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第2 5卷第 1 期 
20 0 7年 2月  

低 温 与 特 气 
L w T mp r t r  n   p c at  a e   o   e e au e a d S e il G s s y

V 12 0 . 5.No 1 .  F

b,2 0   e 07

深冷处理工艺及设备的发展现状和展望 
夏 雨 亮  ,金  滔 ,汤  珂    ,许  斌  ,张 晓 忠  ,陈佑 军 
( .浙江大学 制冷与 低温研究所 ,浙江 杭州 浙大路 3 ,3 0 2 ; 1 8号 10 7 
2 .保一集团有 限公司 ,浙江 温州 永嘉瓯北三桥工业 区 ,35 0 ) 2 15 

摘要 :深冷处理对于一些金属材料 乃至非金属材 料的强 度、硬 度 、耐磨性和尺 寸稳定性 等机械 性能 的提 高能够  起到积极作用 ,因而广受关注并获实际应用 。深 冷处理过 程 中,处理工艺 选取和工 艺设备 是其技术 关键。综合  现有文献资料 ,在总结深冷处理工艺主要影响因素 的基础上 ,较为详 细地介绍 了 目前应 用较普 遍的深冷 处理 工  艺及相关系统流程 ,并结合国内外研究现状提出 了一些展望 。   关键词 :深冷处理 ;设备 ;机 械性能  中图分类号 :T  5 B6  文献标识码 :A   文章编号 : 0 -84 2 0 ) 100 0  1 770 ( 0 7 0 —0 4—5 0

De eo me tAn   v n e n Cr o e i  e t n   c n q e An   v c   v l p n   d Ad a c si   y g n c Tr a me tTe h i u   d De ie
X A Y .a g , I  a  A G K   U Bn ,Z A G X a. o g ,C E   o . n I   u1 n  JN T o ,T N   e ,X   i  H N   i z n   H N Y uj   i oh u
( . Cygnc L br o , hj n  nvrt, nzo 107,C ia  1 roeis a oa r Z ei gU i sy Haghu30 2   ty a ei   hn ; 2 ay ( pC . t. Y nj 2  5 hn ) .B oi ̄   o ,Ld , ogi3 5 0 ,C ia  mu a 1
Ab ta t yo e i ra me t t a t  c  t n in a d o t isp a t a  p l ai n i  i ef l s i c  t ep  oi   s r c :Cr g n c t t n  t csmu h at t   n   b an   r ci l p i t   w d   e d ,sn e i h l st m- e ar e o c a c o n i  

p o e出e me h n c lp r r n c   fs me mea  r n n t   tras u h a  t n t ,h r n s ,a r d b l y a d d - rv   c a ia  ef ma e o  o   t o   o mea mae i ,s c   s sr g h o l l l e ad e s b a a i t  n   i i  

me s n s bl y h  ee t n o  et a e t rc s n   eiei mp ra t o hstc nq e a e  n arve   f n i  t it.T es lei   f h  e t n  oe sa d d vc Si ot   rti e h iu .B s do    e iw o  o a i o t r m p n f  
ma n i f e c  a tr  u n   ro e i  ra me t o   y ia  x mpe   f t a e t d vc   r  ae o z d a d i t - i   l n e fc o d r g c g nc te t n .s me tp c e a ls o   e t n  e i a e c tg r e   n u s i y l r m e i n   nr   o

d cd u e .A  h r p o p c    s   r s n   r ft r   e e o me to   i tc n q e s o t r s e ti a op e e t   u e d v l p n  f hs e h iu .   sl o f u t    
Ke   o d :c o e c t ame t e ie me h ia  r r a c   y W r s r g n  r t n ;d v c : c a c p f m n e y i e n l e o

1 刖   吾  一 -_ _‘   ^ 上 J  L

得了很大的经济效益 ,我国也有一些单位开展了深  冷处理的研究及应用 ,特别是在标准行业 、工具行  业 、纺织行业 、油嘴油泵 、轴承、航空航天等 ,材 
料 主要是 工具 钢 、轴 承 钢和高 速钢 ¨ 。    对深 冷处理 的作用 机理 研究 深度 的认识 可谓众  说 纷纭 。有 人认 为相关 研 究 已经 非 常成熟 了 ,甚 至 


深冷 处理 (roei ta et 又称 超低 温 处  c gncr t n) y  em 理 ,一般 是指 在 一10c 3 c以下对 材料进 行 处理 而使 

材料的综合性能提高的方法。早在 10多年前,人  0 们就开始将冷处理应用于钟表零件中,发现能提高  材料的强度、耐磨性 、尺寸稳定性和使用寿命 。深  冷处理工艺则是 2 0世纪 6 年代在普通冷处理 的基  0 础之 上发 展 起 来 的 一 项 新 技 术 … 。与 常 规 冷 处 理  ( 0~一 0  )相 比,深冷处理能更加深入地改善  10o C 材料 的机械 性能 及稳 定性 ,有着更 加广 泛 的应 用前 
景。  

些 普通 热处理 的结论 就 可 以套 用 ;但 也有认 为 目  

前仍 处于初 级 阶段 ,对 材料 内部 变化 机理 的认识还  不够 完善 ,特别是 除钢 铁外 的金 属材 料甚至 非金 属 

材料 ,并没有得到充分的研究。前一种说法的部分 
原 因在于深冷 处理 是一 项实 践性 比较 强的技术 ,通 

常在能用 的前提下 会忽略更基础 的问题。即便 如 
此 ,对于黑 色金 属 ( 铁 )类 的研 究 可 以说 已经  钢

目前 ,国外特别是美国、日 、英国、俄罗斯  本 等国家都在积极地开展这方面的研究 , 并把这一技  术应用到很多领域材料的处理,行业分布于航空航  天 、精 密仪 器 仪 表 、 摩 擦 偶 件 、工 具 、模 具 和 量  具 、纺织机械零件 、汽车工业和军事科学领域 ,取 

较为透彻 ,各国研究者 已达成一些共识 :1 .残余  奥氏体转变为马 氏体 ,从 而提高强度 和硬度 ;2 .  
从 马氏 体 中 析 出 超 细 碳 化 物 ,从 而 弥 散 强 化 ;3 .   组 织细 化 ,从 而引起 材料 的强 韧化 j  。

收 稿 日期 :20 .62  0 60 .3

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第1 期 

夏 雨亮 ,等 :深 冷处理 工 艺及 设备 的发展 现 状和展 望 

5  

深冷处理根据冷却方式的不 同可以分为制冷机  法和低温液体冷却法两类 。压缩空气制冷曾经得到  定程 度的应 用 ,如杭 州制 氧机 研究所 大 型轧辊 深 


淬 火 、回火 后进行 深冷 处理 工艺 ;而 对硬 度要 求较 

高而动载荷较小的工模具 ,则可采用淬火后直接进  行深冷处理工艺。因为淬火后立 即进行深冷处理 ,  

冷处理设备和航天部青 云仪器厂 的空气涡轮 制冷  机,但是由于这种设备存在结构复杂、维修不方便  等缺点,目前很少采用。最近几年发展起来的低温 

可使残余奥氏体转变成马氏体 ,导致硬度升高 ,冲 
击韧性降低 ;而淬火后低温回火时,淬火马氏体分  解析出弥散的碳化物,回火温度低 ,马氏体仍然具  有较大的过饱和度 ,在淬火并低温 回火后进行 2   0  h 深冷处理 ,残余奥氏体因为低温回火时产生热稳定  化 ,而可能不发生转变 , 但可使仍具 有较大过饱和  

冰箱随着最低制冷温度的下降 ,同时由于其结构紧 
凑和操作运行简便等优点 ,有望在 一 0 10℃ 的温度  附 近得到广 泛 的应用 ,然 而 ,对于 温度更 低 的深 冷 
处 理应用 时 机还不 成熟 。 目前 最常采 用 的则是 低温 

度的马氏体分解 、细化、析 出大量微细碳化物 ,有 
利于改善韧性 , 使得冲击韧性升高  。 J  
2 3 保 温 时间  .

液体冷却法 ,由于液氮 的温度位合适 、来源广泛 、   无污染、价格 比较便宜 ,大多情况下利用液氮作为  冷媒介质 ,有时还利用液氮和酒精等介质混合的方  式获取不同的温度位。下文深冷处理设备部分将主  要介绍低温液体冷却法的情况。  

对于材料在低温下的保温时间有两种说法 :一 
种认 为 短 时间 ( ~   ) 即可  ,第 二种 说法 是  1 2h 5  J

要长时间保温 2  4h以上 比短时间效果 更好 ,因为  长时间的停留会使得残余奥氏体转变更加充分 , 形  成更好的碳化物粒子 。现在大多数人比较支持第二 
种说 法 ,因为无 论是 奥 氏体 的转 变 ,还是 碳 化物 的 

2 深冷处理 工艺 的关键影 响因素 
对 于深 冷处 理技术 ,其 处 理工 艺是决 定处 理效  果 的关键 ,而深 冷处 理工 艺 中的关键 影 响因素 主要 

细化和弥散都需要一定的时间,有些单位采用4   8 h
以上 的保 温时 间  。  
2 4 深冷次 数  .


包括 :升降温速度 、回火前处理或者 回火后处理、  

保温时间、深冷次数和停留时间等。下面将分别介 
绍这些影 响因素 。   2 1 升 降温速 度  .

般认为,重复进行深冷处理效果会更好。有 

的学者发现多次脉冲方式可以最大程度地改善材料  的力学性 能  ,还有学者认 为二次深 冷处理效果  最佳 ,因为第二次处理时材料仍能发生结构上的变  化 ,但是 此 后的 多次处理 就不 再有 明显变化 J  。
2 5 停 留时 间  .

对于降温速 度 ,目前对此 没有定论  ,有主  J 张采用急速快冷法 ,更多的则认为应严格控制深冷  处理时的降温速度 ,且慢速 比快速要好 ;也有观点  认为高于 一 0℃ 时冷却 速度 可不控 制 ,而低 于  5


钢材淬火至室温,在室温下所停留的时间称为 

5 0℃时则要把降温速度控制在较低 的值。而对 

“ 留时间” 停 。停留时间若过长 ,会发生奥 氏体热  稳定化现象,使 以后的冷却过程中马氏体不易继续 
形成 ,影响深冷处理效果 ,因此停留时间应短些。  

升温过程来说 ,通 常都是采用 在气 体环境氛 围内   ( 如空气) 自然 回温的方式 ,为了在一定程度上加 
速升温 过程 ,可 通 过 加快 氛 围气 体 的 流速 来 实 现 。  

但是 ,有时为了消除材料 内部的应力 , 也有采用急  热法回温 ,即把冷却过 的工件置于高速喷射 的蒸汽  ( 或加热 炉 ) 中进行 处 理 。  
2 2 回火前 或 回火后 的深 冷处 理  , 

3 深 冷处 理 设 备 
如前所述 ,目前深冷处理设备大部分采用利用 

低温液体冷却的方式。液氮制冷又可分为以下两种 
方式 :   1 液 氮浸 泡 式 制 冷 。将 工 件 直 接 放 到 装 有 液  .

深 冷 处 理 工 艺 的选 用 应 该 视 具 体 工 作 条 件 而  定 。一 般 的钢种 ,淬火 后 应立 即进行 深冷处 理 ,然 

后作回火处理 ,尤其是切削刀具的深冷处理 。但个  别容易产生淬火裂纹的钢种 ,可以在淬火后作普通  回火 ,以消除内应力 ,然后再作深冷处理 ,最后再  以稍低的温度作第二 次 回火 L 。譬如 ,对 于受 冲  3   J
击载荷 较 大并且 易受 弯 曲载荷 的工模 具 ,应该 采用 

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。例如 ,王伊卿等人在文献¨ 刨的装置就是采用 
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 有 效 ,应 用 较 为 广 泛 J 但是 ,这 种  。

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低 温 与 特 气 

第 2 卷  5

方法的降温速度较快 ,导致热应力过大,容易对工 

利用辐射换热来对材料进行深冷处理 的系统 ,主要 

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 液氦 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 

包括冷却容器、液氮罐 、液氮泵、管路和计算机控 
制系统等 ;冷却容器内设置处理罐 ,液氮先冷却处  理罐 ,处理罐 内壁 以辐射换热 的方式冷却工件材  料。通过液氮泵控制液氮的液位 ,即可在一定程度  上控制处理罐内工件的处理温度及温度变化速率。  

制冷按其传热方式又分为三种 : ( )基于辐射 换  a
热的系统 ;( )基于对流换热的系统; ( )基于  b c 辐射换热与对流换热相结合的系统。   3 1 基 于辐射 换热 的 系统  . 深冷处理过程 中,处理室内只通过辐射换热的  方式对工件材料进行处理 , 也就是说 ,液氮在盘管  或者在处理箱内壁外的夹套中流动,通过盘管壁或  处理箱内壁 向被冷 部件辐射冷量而达到冷却 的 目   的。在此过程中 ,液氮不直接与工件材料接触 ,而 
图 1 成都凯思恩环保有 限公司 的工具钢深冷处理装置 n】   。  

且容易使得工件材料处理温度均匀一致。图 l 是一 

隔  热

板  

( )装置系统 图 a  

( )内部 结构 ,意  b J  

图 2 太原重型机械学 院和 中科 院研 制的低温深冷处理装置 

3 2 基 于对 流换 热的 系统  .

处理室内通过对流换热的方式对工件材料进行 
处理 ,即液 氮经 喷 管 喷 出 后在 深 冷箱 内直 接 汽 化 ,  

利用汽化潜热及低温氮气吸热使处理箱及被冷物件  温度降低 ,通过控制液氮的输入量和风机的转速来  控制降温速度 ,并实现对处理温度的 自动调节。依  靠这种系统对材料进行深冷处理时,具有换热效果  好 、降温速度和处理温度可控 、温度分布均匀等优  点。图2— 4给出了三套利用对流换热 的深冷处理 
系 统 。图 2为 基 于 对 流换 热 的低 温深 冷 处 理装 置 ,  
图 3 天津市热处理研究所研制的深冷箱  。  

包括保温容器 、风扇、温度传感器 、加热器和液氮  分散器等。其中,液氮分散器和风扇是为 了保证样  品箱 内温度均匀 ,减少温度波动。  
图 3是 天津 市热 处理研 究所 研制 的深 冷箱 系 统 

示意 图,包 括箱体 、液氮供给系统 、温 度控制 系  统 、风 扇 和液 氮 容 器 等 。 图 4为 B C公 司生 产 的  O 深冷设备,原理也是利用低温氮气通过对流的作用  使工件材料及处理室内温度降低。  
图 4 B C公 司研 制的深冷 系统简图  】   O “ 

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夏 雨 亮 ,等 :深 冷处理 工 艺及 设备 的发展 现状 和展 望 

7  

3 3 基 于辐 射换 热 与对流 换热 相结合 的 系统  . 

体 和气体逆 向流动 的方式 :即一 根上 进下 出 ,另一 

该类系统中处理室内通过辐射换热与对流换热  根下 进 上出 ,并 且 出 口直接 留在 处理 室 中 , 目的是  相结合的方式对材料进行处理 ,具有换热效果好 、 使汽化后的气体在冷处理室中产生扰动 ,从而使得    温度分布均匀 、温度波动度较小等优点。图 5和图  在不安装风扇的情况下 ,处理室内温度也易于趋近 

6 给出了利用辐射换热与对流换热相结合来对材料  均匀 。  
进行深 冷处理 的系统 。  

综合上述各种类型的深冷处理工艺系统 ,它们 

图5 是一套嵌套式深冷处理箱的结构简图。如  都有各 自的优缺点。液氮浸泡式具有操作简便 、冷 
图所 示 ,插入 液 氮瓶底 部 的取液 管下 部装 有 一 个 功  却速度快等特点 ,但是其降温速度不可控 、温度变  率 为 3  的小 加 热 器 ,用 来 对 液 氮罐 进 行 增 压 , OW   化剧 烈带来 的应 力等 缺点 也 限制 了其 应用 范 围 。基  即通电加热器汽化部分液氮使 液氮罐 内压力升高 , 于辐射换 热的系统 ,具有 被处理 工件温度分布均   

液 氮通过 取液 管被 压 入 内层 箱 的换 热板 ,液 氮 汽化  匀、工件与冷却介质不直接接触等优点 ,但是 由于  后将 箱 内 的温 度迅 速 降低 到设定 温 度 以下 ,加 热器  单纯依 靠辐 射 换 热 ,换 热 效 果 较 差 导 致 降 温过 慢 。  

断电,液氮罐 内的压力下降,液氮不再进入处理箱  基 于对 流换 热 的系统 ,被 处理 工 件各部 分 温度 分布  内。 内层 箱 为 冷 处 理 箱 ,箱 内侧 布 有 蛇 型 管 换 热  均匀 ,换热效果好于基 于辐射换热的系统 ,但是如  器 ,液氮在 蛇 型 管 内汽化 ,利用低 温氮气 的对 流换  果从喷管出来未完全汽化的液氮 ,若滴到工件上将  热 和辐射 换 热 的方 式 对 材 料 进 行 深 冷 处理 。此 外 , 使其表面温度分布不均 ,局部热应力大也容易对工    为了降低液氮的消耗量 ,系统中还采用机械制冷方  件造成损害。基于辐射换热与对流换热相结合的系  式对系统进行预冷 ,结构型式上就是把整个深冷处  统 ,在液氮从管中喷出之前 已经通过辐射换热吸收  理箱放 到 一机 械 制冷 箱 中 ( 似 于 冷柜 ) 类 ,当系 统  了部分 热量 ,有助 于液 氮从 盘 管 中喷 出时更 容易 被 

冷却达到一定 的温度后 ,再启用液氮作为冷却源 , 完全汽化 ,在一定程度上综合了辐射换热和气体对    让系统 达 到设计 处理 温 度 。   流换热的优点 ,进而弥补了它们单独使用时 的部分 
不 足之处 。  

4 结 论 与展 望 
黑色 金属 、部分 有 色金属 甚 至非 金 属材 料经 过 

深冷处理 ,其耐磨性 、尺寸稳定性、硬度等综合性  能有所改善,进而满足不同需求 ,提高产品的市场 
图 5 华@t r l- 大学研制的嵌套式深冷处理箱结构 简图 

竞争力。采用液氮为冷却介质 的可控温深冷处理设 

备 ,能满足可控降温速率和符合环保等要求 ,适用 
于机械工程 、医药、食品加工 、 标本保存和航空航 
管  

天等各个领域的需要 ,具有很大的推广应用价值。   些工件对尺寸要求严格 ,不 容许加工过程 中由  


于热应力而产生过大变形 , 应该控制深冷处理的降温  速度。另外 , 为了保证设备内部温度场均匀性和减小 
温度波动度 ,设计深冷处理 系统时就应该考 虑到系统 

的温度控制精度和流场布置的合理性。在系统设计中   还应注意满足耗能少 、效率高、操作方便等方面的要    图 6为 一套微 机 控制 的 深冷处 理装 置 ,主要 包  求 。这些都是 目前 深冷处 理 系统 的发 展趋势 。此外 , 些 正在发展的制冷温 度 由常 温向低温延伸 的制冷 系  括冷处 理室 、低 温液 体储 存室 、高 压气 体 室 和微 机 
图 6 华 南 理 工 大 学研 制 的 微 机控 制 的深 冷 处 理 装 置 


也  控制等 四部 分 。盘管 式冷 却 管有两 层 ,采用 两根 铜  统,随着其最低温度的下降以及制冷效率的提高,
管并行 绕制 而成 ,为使 温度 均匀 ,采用 的是进 出液 

有望发展成为无液深冷处理系统 。  

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8  

低 温 与 特 气 

第 2 卷  5

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勇, 等.微机控制深冷处理装置及加工工艺 : 中国 ,  

0 17 0 . [ ] 20 . 10 5 23 P .04 

作者 简介 :  
夏雨亮 (9 2 )黑龙 江人 , 18 - , 现为浙江大学制 冷与低温 研 
究所硕 士生 。  


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