4%的膨胀. 深冷处理可以把残奥控制在5%甚至3%以下，并且残留的那部分奥氏体在后续加工及使用中很难再发生转变，所以，工件的精度得以大大提高。

l 材料内部的点缺陷、空位等也会造成工件使用过程中的尺寸变化。

通过极低温度的深冷处理，驱动原有的点缺陷产生塑性流变，减少空位缺陷。

采用正电子淹没技术测出了深冷后的空位表浓度变化，深冷前的正电子寿命为298s，深冷后为163.4s，可见，深冷处理减少近半数的空位浓度，因此提高了工件的强度和尺寸稳定性，甚至可以避免形成空位群而造成微裂纹。

（同时这也是改变某些有色金属电阻率的原因。

）3、提高工件的耐磨性l 硬度提升了，高硬度的马氏体比奥氏体显而易见的更耐磨。

像W18CR4V\CR12等材料，当硬度从HV600提升到HV800时，其相对耐磨性分别提升大约15%至20%。

l 大量析出并弥散分布在马氏体位错线和孪晶带上的超细碳化物，对马氏体基体起到钉扎和支撑的作用，即使深冷有时并未明显提升工件硬度，但我们可以明显看到其耐磨性的提升。

（见下图）file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20589.pngl 对高碳高合金工件来说，耐磨性提升50%还是比较多见的。

4、提高工件的冲击韧性l 低温收缩导致材料晶格常数缩小，在马氏体基体上析出纳米级别的超细碳化物，同时马氏体的轴比降低，陈长风、李士燕的实验验证了T12在经过深冷处理（-196℃保温10小时）后，其马氏体轴比数值稳定在1.027，而未深冷的轴比在1.038，在李雄、李士燕的另外一个高速钢W6CR5MO4V2的深冷实验中，其马氏体轴比从未深冷的1.022降到深冷（-196℃保温12小时）后的1.014l 同上实验，马氏体的碳含量从0.49%降到0.32%，未深冷的马氏体孪晶宽度为20-70nm, 经过深冷后马氏体孪晶宽度未10-20nm，晶粒明显细化。

而且孪晶带上析出的碳化物颗粒尺寸为6-10nm。

晶粒度越细，细晶带来的强化量越大。

l 深冷减少空位浓度，点缺陷的减少也是工件冲击韧性提高的原因之一。

l 大连理工段春增等人对W18CR4V深冷效果做了一些对比，其结果如下：file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16608.png5、改善工件的内应力分布，提高疲劳强度l 深冷处理通过细化组织、弥散分布碳化物、减少点缺陷等变化，对工件内部的应力进行了再分布，并改变了某些应力的状态。

l 当工件从深冷的温度回升并经正常温度回火时，相当于多了接近两百度的温差用来消除应力。

某种意义上，长时慢速深冷的全过程作用类似于人工时效。

l 要想起得很好的深冷处理消除应力的效果，深冷工艺中的降温速度及升温速度控制非常重要。

6、提高工件的耐腐蚀性能l 深冷处理细化了晶粒，晶界的细化可以减少晶间腐蚀的机会。

l 转移了多余的自由能，并减小了奥氏体和马氏体的两相电位差，减少了电化学腐蚀的机会。

l 减少了组织内部的应力，使组织更均匀，减少了应力腐蚀的机会。