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1、 金屬冷處理之精髓-超冷理 早期金屬冶金專家認為將溫度低至-84-120已足夠將工具鋼火後殘留沃斯田鐵變態成麻田散鐵，並認為沃斯田鐵變態麻田散鐵的過程（MsMf的變態區）隻與溫度有關，而與保持該溫度的時間無關。但必須要於粹火後1小時內施以低溫處理（零下處理，深冷處理）否則殘留沃斯田鐵安定化後無法使其變態成麻田散鐵。經若幹年的實驗証明顯示麻田散鐵含量與保持該溫度亦有關聯，雖然不是直接影響麻田散鐵的變態，卻能給予工具鐵良好的變態環境，能直接影響已經安定化的沃斯田鐵重新活躍起來變態成麻田散鐵。事實上低溫處理所產生的效應不是一個新的發現，早在100多年以前瑞士鐘表制造商已知將高耐磨耗的鐘表零件儲藏在高
2、山洞中一，二十年，以自然冷氣空調增加零件的穩定性與耐磨耗。注重時間與高價值的要求下，以無人有此時間成本，因而零下處理，深冷處理（Sub-Zero），超冷處理（Cryogein Treatment）相繼應運而生，以迎合現代商品物質。超冷處理名詞的出現可追溯回1937年，前蘇聯應用此技術於工具鋼上，尋求改進切削刀具的性質，但礙於技術瓶頸無法突破（如精準地恆低溫保持一段時間，控制冷卻及加熱的速率等）而沉寂一時。美貝特紀念基金會（Battelle Memorial Institute）所長Gary博士發起成立超冷處理研究委員會，該委員會的宗旨針對超冷處理能夠提升工具鋼，鋁合金，等耐磨耗性及防止擱置變形
3、之研究。聚集近三十年相關研究成果及文獻並結合美國麻省理工學院數位電腦控制系統博士Jeff Levin發展出精準的處理設備（對流降溫，升溫，準確的控制升降溫的速率，恆低溫-320保持，依處理物材料可設定99種保証浸透階段）將工具鋼，合金工具鋼，模具鋼，高速鋼等不同鋼材歷經超冷處理後以顯微鏡觀測組織的變化，X射線解析，碳化物析出，電阻阻抗變化及比重測定，進行沖擊值，熱軋硬度，殘留沃斯田鐵，耐磨耗實驗。研究結果根據Dr.R.F.Barron教授報告指出，超冷處理計能發揮下列優點。一 殘留沃斯田鐵幾乎完全轉變成麻田散鐵（97-98）。二 比一般熱處理元件或普通深冷處理元件更能提升耐磨耗性。三 使組織微
4、細化及細微碳化物析出。四 消除殘留應力。五 硬度完全不發生變化。零下低溫處理（SUBZERO處理） 對於最近的企業而言，提高品質，生產合理化降低成本等三要素是必須致力的課題。對於提高品質一項目前已積極致力於研究精確度高而能長時間耐用制品，而對於生產合理化及降低成本也已致力於以固定的設備從事於大量生產，以省力的設備努力於補救勞動力的不足節省人件費，或應致力於機會工具的高效使用等的事項。在這裡將要說明的零下低溫處理是指在零度以下-100150實施熱處理的一種工程，這種工程近來已普遍使用於須要高精度的儀表工具齒輪鐘表照相機的精密零件類，或使用於高價的壓縮整緣等的壽命延長或壓延滾筒的延長壽命等方面，而
5、且其需求度有越來越多的趨勢。今後其用途將會逐漸增加，為讓大家能更加認識零下低溫處理的意義和普及使用，將就零下低溫處理的意義，目的處理方法，和用途等加以記述。 零 下 低 溫 處 理 A.零下低溫處理的目的： 將殘留沃斯田鐵（AUSTENITE）變化成為麻田散鐵（MARTESITE），用以謀求增加硬度和尺寸的穩定代為主要目的，並在零度以下施以低溫處理，這種處理方法即稱為零下低溫處理。其他的目的都是其主要目的應用操作，其他目的包括下列事項：1. 增加著磁性以磨床研磨硬化零件時，一般都使用電磁夾頭，但殘留的沃斯田鐵如果很多時，著磁性會變得很差，故須要以零下低溫處理來提高著磁性。2. 提高機械性性質硬
6、度的不均勻是起因於硬化溫度的不均勻，例如硬化溫度低時其硬度也會隨之變低，但經過零下低溫處理硬度就會增加，而且硬度會變得很均勻。3. 尺寸的調整以零下低溫處理使硬化零件的尺寸膨脹，可使負數的尺寸變為加數的尺寸，用以調整不良品的尺寸。4. 冷卻嵌合這是和收縮配合相反，將插入物加以冷卻收縮，使嵌合於被插入物。茲將殘留沃斯田鐵可能引起的不良影響陳述於後：1 施以硬化後也不能提高硬度，且由於硬度不均勻，很快就會發生磨耗。2 由於殘留沃斯田鐵在常溫之下極不穩定，故時間一久就會變化，這種現象稱為經年變化，為此精密度高的儀表和軸承等都會因經年變化而發生偏差。為什麼會發生殘留沃斯田鐵呢？硬化溫度如高過所規定的硬
7、化溫度則會發生沃斯田鐵。又如將水硬化和油硬化加以比較時，冷卻速度較慢的油，其發生殘留沃斯田鐵的量較多。又含碳量越多的物品因其S曲線的MS點會向下下降，因此較易發生殘留沃斯田鐵。那麼應如何才能使殘留沃斯田分解呢？1 如將回火溫度予以提高時，則在270左右殘留沃斯田鐵就會分解。2 施以零下低溫處理時，殘留斯田鐵則會分解。依此殘留沃斯田鐵就會變為麻田散鐵，硬度就會提高。例如以800的溫度SK材施以水硬化時，發生311的殘留沃斯田鐵，但施以-20的零下低溫處理後則變為8，30時則為6，施以-100的零下低溫處理後則減至2。亦即說如將溫度降低至-100150時，碳鋼的殘留沃斯田鐵會全部變化成為麻田散鐵。
8、NR-2（CR-MO）的情形也是一樣，如溫度降至-100時，殘留沃斯田鐵會減至12。又如表面硬化鋼（含NI多者）的滲炭層也很容易發生殘留沃斯田鐵，但若施以零下低溫處理時，殘留沃斯田鐵，但若施以零下低溫處理時，殘留沃斯田鐵則會消失，硬度也會增加。由此可知，如在-100 -150左右的低溫下施以零下低溫處理時一切材料的殘留沃斯田鐵都會變為麻田散鐵。B.零下低溫處理的媒體和零下低溫處理溫度 一般都把液化碳酸、幹冰、氟利、氣體和液體氮等當做冷卻媒體使用 零下低溫處理的溫度以-100-150最受使用。C.零下低溫處理的時期 剛硬化後為最多，其次為100130的低溫回火後。一般都在硬化後零件恢復到常溫（可
9、用手觸摸的程度）後的1小時內施以零下低溫處理。硬化後放置太久的時間時，由於殘留沃斯田鐵已開始穩定，因此即使施以零下低溫處理，其效果也很小。在低溫回火(100130)施以零下低溫處理，最適用於形狀復雜的零件，或怕發生零下低溫裂縫時或高速度鋼的情形時。當然在施以零下低溫處理後，應即進行所指定的回火。又於硬化後經過數日者，或進行過正式的回火者如施以零下低溫處理時也會有效果出現，因必考慮已失時機而不予實施零下低溫處理。D.零下低溫的冷卻 要實施零下低濁冷卻時，究竟一應採用急冷的方式或階段性的冷卻？如不讓其發生零下低溫裂縫時，採用階段性的冷卻，讓殘留沃斯田鐵慢慢變為麻田散鐵的方式較為適當。LN2冷凍的情
10、形時，即使氣霧溫度經過急冷而變參展低溫，但由於是間接性的空氣冷卻，因此實際上處理品已實施了除冷，從而不會有發生零下低溫裂縫之慮。在一種階段性的冷卻法，其第一階段設定為-80，第二階段設定為-130左右。E.零下低溫的保持時間 零下低溫保持時間的解釋有下列兩種情形：1 保持在零下低溫冷卻媒體中的時間。2 處理品內外的溫度於達到零下低溫溫度後繼續保冷的時間，即為正確的零下低溫處理。殘留沃斯田鐵的麻田散鐵化是和低溫有密切關系的，但和時間卻沒有關系。一般的作法都是處理品的殘留沃斯田鐵達到麻田散鐵化的溫度時予以停止，並不予保冷而予取出的方法。F.零下低溫的升溫 自零下低溫的溫度恢復到常溫的方法，一般都採
11、用空中放置的方法，但也有很多情形採用水中放置的方法，但也有很多情形採用水中放置 的方式的。空中放置 的方式升溫較為緩和均勻。實施空中放置的方式時，為防止水滴引起鏽，有須塗布防鏽劑如果將LN2冷凍物自低溫恢復常溫時，有時會引起發生霜的現象，此時以甲醇加以擦試即可。一般在完成零下低溫處理後都立即加以加火，在經過零下低溫處理後如放置得太久，有時會發生“置裂”的現象。G.有須要施以零下低溫處理的鋼種和零件(a) 下列的鋼種是有須要施以零下低溫處理的鋼種鋼 種1234567合金工具鋼（SKS3）冷模鋼 ( SKD11)表面硬化鋼（SNC 21、SNCM 25）軸承鋼（SUJ2）不鏽鋼（SUS177PH）
12、高速度鋼（SKH3）碳工具鋼（SK）(b) 下列的零件是有須要施以零下低溫理的零件：零 件 名 稱1234567儀表類模，沖床，工具類滲碳零件，齒輪滾珠國，軸承滾筒，軸類引擎零件不鏽鋼彈簧但在270以上回火者則不能做為零下低溫處理的對象，亦即說是在270以下回火，高硬度，又須要尺寸穩定性者才可做為零下低溫處理的對象。H硬化溫度和零下低溫硬度的關系 圖(a)是將AISID6(C-225，SI-100，Cr-1200，W-1.00%)的硬化溫度和硬度的曲線以實線加以標示，其上限和下限則表示硬度的不均勻。慮線是表示零下低溫的硬度曲線。 70 硬 60 度 50HRC 40 950 100 1050
13、1100 燒入溫度就如上圖所示，硬化溫度低時，硬度不均勻的情形較少，但硬化溫度越高，硬度的不均勻情形也隨著變大。這種現象可能是起因於硬化溫度高時，殘留沃斯田鐵的發生較多之故。實於零下低溫處理時，硬化溫度癒高，硬度的上升較為顯著，不均勻的情形也顯然減少。茲舉一例証明零下低溫處理提升了硬度後提高了耐磨耗性的例：以NR1材制成的直徑10mm的沖床，對0.5mm的矽鋼板實施打孔試驗結果，經過零下低溫處理者較未處理者壽命多延長了兩倍之多。1 零下低溫處理的效果零下低溫處理的效果已在零下低溫處理的目的一項中述及過，茲摘其要點如下：(1) 增加硬度(2) 硬度的均勻化(3) 提高耐磨耗性(4) 防止經年變化
14、(5) 增加著磁性(6) 提高機械性性質(a)耐磨耗性有效的例 以軸承鋼（C-1.0， Cr-1.4）的試料達到不堪使用的運轉時數為例熱 處 理使用可能旋轉時間1硬化-回火175小時2硬化-回火-零下低-回火 溫處理268小時由此可知，經過零下低溫處理者的壽命較未處理者延長了約53，顯示零下低溫處理的效果極佳。(b)經年變化試驗有效的例 軸承鋼，外形25mm經過55天後的資料熱處理的經過日數使用可能旋轉時間1硬化後 55日+1.422硬化-回火-零下低-回火 55日溫處理-0.05由此可知，經過零下低溫處理者的變形量較未處理者顯然少得很多，而且也顯示零下低溫處理在防止經年變化上，其效果是如何地大。
