超深冷处理

一、深冷處理（Sub-Zero）VS超冷處理(Cryogenic Treatment)

殘留沃斯田鐵（AUSTENTTE）不僅會降低刀具、模具的磨耗強度、而且在受到外力刺激時會將已經安定的沃斯田鐵不安定化而變態成初生型的麻田散鐵（MARTENSTTE），使耐衝擊性惡化，又因兩種組織的容積比不同，成型精密刀具、模具會產生體積膨脹、及應力破裂的情形，嚴重影響尺寸精度，使工件付之流水。

如何使鋼材在成型後得到具有優良機械性質的回火麻田散鐵組織、降低沃斯田鐵的殘留量及消除淬火、加工（線割、放電、研磨）過程中所產生的應力集中為目前精密工業界主要的課題之一。我們先從麻田散鐵變態的時機（Ms~Mf）圖一開始探討，再說明超冷處理的理論基礎及所產生的效益，與深冷處理的不同處。

二.麻田散鐵的變態時機（Ms~Mf）

將高溫的淬火組織施以適當的冷卻處理可得到高機械性質的麻田散鐵，由（圖一）可知溫度曲線閃過波來鼻到達+200℃附近時，冷卻速度變的緩慢，該溫度既為Ms點，麻田散鐵開始變態的溫度，溫度持續下降至常溫，麻田散鐵比率約83%如果溫度可以持續下降則麻田散鐵變態可以繼續進行，至-196℃時麻田散鐵比率可達97～98%，約有殘留沃斯田鐵2～3%。然以上為學界實驗室中進行的實驗研究及麻田散鐵變態推演。

以目前業界的環境及熱處理的調任，麻田散鐵的變態（Ms~Mf）是不可能一次完成的，而是分段進行的，有人認為淬火完成後1小時內須進行金屬過冷處理，亦有文章發表在淬火完成後6分鐘立刻進行過冷處理，其目的只有一，當殘留沃斯田鐵安定後不易再不安定化而變態成麻田散鐵，

是目前金屬過冷處理所須要求克服的技術重點，並非只要有經冷處理就能達到效果。

目前業界有數種冷處理的方式，以下將針對其基礎理論、效益逐一說明：

三.深冷處理（屬Sub-Zero）

處理方式：

以液態氮做為冷凍劑，於淬火後進行（約6分鐘）。如果先以100℃熱水從事1小時熱水回火就可於淬火稍後進行（約1小時內）不必畏懼殘留沃斯田鐵安定的問題，並且可以直接滲入液態氮氣中保溫時間長短並不重要，只到達所須要的溫度即可，，保溫不會發生不良後果，但不符合經濟原則。若想從深冷溫度加到室溫並非采自然解凍，而是將工件直接投入水中或熱水中解凍。（以上節緣模具熱處理一書，作者大和久重雄）。

處理時間：

以20-40分鐘內將溫度下降到-80℃～-130℃,再將工件以自然解凍或水中解凍方式回到室溫，就算完成，約1-3小時。

所得效率：

1. 提高工件硬度約1-2度，增加耐磨耗強度。

2. 消除殘留沃斯田鐵，增進尺寸穩定性。

實際使用投石問路與筆者評論：

1. 工件要降溫首先內熱要拿掉，拿掉工件內熱須要的是時間，短時間內溫度下降急速，壓應力增加容易讓工件破裂，並且無法針對成型高硬度的工件做處理（例碳化鎢PUNCH）。

2. 直接將低溫狀態工件投入水中或熱水的目的是要在工件上產生一個外力去刺激已經安定的沃斯田鐵不安定化而變態成麻田散鐵，這種外力的產生是讓工件溫度作急速的變化，雖可得到少許初生型的麻田散鐵，但產生的熱震現象，卻讓工件殘留應力增加，整體機械性質下降，疲勞強度減弱，異常崩裂的情形經常發生，使用者損失慘重。這種刺激變態的該項是不可控制的，並不科學。

3. 未對又硬又脆初生型麻田散鐵做妥善的回火後續處理，會從應力集中的地方破裂。

4. 液態氮不可以直接接觸工件，極低溫造成的壓應力會讓工件產生裂紋

四.超冷處理（Cryogenic Treatment）

超冷處理（-320℉）約-196℃,是近一、二十年所發展出的新的觀念與技術，超冷處理的效益並非只有將殘留的沃斯田鐵變態成麻田散鐵這單一目的與效果，而是在提升工件整體的機械性質，

該技術在美國工業界已經廣泛的應用。

美國麻省理工學院物理博士JeffLevin現路易安那大學金屬材料博士Dr.R.Fbarron發展出程式控制式超冷處理，對安定的沃斯田鐵如何讓它不安定化、及提升整體機械性質有非常高明的辦法。運用程式控制系統及處理爐的保溫能力讓溫度緩慢的下降至-320℉。因為緩慢的降溫不會產生冷震現象，並且保持該溫度一段相當長的時間，這長時間極低溫的環境中可讓安定的沃斯田鐵不安定化而變態，使金屬組織更細膩，再以0.66℉的升溫速率回到室溫，目的是在消除淬火及加工後所殘留的應力，並且可以避免熱震現象的產生，最後在同一個處理爐內做回火處理，得到高機械性質的回火麻田散鐵組織。（處理前後金像圖比較圖四）。

處理時間：

以SUJ2熱處理後鋼材為例：降溫至-320℉→持溫-320℉→升溫→回火300℉完成共須46H。

上图为两具S5打片机冲头以生产NaCl(氯化钠)片,左边之标准冲头

仅打4000000片,而右边经超冷处理者则打出64000000片.

图四

超冷處理效益分析：

1.殘留沃斯田鐵幾乎完全轉變成麻田散鐵（約97%～98%）。

2.比一般熱處理工件或深冷處理工件更能提升耐磨耗性（圖五）。

3.使組織細膩結構勻析出細微碳化物。

4.消除殘留應力。

5.硬度完全不發生變化。

6.可處理已經成型的刀工具，並且不變形、不變色。

五.金屬過冷處理的基礎觀念比較：

傳統深冷處理：

A.必須要在淬火後1-3H內馬上進行（有文獻強調必須在6分鐘內）

（SUB-XERO）否則會因溫度沒有持續下降，而未變態的斯田鐵安定了，將無法再變態成麻田散鐵。

B.淬火後零件進行深冷處理前先放入100℃熱水中1H的回火，否則會發生深冷龜裂。

C. 處理時間20分鐘至1H，溫度急速下降。

D. 從深冷溫度恢復到室溫並非採取自然解凍，而是將工件直接投入冷水或熱水中急速解凍。

E. 造成金屬表面的小裂痕影響耐磨耗性。

程式控制式超冷處理；

A.不受處理時效限制，運用程式控制式的溫度變化製造一個極大的外力（（-320℉）而產生感應變態，幾乎將殘留的沃斯田鐵完全變態成麻田散鐵（98～99％）。

B. Ms以下溫度下降必須緩慢，否則工件的耐衝擊性將惡化，更因為溫度緩慢變化下降不會造成工件的變形。

C.降溫升溫完全由電腦程式控制，工件的殘留應力幾乎可以完全消除，並在同一個處理槽內完成熱回火得到高機械性質的麻田散鐵不會延誤回火時機。

D.超冷處理的效益裏單單只有將殘留的沃斯田鐵變態成麻田散鐵消除殘留應力，讓組織細膩形成微細碳化物顆粒強化機械強度。

E.不會造成金屬表面的小裂痕，增加使用壽命。

F.可運用在非金屬工件、零件產品。