钢铁材料深冷处理的研究进展

陈九龙，鲁苏皖，龚易恺，刘昭全

(1.四川大学匹兹堡学院，四川 成都610207；2.核工业西南物理研究院，四川成都610225)

深冷处理技术是一种以提高金属材料性能和使用寿命为目标而兴起的金属冷处理工艺。所谓深冷处理工艺，是在冷处理工艺(0℃～-100℃)［1］的基础上发展而来，利用液氮(-196℃)作为冷却介质，将淬火后的金属材料的冷却过程延续下去，达到远低于室温的某一温度，促使常规热处理后所存在的残余奥氏体得到进一步转化，从而改善金属材料的性能［2］。传统冷处理工艺处理的金属材料存在奥氏体残留量大、开裂［3］等缺点，深冷处理后的工具钢、高速钢等材料所制造的各种刀具、刃具、工模具工件的耐磨性、韧性和使用寿命［4-8］等得到了极大的提高，在工业领域得到了的广泛应用，并得到了科研人员的青睐。其应用范围也从钢铁材料延伸到了镁合金［9，10］、铝合金［11-13］、钛合金［14-17］等材料。经过深冷处理的金属材料在钟表、机械制造、汽车、航空航天、船舶运输［18-21］等工业领域都有着极为广泛的应用。

1 深冷处理技术的发展

钢铁材料目前作为世界上应用最为广泛的金属材料，已经有很长的研究、发展历史。对钢的传统热处理通常是先进行淬火，形成强度较高的马氏体，再通过回火消除应力，并减小其中的奥氏体残留［22］。然而，残余的奥氏体无法被完全清除，对材料的硬度、强度及耐磨性等会产生影响。同时，亚稳态的残余奥氏体在工作中可能会发生马氏体转变，影响材料的精度及稳定性。制造机械性能好和制造精度要求比较高的零件，大多数选用含碳量较高的优质碳素结构钢、碳素工具钢以及各种类型的合金钢［23-25］，并且仍存在大量的残余奥氏体，因而限制了材料硬度及强度的提高。金属材料从高温到室温的降温过程中，奥氏体到马氏体的结构转变初期速度较快，剩余的转变伴有体积膨胀的过程，且这种过程持续时间很长，常常需要数年的时间才能稳定，这给金属精密件带来时间稳定性方面的问题［26-28］，使一些紧密配合的金属件经过一段时间后工作失效。深冷处理工艺正是在解决这个问题时被发现和发展起来的［29］，深冷处理技术是建立在传统热处理之上，控制退火的温度至-130℃以下对材料进行处理［30，31］。深冷处理有助于提高材料的过冷度，减少奥氏体残留，并促进残余奥氏体向马氏体转变。经过深冷处理的钢铁材料相较于一般热处理的钢铁材料，在耐磨性及硬度方面有了很大改观［32］。深冷处理作为一种有效的工艺手段，它逐渐显示出强大的生命力，正在迅速的为世界各国所采用。使用深冷处理工艺的零件有大型轧钢机滚轴、精密仪器的齿轮、刃具、量具、油泵油嘴、飞轮发动机的涡轮轴、精密轴承及低温阀门等［33-35］，影响遍及整个机械加工行业。目前，深冷处理过程主要在淬火后或回火后进行［36］，对于不同种钢材适用的处理方法不同，具体仍需深入研究。

2 深冷处理对钢铁耐磨性的影响

钢作为一种在工业上应用十分广泛的金属材料，因其加工性能好、价格低廉等优点，在工业上常常被用于制作截齿、刃具、刀头、基板、模具［37，38］等工件。所以耐磨性对于钢材料来说是一项非常重要的性能，使用耐磨性不好的钢材料制作的产品往往会由于磨损过快、磨损后无法满足加工精度需求等原因，使得生产成本增高，所以如何提高钢材料的耐磨性是目前科研人员关注的一个重点问题［39］。目前大量的研究表明，对于高速钢、工具钢、轴承钢等钢材料进行深冷处理后，钢材料的耐磨性能得到了极大的提高。

Tang等［40］设计出了一种新型的磁场耦合深冷处理(MDCT)，使用AISI 4140钢作为实验材料，在两个钕铁硼永磁体产生的磁场之中，在113 k(-160℃)的条件下对样品进行深冷处理，其工艺设置示意图见图1。后续研究表明经MDCT处理的AISI 4140钢拥有更好的摩擦性能。在摩擦性能测试中，经MDCT处理的样品摩擦系数为0.52，相较于传统工艺处理的AISI 4140钢下降约17.0%，MDCT处理的AISI 4140钢耐磨损性相较于普通AISI 4140钢提升了29%。但同时，MDCT处理也导致AISI 4140钢材的硬度下降约4.7%。为研究深冷处理对于GCr15轴承钢耐磨性的影响，葛艳辉［41］采用四种处理工艺对GCr15轴承钢进行处理，首先在810℃下进行4 h的球化回火，再在810℃下进行20 min的油淬，然后对其中三组在160℃下进行2 h的低温回火，最后对两组处理后的GCr15轴承钢在-196℃分别进行10 h和20 h的深冷处理以及160℃，2 h的低温回火处理。图2为四种不同工艺处理后的GCr15轴承钢的金相组织图，其中(a)为球化回火+油淬处理的金相组织图，(b)为球化回火+油淬+低温回火处理的金相组织图，(c)为球化回火+油淬+低温回火+10 h深冷处理的金相组织图，(d)为球化回火+油淬+低温回火+20 h深冷处理的金相组织图。在图(b)中可见，未经过深冷处理的GCr15轴承钢中含有较多的残留奥氏体，将(c)、(d)与(b)作比较可明显看出残留奥氏体减少，同时细小的碳化物颗粒也相应增加，且经过20 h深冷处理的GCr15轴承钢所析出的碳化物多于经过10 h处理的GCr15轴承钢。可见，在深冷处理中，残余奥氏体继续分解为马氏体，所以残余奥氏体减少，马氏体增加，且部分马氏体发生了细化。同时随着深冷处理时间的延长，细小碳化物析出增多，并且马氏体为碳化物提供了支撑，使其在磨损时发生脱落，使得GCr15轴承钢的耐磨性得到了提升。

图1 MDCT工艺设置示意图Figure 1 Schematic diagramof process setting

以上研究结果表明，经过深冷处理的工具钢、轴承钢等钢铁材料拥有更好的耐磨性，使其在机械加工方面有了更为优秀的性能。目前认为其原因是相较于常规工艺所生产出来的钢材料，深冷处理中的超低温条件可以促进奥氏体转变为马氏体［42-44］，在处理过程中过饱和的马氏体可以析出大量的碳以及产生更多的渗碳体［45，46］。板条马氏体碎化、基体组织细化、碳化物颗粒细化［47-51］等现象也都可以提高钢铁材料的耐磨性。同时有观点认为耐磨性提升的最主要原因是细小弥散碳化物的析出。李彩云等［52］对W6Mo5Cr4V2高速钢刃具的深冷处理机理进行了研究，发现提升其耐磨性的主要原因是大块碳化物碎化并析出细小的弥散碳化物颗粒，而本身奥氏体含量较小的工具钢随着奥氏体的继续转化，其对材料耐磨性增强的贡献并不大。在机械加工行业中使用的刀具、刃具等耗材领域，由于深冷处理后的钢材料耐磨性增强，使得深冷钢所加工的刀具、刃具、截齿等耗材在加工过程的损耗更小，能有效节约生产成本［53］。

图2 不同流程处理后的金相组织图(600X)Figure 2 The microstructure of different processing(600X)

3 深冷处理对钢铁硬度的影响

钢材料被广泛应用于航空航天、汽车船舶、机械工程［54-57］等领域。如在车辆工程中，许多厂家都选择钢作为车架的主要材料［58-60］，所以钢材料的硬度能在一定程度上决定受到撞击时，车体对于驾乘人员的保护能力［61，62］，同样，在机床方面，钻头、刀头等工具对于钢的硬度同样有较高的要求。所以，如何提高钢材料的硬度也是科研人员探寻的方向。在国内外的相关研究中，经过深冷处理的钢铁材料硬度都有所提升。同时，在生产硬质合金的过程中，深冷处理工艺就是一种时效性强、效果好的具有发展前途的工艺手段。

M.Priyadarshin等［63］将AISI P20工具钢分别做-50℃和-100℃的冷处理以及-150℃的深冷处理并对三种样本的硬度和耐磨性做了相关测试。发现经过-150℃深冷处理金属的显微硬度值在320-330 HV的范围内，与未经处理的金属相比提高了约35.0%。同时，经过深冷处理金属的耐磨性相较于未经处理的金属与冷处理金属也有进一步的提升，特别是与未经处理的金属相比提高了28%。为了研究深冷处理对AISI D2钢硬度的影响，Debdulal Das等［64］在控制变量的情况下对AISI D2钢分别进行常规热处理与不同温度的冷处理。结果显示，样品的宏观硬度(HV60)在经过常规热处理、冷处理、浅冷处理以及深冷处理后分别为7.44 GPa、7.63 GPa、7.72 GPa、8.04 GPa。样品的微观硬度(HV0.05)在经过常规热处理、冷处理、浅冷处理以及深冷处理后分别为9.03 GPa、9.29 GPa、9.42 GPa、10.06 GPa。实验结果表明，普通冷处理和浅冷处理相比常规热处理，对于样品的硬度值的提高较小，而深冷处理相比普通热处理可以更有效提升样品的硬度。

以上研究结果表明，经过深冷处理的钢铁材料拥有更好的硬度。其主要原因是钢中残留的奥氏体在低温下很不稳定，深冷处理能够促进剩余的奥氏体继续转化为马氏体，提升材料的硬度及强度。同时，钢在发生马氏体转化的过程中所析出的碳也在一定程度上细化了马氏体的基体组织，使钢的硬度得到进一步的提高［65，66］。经深冷处理后的高硬度钢材在机械加工、车辆船舶、航空航天等领域有了更为广阔的应用空间，一方面在提升安全性的同时，也能降低生产成本［67，68］。

4 深冷处理对钢铁尺寸稳定性的影响

钢铁是目前世界上使用量最大的金属材料之一，在一些对尺寸要求较高的零部件制造上也能见到其身影。在常见的精密仪器、模具等方面对于产品的尺寸有着极为严格的要求，传统工艺所生产出来的产品由于残余应力大，在使用过程中在残余应力的影响下会发生形变，在长时间的使用下，产品的形变可能会超过所能接受的最大工差，导致零件或设备的更换，使企业生产成本增高。深冷处理对于金属材料有非常好的减少残余应力的作用，在一个工件残余应力少的情况下，其尺寸就更为稳定［69-72］。

杨静等［73］对W6 Mo5Cr4V2钢长杆件在淬火后进行了-180℃保温3小时的深冷处理。由于低温环境达到了马氏体转变温度，在经过深冷处理后的W6 Mo5Cr4V2钢中，大部分不稳定的残余奥氏体向马氏体转变，而少量稳定性较好的奥氏体在多次回火及深冷处理中仍然保留了下来。结果发现，深冷处理对钢的稳定性有着极大的提升，并且通过合理控制处理材料的方案，能够极大地影响到材料的稳定性。实验中，淬火+深冷处理+高温回火三次+时效工艺方案对W6 Mo5Cr4V2钢尺寸稳定性的改善效果最好。通过对GCr15钢增加深冷处理，并对比分析了普通热处理、回火前-180℃深冷处理及回火后-180℃深冷处理等材料的尺寸稳定性。实验中，材料稳定性的测量方法采用圆环开口法，将不同步骤处理过的圆环打两个5 mm间距的压痕，并在压痕中间等距离处切割出3 mm的缺口，通过两压痕中间距离的变化量来评价材料的稳定性。实验结果表明，经过普通热处理后的圆环尺寸稳定性最差，而经过深冷处理的两组圆环尺寸稳定性明显优于普通热处理的圆环。其中，回火前深冷处理的一组尺寸稳定性最佳。通过对其显微组织的分析，发现了经深冷处理后，材料组织内部的马氏体由取向清晰变为了相互穿插，并有部分发生了碎化现象，使得内部晶粒细化、晶界增多。因此，深冷处理后材料的稳定性明显增强［74］。

由以上研究结果可以看出，经过深冷处理后的钢材料无论是在短时间内还是长时间段中，其尺寸的稳定性都有了极大的提高。这是由于深冷处理能使钢铁组织内部不稳定的残留奥氏体转化为马氏体，减少由于奥氏体与马氏体比容差所造成的尺寸变化。其次，在深冷处理过程中发生马氏体细化以及碳化物析出，析出的碳化物填充在晶格间隙之间，有效的增强了材料对于时效变形的抵抗力。最后，深冷处理能有效降低产品的残余应力，使其尺寸稳定性提高。经过深冷处理的钢由于尺寸更为稳定，在模具、车辆船舶、精密仪器［75］等领域有了更广泛的运用空间。

5 结语与展望

钢铁材料的在经过深冷处理后，在各个方面都体现出了更为优秀的性能。有奥氏体残留少、应力剩余量小、耐磨性好等优点，经过深冷处理的工具钢制备出的机床刀头拥有更高的硬度和耐磨损性，相较于传统工艺钢材制作的刀头效率更高、寿命更长。可见，深冷处理对于金属性能，特别是奥氏体残留方面有着极为突出的作用。但同时，深冷处理也有着材料的晶体缺陷增加、热冲击大导致工件开裂［76］等问题。目前深冷处理的主要研究方向在于改进深冷处理的工艺流程，以发现更优的冷却速率、冷却温度和保温时间的组合为目标，进一步提高处理后金属材料的各项性能，并且解决目前存在的缺陷。同时也要拓宽深冷处理技术的应用范围。由于深冷处理可以在不改变现有材料成分基础上改善材料的力学性能，因此科研人员不仅将深冷处理应用在硬质合金、有色金属上，同时也将这项技术在无机非金属及复合材料等方向上的应用进行研究。值得一提的是，由于复合材料的结构与单相材料有较大差异，因此深冷处理的机理会变的比较复杂，不适合直接用单相材料上微观组织的变化进行类比讨论。目前国内对于复合材料深冷处理机理的研究还较为缺乏。随着对深冷处理工艺的深入研究，未来经过深冷处理的金属材料可能会拥有更多的优异性能，同时也可以在改变更多种类材料的力学性能方面有所进展，深冷处理这项技术也将拥有更为广阔的发展前景及应用空间。