試析鋼表面淬火和化學熱處理

陳楊，袁群星

（1.浙江萬里揚變速器股份有限公司，安徽蕪湖241000；2.蕪湖奇瑞變速箱有限公司，安徽蕪湖241000）

試析鋼表面淬火和化學熱處理

陳楊1，袁群星2

（1.浙江萬里揚變速器股份有限公司，安徽蕪湖241000；2.蕪湖奇瑞變速箱有限公司，安徽蕪湖241000）

鋼的熱處理技術工藝能使鋼結構的內部組織結構發(fā)生巨大的物理變化，可大大改變鋼材的具體屬性。本文主要從鋼結構加工處理過程中的熱處理技術曲線圖著手進行分析，著重分析了鋼表面的淬火和化學熱處理技術方式以及其在技術處理過程中呈現(xiàn)出來的主要特點。與此同時，還闡述了不同加工制造技術在實際工業(yè)加工制造過程中的具體運用。

鋼表面；淬火；化學熱處理；技術工藝

鋼結構的熱處理技術一般情況下主要是指在固態(tài)下對其進行加熱和保溫以及冷卻技術處理，從而使鋼結構的內部組織形態(tài)發(fā)生本質變化，不斷改變鋼的具體形態(tài)和性能。實踐證明，鋼表面淬火以及化學熱處理技術工藝，不僅可以優(yōu)化鋼材的具體使用性能，而且可以充分發(fā)揮鋼材的具體材料優(yōu)勢，進而延長模具以及相關零器件的使用周期，提高產品的質量、節(jié)約鋼材。與此同時，鋼表面經(jīng)過淬火以及化學熱處理，可以不斷優(yōu)化加工工件的工藝性能，大力提高勞動生產的效率以及質量。對此，本文研究的主要目的是探析鋼表面淬火和化學熱處理技術工藝運行的相關機理，以此為生產工藝以及鋼材料性能優(yōu)化提供科學的理論分析視角。

1 鋼表面淬火和化學熱處理的必要性分析

由于鋼材料在各種熱處理技術工藝流程中，都包括加熱以及保溫和冷卻三個不同的技術處理環(huán)節(jié)。因此，通常情況下，可以采用溫度以及時間坐標軸圖形來科學表示鋼表面的熱處理技術狀態(tài)，具體如圖1所示[1]。

圖1 鋼的熱處理曲線圖

由于齒輪以及曲軸等機械部件，要求在摩擦運行條件下以及動力荷載運行條件下，其表面具有良好的耐磨性以及很高的硬度，而且保證其心部結構具有良好的韌性以及塑性，如常見的拖拉機以及汽車的傳動齒輪。為了保證這種齒輪在運行工作中，具有良好的耐磨性，要求其實際的表面硬度為HRC58 -64；與此同時，為了使這些零部件的心部具有足夠的柔韌性以及屈服強度，通常情況下，其實際的運行硬度為HRC40.

通過實踐可以發(fā)現(xiàn)，在實際的工作中，如果只是通過在設備材料的選型方面進行質量控制，其實很難使上述零部件在實際運行過程中達到以上要求指標。但是，采用高碳鋼進行技術處理，雖然可以達到上述要求中的韌性指標，但是，其實際的表面硬度卻難以達到具體的要求指標，而且耐磨性不好[2]。因此，在這種情況下，我國工業(yè)加工制造過程中，經(jīng)常采用淬火以及化學熱處理技術工藝，對上述問題進行控制與處理。

2 鋼表面淬火技術工藝分析

鋼表面淬火主要是指將鋼材等加工工件的表面層淬硬到一定的程度，而使鋼材工件的心部則從始至終保持一種未淬火的物理狀態(tài)。通常情況下，鋼表面淬火技術工藝又可分為火焰表面淬火技術與感應加熱表面淬火技術工藝兩種處理方式。

2.1 火焰表面淬火

火焰表面淬火主要是采用“乙炔—氧或煤氣—氧”三種物質的混合物燃燒時的火焰，將其噴射于加工零件的表層中，使零件表面迅速升溫。當工件的實際溫度達到淬火溫度之后，立即采用乳化液以及通過噴水的技術方式，將加工零件充分冷卻。通常情況下，采用火焰表面淬火技術對工件進行處理時，有一定的條件，比如含碳量在0.3%~0.7%之間的鋼件才能采用火焰表面淬火技術進行處理。一般火焰表面淬火技術處理時，經(jīng)常采用的鋼材為45#號鋼以及35#號鋼兩種。除此之外，常用的還有型號為40Cr以及65Mn的合金結構鋼等。如果鋼結構的實際含碳量不能達到上述指標要求，則在采用火焰表面淬火技術進行處理時，容易導致鋼材出現(xiàn)嚴重的淬裂現(xiàn)象[3]。因此，采用火焰表面淬火技術對鋼材進行處理時，火焰表面淬火的淬透層實際深度為2~6 mm.從實踐應用中可以發(fā)現(xiàn)，這種處理技術工藝，不僅操作過程十分簡單，而且淬火的速度較快，鋼結構的變形程度較小。所以，這種技術處理工藝非常適用于一些局部出現(xiàn)嚴重磨損的行車走輪以及軌道和齒輪、軸等加工工件的表面淬火處理。而且對于一些大型的工件進行科學處理效果更好。但是，這種處理技術工藝也具有一定的缺點，比如火焰表面淬火容易產生過熱的情況，從而導致淬火處理的技術不穩(wěn)定。

2.2 感應加熱表面淬火

如圖2所示，感應加熱表面淬火的加熱技術原理是在一個導體線圈中，通過一定頻率的交流電，在導體線圈中形成一個頻率相同的交變磁場。如果將需要加工的技術工件置于這一交變磁場中，在待加工的工件中就會立刻產生與交變磁場線圈電流運行方向相反或者相同的一種感應電流。這種感應電流可以形成一種熱能，從而使待加工的工件產生熱能效應，最終形成渦流。

圖2 鋼表面淬火技術工藝中的感應加熱表面淬火技術原理圖

從渦流的實際形成過程中不難看出，感應加熱表面淬火技術，主要是利用了渦流形成過程中的能量轉化效應，使電能和熱能進行科學轉化，最終使需要淬火加工的工件產生熱量。一般而言，在需要加工的鋼材工件表面會形成大量的渦流，這種渦流的運行頻率非常高，如果電流在工件表面集中到一定程度，則會產生一種新的效應，即集膚效應。通過集膚效應的形成原理，只需要將需要加工的工件置入感應裝置中，就會形成強大的感應電流。當待加工的工件表面層快速加熱到淬火溫度之后，迅速通過水來進行冷卻處理，以此得到細針狀的馬氏體組織，這一技術處理過程就被稱為感應加熱表面淬火處理技術。

從上述具體的處理技術工藝中不難看出，感應加熱表面淬火加工技術工藝的加熱速度很快。通常情況下，由室溫加熱到淬火的溫度，期間只需要經(jīng)過幾秒鐘或者幾十秒的時間。因此，感應加熱表面淬火技術與一般的處理技術工藝相比，其只能在更高的運行溫度中進行組織的轉變，而且淬火技術處理之后，鋼工件的表面物理性能更佳。由于感應加熱表面淬火法的加熱速度非?？?，因此能夠減少鋼材表面的脫碳以及氧化現(xiàn)象，特別是在淬火技術處理過程中，技術人員能夠對感應加熱表面淬火的淬透層深度進行更好地掌控，從而使淬火技術操作的整個過程實現(xiàn)了自動化以及機械化。

3 鋼表面化學熱處理技術工藝分析

鋼表面化學熱處理技術工藝與鋼表面淬火技術工藝不同，化學處理技術工藝主要是指，將需要加工的工件置于某種化學介質中進行加熱，使其快速升溫，從而促進鋼結構表層性能不斷提高的一種熱處理技術工藝。當前，我國工藝加工和制造領域，經(jīng)常采用滲氮以及滲碳和碳氮共滲技術進行化學處理，其化學處理的主要目的是，強化鋼結構的表面，進而不斷提升鋼的表面硬度以及抗疲勞損傷性能及耐磨性。在此處理過程中，采用滲氮技術同樣也可以提升鋼的耐腐蝕性以及熱硬性。但是，在采用化學熱處理技術工藝對鋼表面進行加工處理時，需要分別經(jīng)過分解、吸收以及擴散三個主要的技術流程[4]。

首先，在分解階段，化學介質可以在一定的運行溫度下，通過發(fā)生相應的化學反應，迅速生成一種活性原子從而滲入鋼表面。與此同時，在化學熱處理過程中，通過催化劑可以增加化學反應介質的活性，從而有效降低化學反應過程中的運行溫度，以此來縮短化學反應的時間。

其次，在吸收階段，經(jīng)過化學反應析出的活性原子，能夠被僅僅吸附于鋼結構的表面中，然后將鐵的晶格融入其中。通常而言，通過將氮以及碳等原子半徑較小的非金屬元素融入鐵中，能夠形成一種新的間隙固溶體，而金屬元素大多形成置換固溶體。在最后的階段也就是擴散階段，鋼表面所吸收的活性原子能夠大大提升滲入元素的實際濃度。在此過程中，會使鋼結構的表面以及外部形成巨大的濃度差。因此，在一定的溫度運行前提下，原子會朝著濃度不斷降低的方向進行擴散，最終會形成具有一定厚度的擴散層。

3.1 滲碳技術工藝

滲碳技術主要是向鋼表面層中滲入碳原子，也就是將需要加工的鋼件放入滲碳氣體中。通過在溫度為930℃的環(huán)境下進行加熱并保溫，從而使鋼結構的表面層增碳化。采用這種技術處理工藝，需要保證鋼件的實際含碳量在0.15%~0.25%之間。通常采用的鋼材為低碳合金鋼與低碳鋼兩種；而滲碳層的實際深度一般在0.5~2.5 mm之間；滲碳層的實際含量達到0.7 ~1.05時，為滲碳技術處理的最佳運行條件。而一般采用的滲碳技術工藝主要為氣體滲碳法，其主要的操作原理為：在含碳氣體的活性介質中進行滲碳技術處理，不僅能夠大大提升鋼表面的滲碳效率，而且容易對整個滲碳技術工藝的操作流程進行科學控制，從而實現(xiàn)滲碳技術處理的自動化以及機械化，圖3所示。

圖3 鋼表面化學熱處理技術中的滲碳技術工藝原理圖

3.2 滲氮技術工藝

滲氮技術主要是將氮這一種氣體滲入到鋼件表面的一種處理技術。當前我國工藝處理中，主要以氣體滲氮為主。其主要的技術處理原理是，在溫度為500~600℃的運行條件下分解出活性的氮原子，從而被鋼表面所吸收，然后向其周圍進行不斷擴散，最終形成滲氮層。一般而言，滲氮技術與滲碳技術相比，工件的表面硬度以及耐磨性和抗疲勞能力更強。與此同時，大大提升了鋼件的抗腐蝕性能。

4 結束語

鋼的熱處理技術已經(jīng)由傳統(tǒng)的單一處理技術逐漸發(fā)展到現(xiàn)代化的復合處理技術，從而使鋼材料具有優(yōu)良的使用性能。與此同時，鋼材料通過表面淬火技術處理與化學技術綜合處理，當多種元素共滲時，能夠顯著加快其實際的滲入速度。因此，隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，多元素復滲入技術，已經(jīng)在我國的工業(yè)生產領域得到了非常廣泛的應用，而且在實踐應用中發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。所以，相信我國工業(yè)制造加工技術還會在此基礎上取得更大的進步，從而為鋼材的性能優(yōu)化以及表面淬火及化學熱處理技術工藝的實施奠定積極的基礎。

[1]廖一峰，彭樟林.鋼表面化學鍍Ni/金剛石復合膜后淬火回火工藝的研究[J].熱加工工藝，2010，39（20）：158-160.

[2]趙作福，周影，齊錦剛，王建中.Cr12MoV鋼表面化學熱處理的研究進展[J].新型工業(yè)化，2015，5（11）：1-7.

[3]洪桂香.模具表面化學熱處理工藝的透析[J].特鋼技術，2015，21（04）：1-7.

[4]R.Zenker，顧劍鋒.電子束淬火與滲氮的復合熱處理技術[J].熱處理，2012，27（04）：48-53.

Analysis of the Chemical Heat Treatment and Surface Hardening Steel

CHEN Yang1，YUAN Qun-xing2
（1.ZhejiangWanliyang Transmission Co.，Ltd.，Wuhu Anhui 241000，China；2.Wuhu Chery Transmission Co.，Ltd.，Wuhu Anhui 241000，China）

Steel heat treatment process technology enables the internal organizational structure of the steel undergoing dramatic physical changes can significantly alter the specific properties of steel. This article from the steel processing during heat treatment technology to proceed with the analysis graph，which analyzes the chemical hardening and heat treatment technology and the way the steel surface of its main features presented in the technical process. At the same time，also described the different manufacturing techniques used in specific practical industrial manufacturing processes.

steel surface；hardening；chemical heat treatment；technological processes

T G156.3

A

1672-545X（2016）09-0124-03

2016-06-24

陳楊（1979-），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，主管工藝規(guī)劃師，研究方向為熱處理工藝技術和生產技術研究。