金属材料深冷处理工艺技术

1. 深冷处理概述

1.1 定义

工业中一般把材料经过普通的热处理后进一步冷却到摄氏零度以下某一温度（通常为0～-130℃）的处理方法称为普通冷处理；而把低于-130℃以下（通常为-130℃～-196℃）的冷处理叫做深冷处理。深冷处理又常称为超低温处理，它是普通热处理的延续，低温技术的一个分支。

深冷处理是将被处理工件置于特定的、可控的低温环境中，使材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种新技术。被处理材料在低温环境下由于微观组织结构发生了改变，在宏观上表现为材料的耐磨性，尺寸稳定性，抗拉强度，残余应力等方面的提高，国内外学者对此开展了很多相关研究。随着深冷技术的发展和试验手段的完善，人们对深冷处理的研究逐步深入，材料除涉及钢铁材料外，现已延伸到粉末冶金、铜合金、铝合金及其它非金属材料(如塑料、尼龙等)。应用行业遍布于航空航天、精密仪器仪表、摩擦偶件、工模具、量具、纺织机械零件、汽车工业和军事科学等诸多领域。新英格兰深冷处理学院Robin Rhodes教授最新研究发现，深冷处理可以使得赛车、摩托车、轮船、滑雪撬、小型赛车等上的发动机零部件的使用寿命大大延长。深冷处理技术的出现为低温学在工业中的实际应用和发展开辟了又一个广阔的研究领域。

1.2 深冷处理发展历史

早在100多年前，瑞士的钟表制造者把钟表的关键零件埋入寒冷的阿尔卑斯雪山中以提高钟表的使用寿命；而一些经验丰富的工具制造者在使用工具之前，把工具储存在冷冻室内几个月，也可以达到类似的效果。现在看来，他们已经在不自觉中运用了冷处理。

随着制冷技术的发展，在上世纪三十年代出现了深冷处理技术。1939年俄罗斯人首次提出了深冷处理的概念，但由于当时低温深冷技术尚不完善，在较长时间内只是在理论上进行探讨，在实验室进行摸索。

美国路易斯安娜理工大学F.Barron教授在六十年代末对五种不同合金钢进行了研究。通过对比未冷处理、低温-84℃处理的和-190℃深冷处理后的试样发现，低温处理后试样的磨粒磨损发生了较为显著的变化，而硬度变化不明显。-84℃处理后的试样耐磨性比未冷处

理的要提高2.0-6.6倍，而-190℃处理的试样耐磨性比-84℃处理的要增加2.6倍。实际生产过程也证实了F.Barron的研究结果的正确性，Dayton公司生产的用于大型的锅轮发动机的冲头，采用-190℃处理后其使用寿命延长了一倍。

随着液氮技术及保温材料的发展，1965年美国首次将深冷处理实用化，主要应用对象针对航空领域。此后，深冷技术才开始引起世界各国研究人员的关注。随即英、俄罗斯、日本等各国学者都对其进行了较为广泛和深入的研究。许多研究表明，材料经深冷处理后比普通冷处理的硬度及耐磨性有较大提高。

我国对深冷处理的研究与开发起步较晚，在二十世纪80年代末，我国的科研学者们才开始对深冷处理的工艺、机理进行研究，材料主要集中在工具钢、模具钢和高速钢。研究结果表明，材料经深冷处理后的性能比一般冷处理后的性能普遍得到了明显改善。近几年来，随着深冷技术的发展，深冷处理从黑色金属的研究逐步扩大到有色金属及复合材料方面，并取得了一定的研究进展。

2. 马氏体相变与深冷处理

材料经奥氏体化后快速冷却，在较低温度下发生无扩散型的马氏体相变。马氏体转变是强化材料的重要手段之一，是一种非常重要的固态相变。人们对马氏体相变的研究经历了近100年的时间，形成了一些理论。但有些理论还不十分完善，如形核理论，切变模型等尚存在一些争议，缺乏统一的认识。国内的徐祖耀、邓永瑞、王世道等研究学者对马氏体相变的热力学、动力学、晶体学、形核-长大等各方面进行了较为深入、系统的研究，提出了一些马氏体相变的形核理论及物理模型，对马氏体相变理论的进展和马氏体相变在铁基合金、有色合金、陶瓷材料和其他无机非金属材料方面的应用做出了重要的贡献。

材料的马氏体相变是一种无扩散相变，通过切变完成晶格改组，而不涉及成份变化，只有在冷却过程中具有同素异构转变的材料才可能有马氏体转变。由于马氏体转变的无扩散性，相变需要很大的驱动力和过冷度。由淬火冷却形成的马氏体相变，又称为热诱发马氏体相变，经淬火处理后再配以回火处理，来调整硬度、韧性等以满足各种工件的不同性能的要求。目前工业生产中，金属材料的淬火工艺主要是将工件加热到材料的Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定时间后，快速在水，盐水或油中冷却。这些淬火介质的淬冷能力虽然都很强，但是由于先转变的奥氏体对未转变的奥氏体的转变具有抑制作用，只有进一步增加相变驱动力，即增加过冷度才能使相变继续进行，所以对于大多数的铁碳合金，淬火后总是存在一部分残余奥氏体。若残余奥氏体含量过大，将会直接影响回火处理的质量，达不到工件

所要求的性能。此外，对于某些不锈钢，高合金钢，氧化锆陶瓷等由于其Ms（马氏体转变开始温度）远远低于室温，所以常规的淬火介质不能使材料淬火后得到全部马氏体。 因此，为了提高工件的性能及使用寿命，得到满意的淬火质量，尽量减少残余奥氏体以获得最大数量的马氏体，目前工业上采用深冷处理的方法，即淬冷至室温的材料继续冷却到更低的温度，使残余奥氏体在这一过程中继续转变为马氏体。这样可进一步提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢件的尺寸。

3. 深冷处理设备

深冷处理涉及到的关键技术之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地获得低温。因为装置的性能直接影响到深冷处理工艺的进行。如同热处理一样，如果不能保证热处理工艺的合理进行，就难以充分发挥金属材料的潜力，难以达到提高零件质量和延长使用寿命的目的。深冷处理工艺也是如此，要想在实际应用中确保深冷处理技术对处理材料产生预想的效果，就必须保证深冷处理工艺的合理。合理的深冷处理工艺的顺利执行，这就要求所使用的深冷装置满足以下要求：

(1) 可靠性高，使用寿命长；

(2) 温度场分布均匀且温度升降速率控制精确；

(3) 制冷剂耗量少，节约成本；

(4) 加工工件范围广。

目前深冷处理的设备主要有两种形式，一种采用压缩空气来致冷，最低使用温度为-100℃，而最常用的深冷设备都采用液氮致冷，它既经济又方便。液氮制冷的方式，大致可以分为下面两种方式：

1、 液氮浸泡式制冷：将工件直接放到装有液氮的容器中，使工件骤冷至液氮温度，并在此温度下停留一段时间，最后复温而完成整个深冷处理过程。深冷处理的研制前期都是采用液氮浸泡式方法进行深冷处理的。由于这种深冷处理工艺简单方便，应用较为广泛。但是，这种方法的降温速度较快，导致热应力过大，容易对工件材料造成组织损害，而且工件材料在降温过程中降温速度是不可控制的，进而影响工艺的可调性。

2、 利用液氮的汽化潜热或者低温氮气制冷：利用低温氮气实现制冷的原理是低温氮气与材料直接接触，通过对流换热来使材料温度降低，而利用液氮的汽化潜热的原理就是液氮与材料不直接接触而通过间接方式使材料温度降低。利用这种方式来制冷按其传热方式又分为三种：(a) 基于辐射换热的系统；(b) 基于对流换热的系统；(c) 基于辐射换热与对流换热相结合的系统。

中国科学院理化技术研究所自行研制的深冷处理设备，采用最新的加热技术、控温技术和液氮分散技术，使产品的程控升温、恒温、降温各过程均匀稳定。深冷箱最低工作温度为-196 ℃，最高工作温度200℃，温度偏差为±2 ℃以内，升、降温速率为1～10 ℃/ min，不仅可调节还可以自动控制。该深冷处理装置具有如下特点：

1) 整个箱体由双层不锈钢板制成；箱体内外不锈钢板为SUS304不锈钢；

2) 能有效阻断箱体内外冷热交换，保温性能好；

3) 箱体与箱盖间加装密封条及特制的门扣，能确保完全密封和可靠的锁紧；

4) 箱体底部装有脚轮，方便设备的移动；

5) 配备电气互锁及报警装置，确保使用安全；

6) 控制方式灵活可选：人工智能控制或计算机远程控制；计算机控制同时可以实现中央集中控制和远程控制，完成深冷箱温度的实时数据采集、显示、记录并对人工智能控制仪进行运算、控制输出、曲线绘制、数据库保存、查询等功能，具有控制和检测双重作用；

7) 人性化的微机操作界面，方便用户使用；

8) 液氮罐与深冷设备连接采用不锈钢真空绝热软管，将液氮损耗降为降为最低。

不同类型深冷设备介绍:

图1 卧式程控深冷箱外观

2 井式程控深冷箱外观 图

图3 程控深冷箱SLX-1000W 图4 程控深冷箱SLX-640

箱内有效尺寸：1300×1014×1014（mm3） 箱内有效尺寸：1000×800×800（mm3） 外形尺寸：2220×2000×3800（mm3） 外形尺寸：2230×1200×3250（mm3） 该两种型号深冷箱装有气缸，其与链条的配合实现箱门的自动上下开启。

图5 程控深冷箱SLX-32R

该型号程控深冷箱采用计算机与触摸屏控制系统，方便用户使用。

图6 SLX-140W 图7 SLX-1500大型冷轧辊深冷处理系统 该型号程控深冷箱为立式双开门，箱 该型号程控深冷箱为大型冷轧辊用深冷设备。 内用隔板将上下箱分开，可上下箱同 该套深冷系统的2个箱槽可以同时工作， 时使用，也可单箱使用，方便用户选 也可以单独工作。方便客户使用。 择。

图8 实验室用小型深冷处理装置

4. 结束语

深冷处理作为材料热处理的一种延续，材料最终性能的好坏，不单取决于热处理的工艺，还有深冷处理以及热处理与深冷处理之间相互搭配的工艺。随着现代工业的发展，对材料的性能的要求也越来越高。而当代材料的一大研究趋势主要表现为，在基本不改变现有的传统材料的成分基础上大幅度提高其性能，从而有效的提高资源的利用率和回收率，充分发挥材料的潜力。在材料性能得到改善的同时降低了成本，减小了对环境的损害。因此，有关材料的深冷处理的研究必将成为国内外材料科学工作者的一个重要研究方向。而深冷处理涉及到的关键技术之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地获得低温。因此，未来对深冷处理装置及其工业应用的研究具有重要意义。