钢的表面淬火和化学热处理研究

摘要：在社会发展的推动之下，对于钢类材料锻造的要求也逐渐提升，在对其进行处理之时，主要使用的方法有表面淬火以及化学热处理，基于此，本文论述了此两种方法应用措施。

关键词：钢；表面淬火；化学热处理

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

钢的表面淬火是将工件表层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它利用火焰或感应电流等快速加热，使钢件表层很快达到淬火温度，在热量来不及传到零件心部时立即迅速冷却。表面淬火方法很多，工业中应用最多的有火焰加热表面淬火法和感应加热表面淬火法。

1、钢的表面淬火

对钢进行表面淬火处理的一般过程为将钢材料的表面层快速加热，达到临界温度值时急速冷却淬硬至一定深度，使外部坚硬化的同时保持心部组织的初始状态，具有一定的韧性和塑性。 因此根据加热钢表面温度的方式不同，钢表面淬火方式可以分为直接加热钢表面淬火和间接加热钢表面淬火手段。

1.1、直接加热

钢表面淬火对钢类材料的表面层物质进行直接接触加热，即为直接加热钢表面淬火法。这种方法最常见的有火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火， 前者进行工作时采用乙炔或煤气和氧气的混合气体燃烧产生火焰，直接喷射到钢表面快速加热，达到淬火温度时采用喷水或其他降温液体实施冷却；后者采用高密集度的激光对钢表面进行聚焦照射加热，照射结束时激光点周围部分金属吸收大量的热，使钢表面迅速冷却，实现表面淬冷。与传统火焰淬火的方法相比，激光淬火由于其高功率的工作密度和急热急冷的工作状态转化，使钢表面的温度变化梯度高，有效形成一层极高硬度的表面淬火层，比普通表面淬火的硬度高 10%-30%，深度达到 0.1-0.3mm。 经激光加热表面淬火后的钢表面耐磨性比原始表面提高了 5 倍左右，有效延长了刚类材料的使用寿命。 与感应淬火相比，激光淬火硬度高，硬层更均匀，淬火前后工件的相对变形量小，几乎可以忽略，比较适合该曲柄的表面处理。同时激光淬火后曲柄表面粗糙度影响也较小，不需要后续磨削加工工序。另外，与中频感应淬火相比，在50N~250N的载荷条件下，激光淬火试样的耐磨性比中频感应淬火试样提高4%~21%。下图为钢材质表面经激光淬火与常规淬火后的硬度对比。

图 1激光淬火与常规淬火硬度对比曲线

1.2、间接加热

钢表面淬火未对钢类表面层物质进行直接接触加热， 而是采用其他手段，例如电磁感应等间接对钢类表面层物质进行非接触型加热，称之为间接加热钢表面淬火法。工业中有感应加热表面淬火、电加热表面淬火、电子束表面淬火和电解液加热表面淬火等。

1.3、曲柄激光淬火

零件淬火后变形是钢铁制件热处理的必然，曲柄滑槽受设计形状的限制，滑槽两内侧表面淬火后无法再加工，必须先精加工再进行淬火以满足表面硬度、光洁度和耐磨性要求，但曲柄淬火后可能出现尺寸形位超差无法保证安装精度，继而无法保证同步性技术性能。 根据工艺试验研究的结果，激光淬火后滑槽的变形很小，满足制造技术要求。但曲柄安装到同步轴上后，安装误差会叠加并放大曲柄的变形效果，有必要进一步研究如何缩小曲柄的变形量。根据以往的经验，可以采用反变形措施控制曲柄的变形量。由于加工设备的计算机控制，加工零件时可以预先在程序中设定反向的变形量，激光淬火后该部分预留量可以抵消一部分变形，而最终的形位公差会保证的更好。根据以上工艺试验结果，曲柄淬火后变形量在 0.05mm~0.08mm 之间，变形稳定且主要集中在滑槽的中部，成中间大两端小的锥形变化，具有一定规律。因此，曲柄加工时可人为地将滑槽加工 成 缩 腰 形， 中 间 控 制 在80mm+0.08mm+0.05mm ， 两 端 控 制 在80m+0.13mm+0.10mm。综合曲柄淬火后的变形，滑槽最终的变形量几乎可以控制在 0.03mm 以内，达到了理想的效果。

2、钢的化学热处理

化学热处理是钢的表面热处理工艺中至关重要的一种技术手段。 不同于表面淬火，化学热处理是将钢材料放到含有某些化学物质的介质中进行加热保温，使介质中的化学原子渗入钢表层或形成某种化学覆盖层，改变钢表面的化学成分，从而使钢材料的表面达到特定的性能。 在对钢表面进行化学热处理之前，通常会结合其它热处理工艺，以使渗透层结合处达到钢表面和内部在组成性能方面的完美过渡。 化学热处理的方式较多，根据掺入元素的不同，钢的化学热处理可以分为渗碳、渗氮、渗铝、渗铬、碳氮共渗、铝铬共渗等。采取不同的掺入元素可以使钢得到不同的表面特性，掺入碳氮可以提高钢表面的硬度和耐磨度，掺入铝铬可以提高钢表面的耐热性和抗氧化性。

2.1、渗碳、碳氮共渗

研究了利用有机废弃物进行钢材固体渗碳。采用经碳化处理的动物骨灰、土豆、南瓜、茄子等处理的SISC钢材的结果表明，表面附近可观察到马氏体组织，说明尽管是废弃物，也可作为固体渗碳处理的碳赋予剂而加以应用。另外，在使用天然气的直接渗碳法方面，研究了降低发生炭黑的对策。在天然气中加人水分，研究了炭黑的发生状况与间障式碳浓度等。结果表明，天然气中掺入水分能够抑制炭黑的发生，炭黑的发生量随着水分的增加而显示出减少的趋势。此外，已确认了即便实施炭黑的抑制对策，对于碳浓度分布也不产生影响。有报告称，研究了只对钢板一侧渗碳，钢板发生弯曲的机理。使用经切削的SCr420钢材，于热处理仿真技术，求出了弯曲的机理，结果显示在热处理炉中发生弯曲，但是，碳浓度分布与仿真结果并不一致，不能得到有意义的结果。研究了活性网板等离子碳化(渗碳)处理，通过ASP处理并实施了渗碳处理的结果表明，其表面可形成S相，具有像氮化那样倾斜的硬度分布图(曲线)，获得了显示良好的承载特性结果。在采用丙烷气体实施真空渗碳方面，在渗碳期间，钢材表面生成的炭黑成为渗碳时的碳供应源并持续到扩散期已成为清楚明了的事实。在真空碳氮共渗处理方面，研究了处理温度、引人NH，浓度等工艺参数对间隙式含氮量的影响。其结果表明，在引入NH，体积浓度为28%的条件下，显示出处理温度越高，间隙式含氮量越少的趋势。这样的现象是由于处理炉内的NH。分解，炉内剩余NH3浓度变低的缘故。

2.2、氮化处理

有研究报告称，在Fe-N状态图中，当加热到奥氏体区域的状态时，间隙式扩散氮之后，作为新的处理工艺，进行N一淬火时使用了氮等离子。使用S15C和S35 C钢，在减压炉中加热到25090，进而均热化之后，将电压升至700 V，使氮气等离子化，在约2h处理后于80℃的油中进行了淬火。其结果表明，就氮化分压而言，分压越高，活性氮离子越多，所以，氮的间隙扩散效果显著。另外，由于钢材种类带来的影响，随着含碳量的不同而显示影响不同的趋势。现已证明，含碳量越高，越能促进氮的扩散。至于铁素体系的不锈钢，在1 100℃一1 200℃的氮气气氛中加热1h后，再进行氮气冷却的试样，求出了金属组织及间隙式氮含量等。结果表明，可获得由表面吸收了氮的改性层，可知其厚度(指改性层)随温度与时间不同而有差异。在氮气气氛中进行热处理，研究了其微观组织及力学特性。

3、结语

由于化学热处理时化学原子会与钢表面直接接触，对处理的技术性要求较高，因此钢表面的油污，渗碳设备的漏气，甚至不达标的空气质量都会对钢表面的化学热处理效果产生影响。

参考文献

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