1.    深冷處理概述

1.1  定義

       工業(yè)中一般把材料經(jīng)過普通的熱處理后進(jìn)一步冷卻到攝氏零度以下某一溫度（通常為0～-130℃）的處理方法稱為普通冷處理；而把低于-130℃以下（通常為-130℃～-196℃）的冷處理叫做深冷處理。深冷處理又常稱為超低溫處理，它是普通熱處理的延續(xù)，低溫技術(shù)的一個(gè)分支。

       深冷處理是將被處理工件置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而達(dá)到提高或改善材料性能的一種新技術(shù)。被處理材料在低溫環(huán)境下由于微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，在宏觀上表現(xiàn)為材料的耐磨性，尺寸穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度，殘余應(yīng)力等方面的提高，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了很多相關(guān)研究。隨著深冷技術(shù)的發(fā)展和試驗(yàn)手段的完善，人們對(duì)深冷處理的研究逐步深入，材料除涉及鋼鐵材料外，現(xiàn)已延伸到粉末冶金、銅合金、鋁合金及其它非金屬材料(如塑料、尼龍等)。應(yīng)用行業(yè)遍布于航空航天、精密儀器儀表、摩擦偶件、工模具、量具、紡織機(jī)械零件、汽車工業(yè)和**科學(xué)等諸多領(lǐng)域。新英格蘭深冷處理學(xué)院Robin Rhodes教授*新研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以使得賽車、摩托車、輪船、滑雪撬、小型賽車等上的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的使用壽命大大延長。深冷處理技術(shù)的出現(xiàn)為低溫學(xué)在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展開辟了又一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域。

1.2  深冷處理發(fā)展歷史

       早在100多年前，瑞士的鐘表制造者把鐘表的關(guān)鍵零件埋入寒冷的阿爾卑斯雪山中以提高鐘表的使用壽命；而一些經(jīng)驗(yàn)豐富的工具制造者在使用工具之前，把工具儲(chǔ)存在冷凍室內(nèi)幾個(gè)月，也可以達(dá)到類似的效果。現(xiàn)在看來，他們已經(jīng)在不自覺中運(yùn)用了冷處理。

       隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，在上世紀(jì)三十年代出現(xiàn)了深冷處理技術(shù)。1939年俄羅斯人**提出了深冷處理的概念，但由于當(dāng)時(shí)低溫深冷技術(shù)尚不完善，在較長時(shí)間內(nèi)只是在理論上進(jìn)行探討，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行摸索。

       美國路易斯安娜理工大學(xué)F.Barron教授在六十年代末對(duì)五種不同合金鋼進(jìn)行了研究。通過對(duì)比未冷處???、低溫-84℃處理的和-190℃深冷處理后的試樣發(fā)現(xiàn)，低溫處理后試樣的磨粒磨損發(fā)生了較為顯著的變化，而硬度變化不明顯。-84℃處理后的試樣耐磨性比未冷處理的要提高2.0-6.6倍，而-190℃處理的試樣耐磨性比-84℃處理的要增加2.6倍。實(shí)際生產(chǎn)過程也證實(shí)了F.Barron的研究結(jié)果的正確性，Dayton公司生產(chǎn)的用于大型的鍋輪發(fā)動(dòng)機(jī)的沖頭，采用-190℃處理后其使用壽命延長了一倍。

       隨著液氮技術(shù)及保溫材料的發(fā)展，1965年美國**將深冷處理實(shí)用化，主要應(yīng)用對(duì)象針對(duì)航空領(lǐng)域。此后，深冷技術(shù)才開始引起世界各國研究人員的關(guān)注。隨即英、俄羅斯、日本等各國學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了較為廣泛和深入的研究。許多研究表明，材料經(jīng)深冷處理后比普通冷處理的硬度及耐磨性有較大提高。

       我國對(duì)深冷處理的研究與開發(fā)起步較晚，在二十世紀(jì)80年代末，我國的科研學(xué)者們才開始對(duì)深冷處理的工藝、機(jī)理進(jìn)行研究，材料主要集中在工具鋼、模具鋼和高速鋼。研究結(jié)果表明，材料經(jīng)深冷處理后的性能比一般冷處理后的性能普遍得到了明顯改善。近幾年來，隨著深冷技術(shù)的發(fā)展，深冷處理從黑色金屬的研究逐步擴(kuò)大到有色金屬及復(fù)合材料方面，并取得了一定的研究進(jìn)展。

2.    馬氏體相變與深冷處理

       材料經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，在較低溫度下發(fā)生無擴(kuò)散型的馬氏體相變。馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化材料的重要手段之一，是一種非常重要的固態(tài)相變。人們對(duì)馬氏體相變的研究經(jīng)歷了近100年的時(shí)間，形成了一些理論。但有些理論還不十分完善，如形核理論，切變模型等尚存在一些爭議，缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。國內(nèi)的徐祖耀、鄧永瑞、王世道等研究學(xué)者對(duì)馬氏體相變的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、晶體學(xué)、形核-長大等各方面進(jìn)行了較為深入、系統(tǒng)的研究，提出了一些馬氏體相變的形核理論及物理模型，對(duì)馬氏體相變理論的進(jìn)展和馬氏體相變在鐵基合金、有色合金、陶瓷材料和其他無機(jī)非金屬材料方面的應(yīng)用做出了重要的貢獻(xiàn)。

       材料的馬氏體相變是一種無擴(kuò)散相變，通過切變完成晶格改組，而不涉及成份變化，只有在冷卻過程中具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料才可能有馬氏體轉(zhuǎn)變。由于馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性，相變需要很大的驅(qū)動(dòng)力和過冷度。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，鹽水或油中冷卻。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。若殘余奧氏體含量過大，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Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）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。

       因此，為了提高工件的性能及使用壽命，得到滿意的淬火質(zhì)量，盡量減少殘余奧氏體以獲得*大數(shù)量的馬氏體，目前工業(yè)上采用深冷處理的方法，即淬冷至室溫的材料繼續(xù)冷卻到更低的溫度，使殘余奧氏體在這一過程中繼續(xù)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。

金屬材料深冷處理工藝技術(shù)

3.    深冷處理設(shè)備

       深冷處理涉及到的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地獲得低溫。因?yàn)檠b置的性能直接影響到深冷處理工藝的進(jìn)行。如同熱處理一樣，如果不能保證熱處理工藝的合理進(jìn)行，就難以充分發(fā)揮金屬材料的潛力，難以達(dá)到提高零件質(zhì)量和延長使用壽命的目的。深冷處理工藝也是如此，要想在實(shí)際應(yīng)用中確保深冷處理技術(shù)對(duì)處理材料產(chǎn)生預(yù)想的效果，就必須保證深冷處理工藝的合理。合理的深冷處理工藝的順利執(zhí)行，這就要求所使用的深冷裝置滿足以下要求：

(1)  可靠性高，使用壽命長；

(2)  溫度場分布均勻且溫度升降速率控制**；

(3)  制冷劑耗量少，節(jié)約成本；

(4)  加工工件范圍廣。

       目前深冷處理的設(shè)備主要有兩種形式，一種采用壓縮空氣來致冷，*低使用溫度為-100℃，而*常用的深冷設(shè)備都采用液氮致冷，它既經(jīng)濟(jì)又方便。液氮制冷的方式，大致可以分為下面兩種方式：

1、    液氮浸泡式制冷：將工件直接放到裝有液氮的容器中，使工件驟冷至液氮溫度，并在此溫度下停留一段時(shí)間，*后復(fù)溫而完成整個(gè)深冷處理過程。深冷處理的研制前期都是采用液氮浸泡式方法進(jìn)行深冷處理的。由于這種深冷處理工藝簡單方便，應(yīng)用較為廣泛。但是，這種方法的降溫速度較快，導(dǎo)致熱應(yīng)力過大，容易對(duì)工件材料造成組織損害，而且工件材料在降溫過程中降溫速度是不可控制的，進(jìn)而影響工藝的可調(diào)性。

2、    利用液氮的汽化潛熱或者低溫氮?dú)庵评洌豪玫蜏氐獨(dú)鈱?shí)現(xiàn)制冷的原理是低溫氮?dú)馀c材料直接接觸，通過對(duì)流換熱來使材料溫度降低，而利用液氮的汽化潛熱的原理就是液氮與材料不直接接觸而通過間接方式使材料溫度降低。利用這種方式來制冷按其傳熱方式又分為三種：(a) 基于輻射換熱的系統(tǒng)；(b) 基于對(duì)流換熱的系統(tǒng)；(c) 基于輻射換熱與對(duì)流換熱相結(jié)合的系統(tǒng)。

       無錫中亞環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司研制的深冷處理設(shè)備，采用*新的加熱技術(shù)、控溫技術(shù)和液氮分散技術(shù)，使產(chǎn)品的程控升溫、恒溫、降溫各過程均勻穩(wěn)定。深冷箱*低工作溫度為-196 ℃，*高工作溫度200℃，溫度偏差為±2 ℃以內(nèi)，升、降溫速率為1～50℃/ min，不僅可調(diào)節(jié)還可以自動(dòng)控制。該深冷處理裝置具有如下特點(diǎn)：

1)     整個(gè)箱體由雙層不銹鋼板制成；箱體內(nèi)外不銹鋼板為SUS304不銹鋼；

2)     能有效阻斷箱體內(nèi)外冷熱交換，保溫性能好；

3)     箱體與箱蓋間加裝密封條及特制的門扣，能確保完全密封和可靠的鎖緊；

4)     箱體底部裝有腳輪，方便設(shè)備的移動(dòng)；

5)     配備電氣互鎖及報(bào)警裝置，確保使用**；

6)     控制方式靈活可選：人工智能控制或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制；計(jì)算機(jī)控制同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)中央集中控制和遠(yuǎn)程控制，完成深冷箱溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示、記錄并對(duì)人工智能控制儀進(jìn)行運(yùn)算、控制輸出、曲線繪制、數(shù)據(jù)庫保存、查詢等功能，具有控制和檢測雙重作用；

7)     人性化的微機(jī)操作界面，方便用戶使用；

8)     液氮罐與深冷設(shè)備連接采用不銹鋼真空絕熱軟管，將液氮損耗降為降為*低。

金屬材料深冷處理工藝技術(shù)
粉末冶金

4.  結(jié)束語 

       深冷處理作為材料熱處理的一種延續(xù)，材料*終性能的好壞，不單取決于熱處理的工藝，還有深冷處理以及熱處理與深冷處理之間相互搭配的工藝。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能的要求也越來越高。而當(dāng)代材料的一大研究趨勢主要表現(xiàn)為，在基本不改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)材料的成分基礎(chǔ)上大幅度提高其性能，從而有效的提高資源的利用率和回收率，充分發(fā)揮材料的潛力。在材料性能得到改善的同時(shí)降低了成本，減小了對(duì)環(huán)境的損害。因此，有關(guān)材料的深冷處理的研究必將成為國內(nèi)外材料科學(xué)工作者的一個(gè)重要研究方向。而深冷處理涉及到的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地獲得低溫。因此，未來對(duì)深冷處理裝置及其工業(yè)應(yīng)用的研究具有重要意義。


金屬材料深冷處理工藝技術(shù)、金屬材料深冷處理工藝技術(shù)

關(guān)鍵詞：金屬深冷處理、金屬材料深冷處理、高速鋼深冷處理箱