圖1是20世紀40年代M·Cohen等人對W18Cr4V（簡稱W18）鋼在1,290℃奧氏體化的等溫轉變曲線，根據此圖來討論W18鋼在淬火過程中過冷奧氏體的轉變。其他高速鋼鋼種亦有相同的轉變過程，等溫轉變的曲線形狀也相似，僅僅轉變的溫度和范圍有所不同。

圖1　W18Cr4V鋼等溫轉變曲線（奧氏體化溫度1,290℃）

　　從圖1可以看出，經正常奧氏體化後，Ms點約210℃，Mf點約-100℃，轉變量約92%，尚有8%的殘留奧氏體（rR）。如果奧氏體化後迅速冷至室溫，則rR量在20%?25%。W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）的碳飽和度略高於W18鋼，Ms點較低，約130℃，Mf亦低於前者，淬火後冷至室溫的rR量25%?35%，HSS-E和HSS鋼等溫淬火的rR量可能達40%-50%。一般情況下，經過3-4次回火，每次回火終冷不可能達到0℃以下的溫度，故在組織中或多或少地會保留一定數量的rR。從測得結果看，為5%或更少些。各類高速鋼淬火後的金相組織為：淬火馬氏體+rR+未溶碳化物。回火過程易發生的偏差，如加熱溫度和保溫時間不足，尤其是冷卻未達室溫又進行下一次回火，都將增加rR量，回火合格程度分為3級，M2鋼回火程度如圖2所示。回火1級為充分，整個視場為黑色回火馬氏體，分布著均勻彌散的碳化物；回火2級為一般，個別區域或碳化物堆集處有白色區存在，雖屬合格組織，但rR比1級要多；回火3級為回火不足屬不合格組織，較大部分有白色區存在，隱約可見淬火晶粒。正常回火的組織應為回火馬氏體+微量的rR+碳化物。

　　
圖2　M2鋼淬火回火程度級別圖

　　（1——充分；2——一般；3——不足）

　　高速鋼刀具深冷處理的目的

　　古里亞耶夫在1937年就報道，采用冷處理來改善鋼性能事例，其目的是使鋼中的殘留奧氏體轉變成馬氏體。回火組織穩定化。到了50年代，就有采用-78℃（乾冰）或更高一點的零下溫度進行冷處理改善刀具性能的報道，70年代後，由於液N2成本下降，使得工業冷處理的終冷溫度大大降低。現在，采用液N2為制冷劑可將終冷速度控制在-196℃以上的各個溫度區，而且可控制降溫速度，從相當於爐冷或空冷的速度直至將工件直接投入液N2“淬冷”。一般將-100℃-0℃的處理稱作“冷處理”，將-100℃?-196℃的處理稱為“深冷處理”。工業上常用-120℃--140℃，不管是冷處理還是深冷處理，都是為了減少一點rR，提高硬度，穩定組織，最終達到提高刀具壽命之目的。

　　鋼淬火冷至室溫保存在組織中的奧氏體稱為殘留奧氏體（rR），rR存在於一切淬火鋼中（低碳鋼加熱到一定溫度在強烈的淬火介質中冷卻亦有微量的rR）。前已述及，高速鋼淬火後的金相組織為淬火馬氏體+合金碳化物+rR，經過550-570℃×1h×3次回火後，大部分rR轉變成回火馬氏體和析出碳化物造成二次硬化，仍有約5%rR被保留下來，有沒有必要把剩的rR部分消滅或全部消滅？事實表明，含5%rR以下的回火組織回火已經很充分了，熱處理已達極致，有必要進行冷處理嗎？奧氏體是C在r-Fe中的間隙固溶體，是鋼組織中極軟的相，其硬度只有200HBW左右，以此數值與高速鋼刀具使用硬度65?66HRC相比後可以看出，過多的rR顯然不會使刀具高硬度。日本學者飯島一昭等人通過試驗後認為：15%以下的rR不會使刀具硬度下降，但能提高鋼的塑性及韌性。因此，用深冷處理來進一步降低rR含量對鋼的韌性肯定是不利的。貴陽工具廠經過多次試驗，證明深冷處理并不能提高刀具的壽命。哈爾濱有些工具廠把車刀放到-30℃--40℃的寒天里自然冷處理，也不見車刀硬度和壽命的提高，於是人們覺得，寧可采取常規回火，保留5%左右的rR，對提高刀具綜合力學性能有好處，也不主張采用深冷處理。高速鋼刀具與超硬材料刀具相比，最大的優勢就是韌性高一點，如果真的把rR消滅，本來就不高的韌性簡直是向傷口上撒鹽。

　　對於高速鋼刀具經正常淬火回火後，保留5%左右的rR，我認為對於刀具的使用沒有害處。

　　關於rR對耐磨性的影響有不同的見解。HSS鋼刀具通常的使用硬度在65?66HRC，HSS-E鋼刀具在66?67HRC。實踐證明，在其他因素都相同的情況下，硬度高者磨損少，刀具的耐用度就高，以此判斷，會使硬度降低的rR雖然是不受歡迎的，但是刀具的壽命歷來不以硬度高低論英雄，過高的硬度導致脆大增，不光不會提高壽命，反而會折壽。

　　影響高速鋼刀具的壽命因素是多方面的，不能片面地追求高硬度，我們的原則是在保證韌性的前提下力求高硬度，但不唯高硬度，試驗證明，回火充分的刀具施以深冷處理，基本上不會增加硬度，更不會提高紅硬性，反而會使韌性下降。國內有些工具如剃齒刀、小模數滾刀等應用深冷處理，目的是消除應力、穩定尺寸，因為兩者是要以內徑定心的，希望刀具在使用過程中，內孔不發生尺寸的變化。

　　從以上分析可知，高速鋼刀具經正常淬火回火後，組織中還殘留少量的奧氏體，對刀具的使用及綜合性能無大礙，深冷處理是否適用？這個有爭議的問題，有待大量的實踐數據及實踐應用去驗證，但筆者持反對態度，國內數百家規模以上企業無人問津就是一個有力論據。所見報章的基本上是大學、研究所的科研成果或是實驗室的產物，但到面上推廣不行說明有問題。比如高速鋼刀具回火工藝就是一個非常深刻的例子，所謂的回火新工藝有數條，但在大生產中應用的還是原始的550?570℃×1h×3次的成熟工藝。

　　高速鋼刀具深冷處理工藝方法

　　雖然從相變機理講深冷處理應放在淬火之後回火之前進行，但從防止組織應力過大，防止工件在深冷過程中開裂的角度考慮，一般不主張這樣做。針對復雜程度和尺寸不同的刀具，有以下幾種工藝方法：

　　(1) 淬火後先於350℃×1h低溫回火，然後進行深冷處理，這里最接近淬火後進行深冷處理工的一種方法。

　　(2) 第一次回火後進行，這是從安全和效果兩方面考慮都較為滿意的一種方法，即550℃×1h回火空冷至室溫，然後再深冷處理。

　　(3) 第一次回火冷到-80℃左右，第二次回火後冷到-135℃ - -196℃。雖然工藝相當復雜，但效果和安全性能都屬上乘。

　　(4) 加工成半成品或成品後再去深冷處理，此法效果甚微，但是最安全最方便。

　　對高速鋼刀具深冷處理的討論

　　鑒於高速鋼刀具深冷處理還是一個不成熟的熱處理藝，現就該工藝能否提高刀具壽命等幾個問題談點意見，不妥請斧正。

　　深冷處理的機理

　　深冷處理是熱處理淬火的延續。高速鋼淬火組織有25%左右的rR，在隨後的深冷處理中大部分轉變為馬氏體，這一組織轉變主要發生在0?-80℃，-196℃深冷處理後仍有約1.5%rR。高速鋼深冷過程發生的馬氏體分解，是由於Fe的點陣常數縮小使過飽和碳引發點陣畸變增大，從而導致碳化物析出熱力學驅動力增大。但由於低溫下碳原子的擴散難度較大，故在-196℃超低溫下不易發生馬氏體分解。由-196℃向室溫回升時，碳原子的擴散能力相對增強，在室溫附近偏聚於孿晶界或其他晶體結構缺陷處，形成直徑僅為2-6μm并與馬氏體共格的超微納米級碳化物，經分析確定該碳化物為M6C型。

　　深冷處理過程中發生了rR向馬氏體轉變以及馬氏體分解和超微細碳化物析出的組織結構轉變，使高速鋼的強度、硬度等力學性能略有提高。

　　深冷處理提高了刀具的硬度及耐磨性

　　由於深冷處理使少量的rR轉變成回火馬氏體，加上析出納米級分散的碳化物，這兩種因素促使硬度略有上升（<0.5HRC），而不是很多資料講的可提高1?2.5HRC。M2鋼淬火後硬度為63HRC，經深冷處理後硬度上升到65.5HRC，不能說是深冷處理提高了硬度，而是高速鋼固有的二次硬化特性，不經深處理，而經550℃×1h×3次常規回火，硬度照樣達到65.5HRC。

　　隨著硬度略有上升，耐磨性提高是自然的。

　　深冷處理不會提高鋼的紅硬性

　　紅硬性是指鋼抵抗高溫軟化的能力，它首先應該歸功於M2C和MC型碳化物很強的抗聚集能力。在高碳鋼和低合金鋼淬火至室溫，也可能得到大量的rR，在550℃左右的溫度rR分解一般不會增加鋼的硬度。這些鋼中的rR通常在較低的溫度下分解，而析出的Fe3C型碳化物在稍高一些的溫度下就迅速聚集是發生軟化的直接原因。在高速鋼中，碳化物的析出成為非常細小的微粒和rR的分解二者聯合引起了二次硬化，而碳化物一直保留其微細的尺寸，必然造就了紅硬性。對具體鋼而言，它只跟淬火加熱溫度及加熱時間有關，具體地說，跟奧氏體的合金度、碳化物的溶解程度有關，跟隨後的深冷處理幾乎沒有關系。如果淬火加熱時碳化物溶解不好，再好的深冷處理都不會使紅硬性提高。

　　在高速鋼中，對紅硬性影響最大的元素可能是W和Mo，W和Mo的原子尺寸比其他任何元素都要大得多，可以預期它們將會有較低的擴散速度，而必須承認為了使聚集進行下去，不但需要Cr和V的擴散，也同時需要W（或Mo）和C的擴散。像車刀、滾刀等需要紅硬性特別高的刀具，工具廠都采用提高淬火溫度的做法，從未聽說深冷處理之舉。

　　深冷處理對韌性的影響

　　阜新礦業學院試驗結果：與常規淬火、回火態相比，高速鋼經不同方法深冷處理，沖擊韌性（αk）值提高8.8%-52%；河北工業大學認為：深冷處理提高高速鋼韌度的幅度大於同樣深冷處理條件下，強度的提高幅度，W18鋼、M2鋼沖擊韌度最大提高幅度達57.7%和43%；上海交大對M2鋼作深冷處理後指出：深冷處理試樣的沖擊韌性略有提高，未深冷處理者為23J/cm2，深冷處理者為23.5J/cm2；上海機械制造工藝研究所試驗結果則認為深冷處理對M2鋼沖擊韌性沒有影響，不升不降。還有很多有關深冷處理對高速鋼韌性影響的報道，沒有反面意見，全是講提高的。

　　筆者認為，深冷處理提高韌性的證據不足，理由不充分，按理講，rR減少了，硬度上升了，韌性應該下降，怎麼會升高呢？搞高速鋼刀具的同志都有這樣的體會：要達到高硬度容易，欲使刀具在高硬度下保持高的韌性十分困難。所以，我們主張在確保韌性的前提下力求高硬度。我們迫切希望能見到刀具深冷處理提高硬度又不崩不斷的報道。現實的情況是，不管是HSS還是HSS-E鋼刀具，鹽浴淬火回火後，最高硬度往往超過工藝標準，不得不提高回火溫度將硬度降下來，確保韌性，犧牲硬度。

　　深冷處理能提高刀具壽命嗎？

　　N·B·JiebNH指出，直接在淬火後或經過一次回火再在液N2中進行深冷的高速鋼銑刀，其使用壽命提高44%-150%。M2鋼制φ7mm直柄麻花鉆經深冷處理壽命提高1倍，φ120mm×28mm齒輪粗銑刀、機用鉸刀使用壽命提高50%以上，高速鋼機用鋸條經深冷處理也獲得提高壽命的良好效果。還有很多深冷處理提高刀具壽命的實例，大多是單件或試樣數據，無說服力。

　　A·II·Jixeb等通過試驗後指出，高速鋼冷處理不會使鋼得到特別高的切削性能，但是，冷處理是消除鋼中rR的的方法，它所起的作用也和多次回火一樣，不過，他們又指出，冷處理在以下兩種情況下，能使切削性能提高：以一次回火代替多次回火，或以較低的溫度淬火。

　　G·A·Roberts等人也認為冷處理不一定能提高切削性能，但為了矯正淬火過熱組織和穩定尺寸，使用冷處理是合適的。

　　我們國內有些工具廠得出相反的結論，他們認為深冷處理不但不能提高刀具的壽命，反而使脆性增大。

　　可見，到目前為止，高速鋼刀具深冷處理結論還不一致，這主要是由於在0℃以下產生的馬氏體相變還無規律可循，另外，試驗的方法不統一，所研究的鋼種不普遍，深冷前的熱處理工藝參數變數大，進行切削試驗的條件差異性大，加之人為影響因素多，也是得不出相同的結論的原因。因此，難怪有人說“深冷處理還是一種尚未充分研究過的熱處理方法”。

　　結論

　　1、高速鋼刀具淬火經常規回火後，rR不超過5%，回火已很充分，沒有必要進行深冷處理。回火不好經深冷處理，刀具壽命提高是熱處理的過失，而不是深冷處理的功勞。

　　2、深冷處理對提高耐磨性有益，但對韌性不利，更不會提高紅硬性，提高刀具壽命X倍不可信。

　　3、除成品深冷處理外，其他方法深冷處理很難實施，并且可能會出現開裂等弊病。

　　4、對尺寸精度要求特別高的精密刀具，成品刀具可進行深冷處理。

　　在成文寫作過程中，得到上海工具廠張宏康教授級高工的指導，得到金華職業技術學院祁越老師及安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司的幫助與支持，在此感謝！