وجود کربن و عناصر آلیاژی بالا در فولادهای ابزار و قالب، دمای شروع و پایان مارتنزیت را کاهش می‌دهد. بنابراین عملیات سخت‌کاری معمولی این قطعات در تبدیل مقدار قابل‌توجهی آستنیت به مارتنزیت شکست می‌خورد که اغلب منجر به سطح غیرقابل قبولی از آستنیت باقیمانده در ساختار کوئنچ‌شده در این فولادها می‌شود. در عملیات حرارتی زیرصفر، مقدار آستنیت باقیمانده را می‌توان با قراردادن نمونه‌های فولادی سخت‌کاری شده در معرض چرخه‌های حرارتی متعدد در دمای نسبتاً بالاتر و یا برای مدت طولانی کاهش داد. با این حال، این فرآیند دارای اشکال ذاتی است زیرا منجر به نرم‌شدن بیش از حد زمینه، درشت‌شدن کاربیدها و در نتیجه سختی و استحکام کمتر می‌شود. محتوای آستنیت باقیمانده در فولادهای ابزار را می توان به طور قابل ملاحظه‌ای با عملیات زیرصفر اجزا کاهش داد. بر خلاف عملیات‌های تمپر چندگانه، عملیات زیر صفر استحکام و سختی فولادها را کاهش نمی‌دهد، بلکه این ویژگی‌ها را تا حدی بهبود می‌بخشد.
آستنیت باقیمانده فازی نرم است و بنابراین بر خواصی مانند سختی و مقاومت در برابر سایش تأثیر منفی می‌گذارد. علاوه بر این ناپایدار بوده و در شرایط سرویس فولادهای ابزار به مارتنزیت تبدیل می‌شود. مارتنزیت تازه تشکیل‌شده بدون عملیات تمپر، بسیار شکننده و نامطلوب است. همچنین، استحاله آستنیت به مارتنزیت با انبساط حجمی همراه بوده که منجر به تغییرات ابعادی و اعوجاج اجزاء، حتی شکست در موارد شدید خواهد شد. بنابراین، یکی از چالش‌های عمده در عملیات حرارتی فولادهای ابزار و قالب، به حداقل رساندن مقدار آستنیت باقیمانده یا حذف آن است.
عملیات حرارتی زیرصفر، فرآیندی به منظور افزایش مقاومت در برابر سایش، سختی، مقاومت به خستگی، چقرمگی و … مواد فلزی به ویژه فولادهای ابزار و قالب می‌باشد. این فرآیند شامل سردسازی کنترل‌شده نمونه‌های سخت‌شده توسط عملیات حرارتی معمولی، تا دماهای بسیار پایین (معمولاً 70- تا 180- سانتی‌گراد) و نگهداری در آن دما به مدت زمان کافی می‌باشد. در نهایت پس از آن، قطعات تا دمای محیط گرم شده و عملیات تمپر روی آن‌ها انجام می‌گیرد. اهدف اصلی این عملیات حرارتی عبارتند از:
- کاهش یا حذف کامل آستنیت باقیمانده در ریزساختار فولاد و تبدیل آن به مارتنزیت
- افزایش سختی، استحکام و مقاومت به سایش
- پایداری ابعادی
عملیات زیر صفر فولادهای ابزار در اوایل سال 1920 به رسمیت شناخته شد و کارهای تحقیقاتی بعدی، اثرات مفید آن را بر اجزای مهندسی، به ویژه با افزایش پایداری ابعادی و عمر مفید نشان داد. بنابراین، بخش مهمی از چرخه عملیات حرارتی تجاری قطعات در چند دهه گذشته بوده است.
فرآیند زیرصفر را می‌توان به سه رژیم دمایی مختلف طبقه‌بندی کرد: عملیات سرد (دمای بیشتر از 70- درجه سانتی‌گراد)، عملیات زیرصفر کم‌عمق ( 70- تا 160- درجه سانتی‌گراد) و عملیات زیرصفر عمیق ( 160- تا 196- درجه سانتی‌گراد).
در دمای 70- درجه سانتی‌گراد می‌توان از یخ خشک برای سردکردن استفاده کرد. با این حال، اثبات شده که دما باید کمتر از این مقدار باشدس تا بتوان حداکثر بهبود را در خواص مکانیکی به دست آورد. کاربیدهای اولیه عمدتاً به عنوان M7C3 با مقدار کمی از Cr7C3 شناسایی شده‌اند. مقدار کاربیدهای ثانویه با کاهش دمای عملیات، افزایش و مقدار فاز آستنیت باقیمانده کاهش می‌یابد و در نتیجه مقدار مارتنزیت بیشتر می‌شود. افزایش مقدار مارتنزیت به طور طبیعی منجر به سختی بیشتر قطعه و رسوبگذاری بیشتر کاربید در عملیات تمپر بعدی خواهد شد.
همه انواع فرآیندهای زیرصفر به طور قابل‌توجهی مقاومت به سایش فولادهای قالب را در مقایسه با عملیات حرارتی معمولی بهبود می بخشند. با این حال، ارتقای این ویژگی توسط فرآیند کم‌عمق و عمیق به طور قابل‌توجهی بالاتر از حالت زیرصفر معمولی به دست آمده است و حداکثر بهبود توسط حالت عمیق حاصل خواهد شد.
میزان آستنیت باقیمانده در نمونه‌های کم‌عمق و عمیق، کمتر از حد تشخیص است. فرآیند زیر صفر بلافاصله پس از سخت‌کاری معمولی منجر به کاهش قابل‌توجه یا حذف تقریباً کامل آستنیت باقیمانده پس از تمپر می‌شود. میزان حذف این فاز به کمترین دمای عملیاتی بستگی دارد. همچنین فرآیند فوق، تجزیه مارتنزیت را تسریع کرده و رفتار رسوبگذاری کاربیدهای ثانویه را اصلاح کرده، تراکم آن‌ها را افزایش داده و منجر به توزیع یکنواخت‌تر آن‌ها در ریزساختارها می‌شوند؛ با این حال، ماهیت کاربیدهای ثانویه را تغییر نمی‌دهند. این تغییرات مطلوب به طور چشمگیری در نمونه‌هایی که تحت زیرصفر عمیق قرار گرفته‌اند بیشتر از سایر نمونه‌هاست. عملیات حرارتی زیرصفر در صنعت خودرو برای افزایش عمر مفید و مقاومت به سایش قطعاتی مانند چرخ‌دنده، میل‌لنگ و سوپاپ، در قالب‌سازی به منظور ارتقای دقت ابعادی قالب‌های تزریق پلاستیک و ریخته‌گری و نیز در صنعت هوافضا و پزشکی مورد استفاده می‌باشد.
Sub-zero treatments of AISI D2 steel: Part I. Microstructure and hardness
