淺談中國熱處理工藝方法的發(fā)展趨勢和主要存在問題

劉春菱

（新城光大熱處理有限公司，江蘇 常州 213161）

1 鋼的熱處理工藝方法

1.1 退火

退火和淬火均屬于預(yù)先熱處理，是在鑄造和粗加工之間而開展的一種熱處理工藝方法，目的是消除鑄造的缺陷，提高金屬性能，同時(shí)為粗加工提供一定的溫度環(huán)境。退火指的是將工件加熱到某一臨近溫度時(shí)，隨后經(jīng)過保溫、冷卻而使金屬組織結(jié)構(gòu)達(dá)到某種所需平衡狀態(tài)的一種熱處理工藝方法，退火按其工藝目的和原料成分可以分為：完全退火、球化退火、等溫退火、去應(yīng)力退火和均勻化退火五種類型，完全退火在時(shí)間上消耗最長，完全退火主要應(yīng)用于含有亞共析成分的工件以及熱軋型材等，大多被用于預(yù)先熱處理；球化退火屬于不完全退火，球化退火主要應(yīng)用于共析鋼和合金工具鋼，這種工藝方法通過使鋼寧的碳化物球化，從而降低硬度的同時(shí)提高其塑韌性；等溫退火所需要的時(shí)間較完全退火所需時(shí)間短，這使得熱處理爐的效率大幅度提升，但是由于收到工件尺寸和設(shè)備條件等多方面的限制，等溫退火的應(yīng)用率較低；去應(yīng)力退火屬于無相變的退火，它通過減小工件在加工處理過程中所產(chǎn)生的切應(yīng)力，從而增強(qiáng)工件抗形變能力，一般應(yīng)用在精加工和猝火之間進(jìn)行，此過程中需要嚴(yán)格控制加熱溫度；均勻化退火指的是將工件的加熱溫度固定于臨界線之下，主要應(yīng)用于某些含有偏析成分的工件。

1.2 正火

正火和完全退火的原理基本相似，主要區(qū)別是熱處理所需要的冷卻溫度條件，正火冷卻速度比完全退火的冷卻速度快，正火所得到的屬于非平衡組織，而完全退火得到的則屬于平衡組織，正火被廣泛應(yīng)用于消除網(wǎng)狀碳化物的加工處理，對于碳含量在0.4%以下的工件，均可使完全退火被正火取代，正火也普遍應(yīng)用于預(yù)先熱處理。

1.3 淬火

淬火本質(zhì)上指的是工件經(jīng)過奧氏體化隨后冷卻而實(shí)現(xiàn)馬氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的過程，淬火的意義在于提高工件的硬度、增加其耐磨性，淬火受到溫度和冷卻介質(zhì)的影響，淬火時(shí)的溫度主要根據(jù)工件的化學(xué)成分確定，而冷卻介質(zhì)是淬火過程中最關(guān)鍵的因素，常用冷卻介質(zhì)的冷卻能力由高到低依次是鹽水、水、油，進(jìn)行淬火需要保證的原則是：保證奧氏體的冷卻同時(shí)實(shí)現(xiàn)馬氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，避免工件產(chǎn)生較大的變形。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出新型的淬火介質(zhì)，但是水和油仍然是應(yīng)用最廣泛的淬火介質(zhì)，水具有較好的冷卻能力，而油的冷卻能力隨溫度升高而降低，淬火的最大優(yōu)點(diǎn)是形變小，組織性能高。

1.4 回火

回火屬于熱處理工藝的最基本工序，具體指的是淬火后將工件加熱到臨界溫度，最終再冷卻至室溫的方法，回火的意義主要是消除淬火而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件的組織性能，回火和淬火相結(jié)合，可以滿足工件的基本性能。回火共包括三種類型：低溫回火、中溫回火、低溫回火，低溫回火可以降低工件的殘余應(yīng)力、脆性，同時(shí)提高工件的硬度和耐磨性；中溫回火可以提高工件的可塑性和韌性，高溫回火可以完全消除殘余切力。

2 中國熱處理工藝方法的發(fā)展趨勢

2.1 降低熱處理溫度的工藝方法

2.1.1 降低熱處理溫度進(jìn)行熱處理的依據(jù)

根據(jù)《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》，對目前常用鋼號作出具體熱處理規(guī)定，針對不同類型的工件，對熱處理溫度作出不同的規(guī)定，針對碳素鋼，其最佳熱處理溫度為600℃～640℃，同時(shí)，為了提高工件的組織性能，該文件中有規(guī)定降低熱處理溫度，同時(shí)增加保溫時(shí)間。《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，該文件中對熱處理溫度以及保溫時(shí)間等問題做出了綜合性說明，降低熱處理溫度，同時(shí)延長熱處理保溫時(shí)間可以有效保證設(shè)備安全，同時(shí)又不影響工件的組織性能。

2.1.2 降低熱處理溫度，延長保溫時(shí)間的具體規(guī)定

如果碳素鋼或者高強(qiáng)度型合金工件熱處理溫度低于所規(guī)定的臨界溫度時(shí)，需要根據(jù)《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》文件中所顯示的與所規(guī)定的臨界溫度相差的溫度數(shù)值來確定最短保溫時(shí)間，例如比所規(guī)定的臨界溫度低25℃時(shí)，則需要提供最短保溫時(shí)間為兩小時(shí)，同時(shí)最短保溫時(shí)間又受到熱處理工件的厚度影響，當(dāng)熱處理工件的厚度每增加25mm時(shí)，則需要相應(yīng)的延長縮短保溫時(shí)間15min。

2.1.3 熱處理時(shí)設(shè)備的安全可靠性

第一，與金屬材料高溫機(jī)械性能有關(guān)的數(shù)據(jù)，一般有弓箭的最高使用溫度來衡量金屬材料高溫機(jī)械性能，大多工件隨溫度的升高，機(jī)械性能強(qiáng)度呈下降趨勢。第二，五百攝氏度熱處理溫度下金屬材料許用應(yīng)力的確定，主要是受長期強(qiáng)度制約，導(dǎo)致大多剛才在高溫下的許用應(yīng)力較低，也可采用屈服強(qiáng)度作為指標(biāo)來確定處理時(shí)的許用應(yīng)力。第三，500℃熱處理時(shí)設(shè)備的強(qiáng)度校核，通過最重的熱處理爐計(jì)算許用應(yīng)力來確定設(shè)備是否安全。第四，選取合理的降低溫度數(shù)值，需要綜合施工效率，安全可靠性以及熱處理時(shí)的許用應(yīng)力等多種因素共同考慮，最后實(shí)現(xiàn)安全和熱處理效能共同提高。

2.2 高溫下分區(qū)分段熱處理工藝方法

2.2.1 方法說明

將待熱處理的工件等分為八份，每部分相鄰分別稱為A區(qū)和B區(qū)，首先對所有部分均進(jìn)行熱處理，待整體溫度上升到臨界溫度時(shí)，僅對A區(qū)進(jìn)行加熱，B區(qū)保持臨界溫度保溫處理，最后將A區(qū)溫度下降至臨界溫度，保溫一段時(shí)間后，僅對B區(qū)進(jìn)行加熱，而保持A區(qū)溫度不變，隨后將B區(qū)溫度迅速下降至臨界溫度，最終在所有區(qū)域內(nèi)同時(shí)進(jìn)行降溫處理。

2.2.2 分區(qū)分段熱處理方法的效果和優(yōu)點(diǎn)

分區(qū)分段熱處理可確保工件在熱處理過程中，設(shè)備安全可靠，同時(shí)需要注意A區(qū)、B區(qū)分區(qū)分段熱處理是在較高溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行的加熱，所以A區(qū)、B區(qū)在熱處理過程中，兩者溫差較小，在一定程度上減小了過大溫差應(yīng)力的作用，在實(shí)際熱處理過程中，可以適當(dāng)?shù)奶岣吲R界溫度，緩解熱量的損失帶來的誤差，同時(shí)進(jìn)一步減小溫差應(yīng)力。

3 中國熱處理工藝方法的主要存在問題

3.1 滲碳層濃度過高

滲碳層濃度過高主要是滲碳層在淺層中存在塊狀碳化物或者有網(wǎng)狀碳化物眼晶界分布，其產(chǎn)生的主要原因是加工處理過程中滲碳爐內(nèi)的爐氣碳勢過高，導(dǎo)致爐內(nèi)外氣壓不相平衡，最終導(dǎo)致爐內(nèi)向外滴油量太多；另外，加工處理過程中在滲碳擴(kuò)散階段的擴(kuò)散能力不充分，導(dǎo)致在擴(kuò)散過程中擴(kuò)散溫度不均勻或者擴(kuò)散時(shí)間過短或過長。為了改善滲碳層濃度過高的現(xiàn)象，可以合理控制滲碳爐的爐內(nèi)氣壓，及時(shí)調(diào)整滲碳劑的滴速，另外，在熱處理過程中根據(jù)實(shí)際情況合理延長或者縮短擴(kuò)散時(shí)間。一旦發(fā)生了滲碳層濃度過高的情況，可以使擴(kuò)散過程處于900℃～920℃之間，通過控制合理的溫度消除過多的碳化物，對于分布的網(wǎng)狀碳化物眼晶界，可以通過二次加熱淬火消除。

3.2 滲碳層濃度過低

滲碳層濃度過低，主要表現(xiàn)為，在退火狀態(tài)時(shí)，滲碳層組織呈現(xiàn)亞共析狀態(tài)，其次，在淬火后工件脆性較高，硬度不夠。其主要原因是，在滲碳過程中，爐內(nèi)氣碳勢過低，工件裝爐量過大，或者爐內(nèi)氣循環(huán)不良。針對滲碳層濃度過低這個(gè)問題，需要將爐氣碳勢嚴(yán)格控制在所需要的范圍內(nèi)，另外，需要減少工件的裝爐量，對爐內(nèi)氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行完善，在工件裝爐時(shí)，盡量保證工件間隙的均勻，必要時(shí)使用鐵塊進(jìn)行校正。在實(shí)際操作過程中，如果出現(xiàn)滲碳層濃度過低的現(xiàn)象，可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和現(xiàn)有技術(shù)上，允許重新滲碳，對其進(jìn)行補(bǔ)滲。

3.3 表面脫碳

表面脫碳主要表現(xiàn)為，在檢驗(yàn)過程中，工件出現(xiàn)硬度偏低，但在拋光后硬度檢驗(yàn)合格，或者，在金相組織表層可觀察到屈氏體、鐵素體或索氏體等，其主要原因有，工件滲碳后，在冷卻處理過程中，由于工件堆放重疊的原因?qū)е鹿ぜ鋮s時(shí)間較長，或者再重新加熱淬火時(shí)，爐氣碳勢較低，造成工件表面脫碳的現(xiàn)象。針對表面脫碳這個(gè)問題，工件在冷卻過程中，避免其密集堆放，通過加快空氣流通的方法，減少冷卻所需要的時(shí)間，也可以通過嚴(yán)格控制加熱介質(zhì)的碳勢，在實(shí)際操作過程中，如果出現(xiàn)表面脫碳的現(xiàn)象，當(dāng)脫碳層低于磨削余量，則可允許其通過，當(dāng)脫碳層高于磨削余量，則需要對其進(jìn)行報(bào)廢處理。

3.4 材料裂紋

材料裂紋主要表現(xiàn)為，裂紋順工件軸向內(nèi)直線延伸，裂紋幾乎無彎曲，呈直線狀態(tài)，甚至可達(dá)到與工件長度一致，材料裂紋主要是由于原材料存在缺陷，對于工件材料產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，為了保障熱處理之后的工件可以正常投入使用，大多不建議對裂紋進(jìn)行修復(fù)，在實(shí)際操作中，一般對存在裂紋的原材料進(jìn)行報(bào)廢處理，以便于其進(jìn)行再生產(chǎn)。

3.5 滲碳層超差

滲碳層超差，主要表現(xiàn)為滲碳層在深度指標(biāo)上存在過深或過淺的偏差，其主要原因是熱處理過程中滲碳溫度控制不當(dāng)，滲碳溫度存在偏高或偏差的現(xiàn)象，另外，滲碳時(shí)間無法準(zhǔn)確掌握，存在過長或過短的現(xiàn)象，針對滲碳層超差這個(gè)問題，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常校對爐溫，同時(shí)，利用電子設(shè)備對滲碳時(shí)間嚴(yán)格控制，一旦出現(xiàn)滲碳層超差的現(xiàn)象，可以對滲碳層進(jìn)行過厚報(bào)廢，或者在滲碳層過淺時(shí)，允許其實(shí)施補(bǔ)滲。

3.6 滲碳層深度不均勻

滲碳層深度不均勻主要表現(xiàn)在，觀察工件橫切面時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，滲碳層深度和厚度呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，其主要原因有，工件表面往往附有積灰或臟物，或者工件表面之間存在相互疊加，而使在相鄰工件之間產(chǎn)生相互作用力，兩者之間長期相互作用，會(huì)導(dǎo)致工件發(fā)生形變，裝爐不規(guī)范也會(huì)導(dǎo)致滲碳層深度不均勻。為了消除滲碳層深度不均勻的現(xiàn)象，可以在保證滲碳深度不超差的前提下，合理降低熱處理溫度，通過降低溫度，實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)滲。

4 結(jié)語

金屬熱處理是機(jī)械制造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，熱處理工藝大多是通過對工件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)以及工件表面的化學(xué)成分進(jìn)行加工處理，而不改變工件的整體化學(xué)成分，以及表面形狀，通過微觀結(jié)構(gòu)改善了工件的組織性能。隨著國際經(jīng)濟(jì)形勢的逐漸好轉(zhuǎn)，國家不斷完善內(nèi)需政策的調(diào)控，我國，鋼的供求關(guān)系逐漸趨于平衡，需要不斷加強(qiáng)對熱處理工藝的研究，提升我國熱處理工藝的整體水平。