特种钢耐磨技术取得成果

第三节　耐磨先做“面子活”

表面工程作为一个较新的研究领域，近年来硕果累累，其产业化也是方兴未艾。目前，我国在热喷涂涂层、EB—PVD涂层、 自蔓延高温合成涂层及扩散涂层等抗冲蚀磨损防护涂层方面的研究取得了很大进展。耐磨损作为表面工程材料技术的主要应用领域之一，特别是对于某些只有表面磨损的零件，表面工程更显出其重要意义。这些技术的发展，为耐磨钢提供了广阔的开发前景。

激光表面处理技术以加热速率高、温度高、热影响区小、可局部加热、处理后材料冷却速度快而晶粒细小、可机械化自动化操作、无污染等优点，越来越被人们所重视。研究人员已经开始将激光淬火、激光表面熔凝处理、激光表面合金化、激光熔覆等激光处理技术应用到耐磨钢领域，并取得了一定的进展。

近年来，钢铁材料表面强化（润化）技术发展很快，有关新技术、新工艺层出不穷，利用各种表面强化技术可以改善工件的耐磨耐蚀、抗疲劳等性能，可以用多种方法在钢铁材料表面形成强化层，以价格较低廉的基体材料取代昂贵的合金钢、稀有金属或合金。

渗碳、碳氮共渗、渗氮（包括软氮化、离子氮化等）等工艺目前仍然是强化机械零件的主要措施。特别是渗碳技术，因操作简便、工艺可靠、无公害、成本较低，所以应用最广。近年来，各国都在致力于对这种工艺过程进行更精确控制的研究工作，同时，为适应某种特定零部件热处理的需要，提高整套装备操作的机械化、 自动化程度也是研究的方向之一。此外，采用共渗、复合渗工艺，缩短工艺周期也是零件表面强化、润化工作的主要发展方向之一。

经过渗碳工艺处理的廉价钢材（如中碳钢）可以代替合金工具钢，合金工具钢如再经渗硼则零件的耐磨性可以进一步得到提高。钢与经渗硼处理的45号钢在相同条件下磨损量的比较，可以发现后者的磨损量远低于含铬、锰合金的钢种。由于渗硼工艺较简单、易于实施、具有良好的技术经济效果，作为一种实用的表面强化技术，越来越受到重视。钢件的表面渗硫处理也是一种简便易行、经济可靠的表面处理方法。

热喷涂（喷焊）、堆焊等工艺正逐渐成为工业上常用的钢铁材料抗磨、面蚀的技术措施。热喷涂可使用各种材料（氧化物、硼化物、碳化物等）制成高耐磨涂层，是一种简易的表面冶金法，在零件表面上获得预定成分的表面层，可以喷涂增加表面润滑性能。而且，可以反复喷涂，对修复磨损极为方便。

喷焊则是在喷涂的基础上，使工件表层发生薄层熔化，而与所喷射的熔化材料形成冶金结合，其结合力比喷涂要大得多，且致密性好，因此可用于承受冲击、冲刷的工件。在钢轨磨损处喷焊铁基自熔性合金，用于提高抗表面疲劳磨损已取得了优良效果。电刷镀也是近年来发展很快的一种表面强化技术。(www.xing528.com)

耐磨性不是钢铁材料本身固有的特性，而是一个系统工程问题，材料性能只是衡量耐磨性的一个重要方面。此外，它还与应力状态、表面形貌、润滑条件、温度、湿度、环境与介质的化学作用等一系列因素有关。摩擦、磨损学涉及接触体的力学、弹性流体动力润滑理论、金属强化、塑变及断裂、特殊条件下的相变、疲劳理论、表面物理及物理化学以及腐蚀等基础理论问题，是个复杂的多学科问题。材料的摩擦与磨损至今仍然是一个年轻的、不很成熟的学科，还提不出系统完整的理论或定律对生产实践进行指导，人们还得从大量的实验数据中去寻找提高材料耐磨性的途径和规律。

在实际生产中，有很多零件是在摩擦、冲击和交变载荷的冲击环境下工作，耐磨钢就是这样。我们希望零件的表面硬度很高，有较高的耐磨性和抗疲劳强度，而心部则要求有较好的塑性和韧性。例如齿轮工作时，表面接触到的力很大，摩擦特别严重，要求表层硬度高，然而，齿轮内部则要通过轴传递动力、冲击力，即心部要求较高的塑性和韧性。很多钢材硬度足够却无法拥有足够的塑性和韧性，有了塑性和韧性却又不够硬，怎样才能两全其美呢？这时，做好所谓的面子活就显得十分必要了。解决这一问题的方法就是钢的表面淬火（表面热处理）和化学热处理。

钢的表面淬火一般分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火等。表面淬火使工件表层得到高硬度的淬火马氏体，而心部仍然保持原有的韧性。

使用火焰加热表面淬火，是一种常用的表面淬火方法。采用乙炔—氧（或煤气—氧）的混合气体燃烧的火焰迅速加热工件表面，至淬火温度后快速冷却（如喷水）的淬火工艺，叫火焰加热表面淬火。淬硬层深度一般为2～6毫米。这种淬火方法设备简单，操作方便，成本低廉，特别适用于大型工件、单件、小批量生产。但加热温度较难控制，因而淬火质量不稳定。

感应加热表面淬火，是将工件放在通有高频（中频、工频）电流的线圈中，利用感应电流通过工件产生热效应（集肤效应），使工件表层（或局部）迅速加热并进行快速冷却的淬火工艺。由于加热时间短，淬火表层组织细、性能好，感应加热表面淬火生产效率高，工件表面氧化、脱碳极少，变形也小，淬硬层深度易于控制，容易实现自动化。但设备费用昂贵，适宜大批量生产形状简单的工件。

化学热处理是将工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的某些元素渗入工件表层，从而改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。通过化学热处理可提高工件表面的硬度和耐磨性，也可提高工件表面的耐蚀性、耐热性等。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗硼、铝、铬、硅等。

近年来，耐磨钢领域的技术发展取得了长足进步，并已在工业生产和应用实践中取得成效。但全行业水平尚不均衡，一些中小型耐磨钢材料生产企业，由于信息闭塞、资金短缺、人才匮乏、技术落后，导致产品质量缺乏竞争力，还需一段发展的路程。而与此同时，近几年我国新建和崛起了一批高起点的大中型专业化耐磨钢铁生产企业，原有的一批大型耐磨钢铁企业开展了生产技术改造和生产能力的改扩建，产学研技术研发合作成效显著。可以相信，以市场为导向，以应用基础研究和新技术研发作牵引，以稳定和先进的工程化和产业化技术作支撑，以高效管理和人才为本的思想作保证，我国的一些耐磨钢铁企业将很快步入世界同业一流行列，其产业也将取得更大的发展。