深冷处理（Cryogenic Treatment）是传统热处理工艺的延伸：钢件淬火后继续在极低温环境中冷却，工业上常用温度区间为 -80℃至 -196℃，通常以液氮作为冷源。Grupo TTT 等行业资料指出，深冷处理一般作为淬火与回火之间的补充工序，不改变淬火的基本工艺，而是通过长时间的低温保温让组织在热力学上达到更稳定的状态。PMC（美国国立卫生研究院）2024 年的综述文章系统总结了深冷处理的机理：一方面，淬火后残余奥氏体在低温下继续转变为马氏体，消除了后续使用中可能发生的组织转变和尺寸变化；另一方面，超细碳化物在马氏体基体上均匀弥散析出，这些纳米级颗粒显著提高了材料的耐磨性和强度。
深冷处理最直接的效果是提升耐磨性和延长工件寿命。Firouzdor 等人在 M2 高速钢钻头的对比试验中发现：仅做深冷处理的钻头寿命提高 77%，深冷处理后再回火的钻头寿命提高 126%；磨损率测试表明，深冷处理抑制了扩散磨损，原因正是超细碳化物的形成和残余奥氏体的消除。另一项针对 Fe-0.35C-6.3Cr 马氏体钢的研究显示，深冷处理后耐磨性提高约 25%，且磨损机制从磨粒+黏着+疲劳复合磨损转变为单一的磨粒磨损，说明表面组织更均匀、更稳定。在工具和模具领域，深冷处理已被证明可提高硬度、红硬性和抗回火稳定性，从而显著延长刀具和模具的服役寿命。
深冷处理的工艺控制有几个关键要点：降温速度不宜过快，通常控制在 1-3℃/min，避免因热应力导致零件开裂；在最低温度（-180℃至 -196℃）保温时间根据零件尺寸和材料在 24 至 72 小时之间；保温结束后以同样缓慢的速度回升至室温，随后必须进行一次或多次回火，让组织稳定下来。深冷设备一般采用程序控制深冷箱，液氮自动喷入制冷，配多点温度记录和搅拌风扇，保证箱内温度均匀。对于大型零件和高合金工具钢，深冷处理通常与真空淬火炉配套使用，形成"真空淬火—深冷—回火"的完整工艺链。
在应用层面，深冷处理广泛用于刀具、模具、轴承、齿轮、量具、弹簧、汽车精密零件和军工航空零件。对于轴承钢（GCr15）和渗碳齿轮，深冷处理能显著提高尺寸稳定性和接触疲劳寿命；对于高速钢和冷作模具钢，深冷处理在保持韧性的同时提高耐磨性，减少崩刃和早期失效。国内工业炉企业在配套深冷处理设备时，应根据零件材料、尺寸和批量，提供从程序降温、保温时间、回升速率到回火次数的完整工艺方案，并与淬火炉、回火炉组成自动化生产线，确保每一批次零件的组织和性能一致。