深冷技术

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～-100℃）的处理方法称为普通冷处理；而把低于-100℃以下（通常为-100℃～-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。

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。

1.3深冷处理的意义
从宏观方面来说深冷处理具有以下几方面的作用：
提高材料的耐磨性能
改善材料的尺寸稳定性
提高材料的强度、塑性、韧性、疲劳等综合性能
改善材料的导电、导热、耐腐蚀性等物理化学性能
深冷处理涉及的材料多种多样，包括钢铁材料、有色金属及一些非金属材料（如塑料、尼龙等），对于不同的材料，深冷处理的机理不尽一致。

对于钢铁材料来说，首先深冷处理过程中发生了残余奥氏体向马氏体的转变，提高了工件的硬度、强度和尺寸稳定性。

其次，深冷处理过程中由于马氏体基体体积的收缩，铁的晶格常数有缩小的趋势，从而增加了碳原子析出的驱动力；另一方面，低温下残余奥氏体转变为马氏体，材料内应力增加，促进了碳化物的析出。

于是在随后的回火过程中，在马氏体的基体上析出了大量弥散的超微细碳化物，从而引起材料强化，很大程度上提高了材料的耐磨性。

除此之外，深冷处理能够细化组织引起工件的强韧化，同时引起材料内部缺陷（微孔、内应力集中）发生塑性流变，使材料表面产生残余压应力，深冷处理还能部分转移原子的动能，使原子之间结合得更加紧密，提高材料的性能。

常用工模具钢的深冷处理效果及主要作用机理如表1所示。

表1 常用工模具钢的深冷处理效果及深冷主要作用机理
对于硬质合金来说，可以提高硬质合金的硬度和抗弯强度、冲击韧性。

据分析，深冷处理对硬质合金的作用机理是使组织中的一部分α-Co转变为ε-Co，并在表层产生一定的残余压应力，从而使材料的性能提高。

铜合金的深冷处理效果也较为明显，这主要是由于深冷处理使组织得到细化，并析出第二相粒子，从而得到强化，另一方面，深冷处理使材料内部的缺陷发生塑性流变，同时降低了内部的残余应力。

从位错的角度讲，深冷处理能够改善材料内部的位错分布及其密度，从而也会对其性能产生较大的影响。

因为位错是普遍存在于金属材料晶体中的一种线缺陷，它不仅对金属的强度、塑性和断裂等力学性能有决定性的作用，而且影响着金属材料晶体的许多物理、化学性能等。

铝和铝合金的深冷处理研究是近几年国内深冷处理研究的一个热点，深冷处理可以消除铝基碳化硅复合材料的残余应力和改善其弹性模量，提高铝合金的尺寸稳定性，减少加工变形，提高材料的强度和硬度，但是他们对有关的机理没有进行系统的研究，只是笼统的认为是温度产生的应力增加了位错密度而引起的。

中南工业大学的陈鼎等人研究了深冷处理对常用铝合金性能的影响，并发现了深冷处理导致铝合金发生晶粒转动的现象，并就此提出了一系列新的铝合金的深冷强化机制。

钛合金的深冷处理目前国内外研究较少，然而，初步分析，其改善效果主要与组织中亚稳态相的转变、晶粒细化、降低应力、减少缺陷等因素有关，然而其根本的原因所在还需要进行深入的研究工作。