钢件整体热处理改性工艺：优化钢件性能的方法

（一）钢的整体热处理改性工艺

钢的整体热处理是将钢件在固态下进行适当的加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而改善和提高钢件性能的工艺方法。钢的整体热处理过程可以用温度和时间这两个主要参数来描述，其工艺曲线示意图如图1-1所示。

由于加热温度、保温时间和冷却速度的不同，钢会产生不同的组织转变。加热后要有一段保温时间，是为了使工件内外温度趋于一致，使钢的组织得到充分的转变。

图1-1　热处理工艺曲线示意图

在铁碳合金状态图中，钢的组织转变临界温度（相变温度）A1、A2、Acm是在极其缓慢的加热或冷却条件下测定的。然而，实际热处理过程中加热或冷却的速度都比较快，因此，钢的实际相变温度总是会略高或略低于相图中的理论相变温度，即存在一定的过热度或过冷度。如图1-2所示，通常将加热时的实际相变温度加注字母c，如Ac1、Ac2、Accm，将冷却时的实际相变温度加注字母r，如Ar1、Ar2、Arcm。

图1-2　钢在加热或冷却时的相变温度线

钢的整体热处理工艺主要有退火、正火、淬火、回火等，下面分别予以介绍。

1.退火

退火是将钢件加热至高于或低于钢的临界温度，经适当保温后随炉或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的包括：①降低硬度，改善切削加工性；②细化晶粒，改善组织，提高力学性能；③消除内应力，防止开裂与变形，或为下一道淬火工序做好组织准备；④提高塑性和韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。

2.正火

正火是将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30～50℃，保温适当时间后出炉，在静止的空气中冷却的热处理工艺。

正火的主要目的包括：①可获得具有较高强度和硬度的组织，因而可用作不太重要的机械零件的最终热处理；②提高低碳钢的硬度，避免黏刀，改善其切削加工性；③对于过共析钢，正火可以减少或消除网状渗碳体，降低材料的脆性，为球化退火做好组织准备。

正火与退火比较，由于冷却速度较快，因而具有生产周期短、设备利用率高、节约能源、成本低等优点。当采用正火与退火均可满足要求时，应优先选用正火。

3.淬火

淬火是将钢件加热至Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢与过共析钢）以上30～50℃，保温适当时间后置于淬火介质中快速冷却的热处理工艺。其主要目的是提高钢的硬度和耐磨性，常用于各种刃具、量具、模具和滚动轴承等。

亚共析钢加热至Ac3以上30～50℃，其组织全部为奥氏体。由于淬火时冷却速度很快，转变为体心排列的α晶格，而奥氏体中过饱和的碳则全部保留在α晶格中，成为过饱和的α固溶体，称为马氏体。α马氏体具有很高的硬度，可达65HRC，而且含碳量越高，硬度越高。

过共析钢加热到Ac1以上30～50℃，其组织是奥氏体和渗碳体，淬火后的组织是马氏体和渗碳体。渗碳体的硬度比马氏体高，因此，保留这些渗碳体有利于提高钢件的硬度和耐磨性。

冷却速度是淬火工艺的关键。如果冷却速度不够快，则奥氏体会发生分解而得不到高硬度的马氏体组织，而冷却速度过快又会使某些钢件容易变形或淬裂。正确地确定冷却速度的原则是：在保证获得全部马氏体组织的前提下，尽可能降低冷却速度。正好能获得全部马氏体所必需的最低冷却速度称为临界冷却速度。合金钢的临界冷却速度低，应在冷却能力较弱的油中淬火，以防钢件开裂；中、高碳钢的临界冷却速度高，应选择冷却能力强、价格便宜的水作为淬火介质。低碳钢的含碳量太低，一般无法淬硬。

4.回火

回火是将淬火后的钢件重新加热至Ac1以下一定温度，保温适当时间后置于空气或水中冷却的热处理工艺。淬火马氏体是一种硬、脆而又不稳定的组织。经回火后，马氏体中的过饱和碳原子以粒状碳化物的形式析出，从而使钢的组织趋于稳定，消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低脆性，提高韧性，同时使零件的尺寸稳定化。因此，钢件淬火后都要进行回火。

根据回火温度的不同，可以获得强度、硬度与塑性、韧性的不同匹配，以满足各种不同的力学性能要求。

通常把淬火后的高温回火称为调质处理。在硬度相同的情况下，调质后的其他力学性能指标均优于正火，即所谓综合力学性能较好。

（二）钢的表面强化工艺

钢的整体热处理往往不能同时提高钢的硬度与韧性，而有些机器零件要求其表面与心部具有不同的性能，例如变速齿轮、凸轮、离合器等零件，是在动载荷与摩擦条件下工作的，既要求表面具有较高的硬度和耐磨性，又要求心部具有足够的韧性，必须采用各种表面强化工艺才能满足上述要求。

1.表面热处理

（1）表面淬火(www.xing528.com)

表面淬火是一种物理表面热处理工艺，是将钢件快速加热，使其表面迅速达到淬火温度，而心部仍低于淬火温度，这时立即喷水快速冷却，使钢件表面层获得淬硬的马氏体组织，而心部仍然保持原来韧性较好的组织，再经低温回火，表面硬度可达52～54HRC。适于表面淬火的材料是中碳钢和中碳合金钢。表面淬火前应进行正火或调质处理。

用于表面淬火的快速加热方法很多，如氧气－乙炔火焰加热、感应加热、电接触加热、激光加热、电子束加热等。目前生产中应用最多的是感应加热。

（2）化学表面热处理

化学表面热处理是将钢件置于某种介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，改变表层的化学成分和组织，以获得所要求性能的热处理工艺。常用的化学表面热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

①渗碳。渗碳是将低碳钢或低碳合金钢工件放入含碳的介质中加热至900～950℃并保温，使介质中的活性碳原子渗入钢件的表层，使表层中碳的质量分数提高至0.8%～1%，然后经整体淬火和低温回火。这样，工件表层可达到很高的硬度（58～62HRC）和很高的耐磨性，而心部由于含碳量不足无法淬硬，仍保持良好的韧性。按照所用的渗碳剂，可分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三种。生产中常用的是气体渗碳。

②渗氮。渗氮是将中碳合金钢经调质处理后向其表面渗入氮原子的表面处理工艺，这种工艺广泛应用于各种高速转动的精密齿轮和高精度机床主轴的加工。与渗碳比较，渗氮有以下特点：a.渗氮层的硬度和耐磨性均高于渗碳层，硬度可达69～72HRC，且在600～650℃高温下仍能保持较高硬度；b.渗氮层具有很高的抗疲劳性和耐蚀性；c.渗氮后不需再进行热处理，可避免热处理带来的变形和其他缺陷；d.渗氮温度较低。渗氮的缺点在于它只适用于中碳合金钢，而且需要较长的工艺时间才能达到要求的渗氮层。

③碳氮共渗。碳氮共渗是向钢的表面同时渗入碳原子和氮原子的表面处理工艺。目前常用的方法有中温气体碳氮共渗与低温气体碳氮共渗。碳氮共渗层兼有渗碳层和渗氮层的性能，可提高钢的表面硬度、耐磨性和抗疲劳能力。

生产中有时还向钢的表面渗入其他元素。例如，渗铝和渗铬可提高钢的抗氧化性；渗铬和渗硅可提高钢的耐蚀性；渗硼可获得非常高的硬度并提高耐热性；渗硫可提高材料的减摩性。目前表面化学热处理正在向多元素共渗方向发展，如氧氮化、硫氮处理、碳氮硼共渗等。

2.表面形变强化

表面形变强化是使钢件表面在常温下发生塑性变形，以提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表面强化工艺。它的工艺简单，成本低廉，是提高钢件耐疲劳能力，延长其使用寿命的重要工艺措施。目前常用的表面形变强化工艺有喷丸、滚压等。

（1）喷丸

喷丸是通过高速弹丸流（35～50m/s）喷射钢件表面，使之在常温下产生强烈的塑性变形，形成较高的宏观残余压应力，从而提高钢件的抗疲劳能力和耐应力腐蚀性能的表面形变强化工艺。它通常在磨削、电镀等工序后进行，主要用于形状比较复杂的零件。

（2）滚压

滚压处理是利用自由旋转的淬火钢滚子对钢件的已加工表面进行滚压，使之产生塑性变形，压平钢件表面的粗糙凸峰，形成有利的残余压应力，从而提高工件的耐磨性和抗疲劳能力。滚压一般只适用于具有圆柱面、锥面、平面等形状比较简单的零件。

3.表面覆层强化

表面覆层强化是通过物理的或化学的方法在金属的表面涂覆一层或多层其他金属或非金属的表面强化工艺。其主要目的是提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行表面装饰。

（1）金属喷涂

金属喷涂是将金属粉末熔化，再喷涂在钢件表面上，形成金属覆层的表面强化工艺。常用的喷涂方法有氧－乙炔火焰喷涂和等离子喷涂等。根据不同的目的，可以喷涂不同的金属粉末。例如，在已磨损的钢件表面上喷涂一层耐磨合金，以修复钢件；在钢件表面喷涂一层铝，可以提高其耐蚀性；在钢件表面喷涂一层氧化铝、氧化锆、氧化铬等氧化物层，可以提高其耐磨性与耐热性。

（2）金属镀层

在基体材料的表面覆上一层或多层金属镀层，可以显著改善其耐磨性、耐蚀性和耐热性，或获得其他特殊性能。常用的方法有电镀、化学镀和复合镀等。

①电镀。电镀是将工件作为阴极，在与电解质溶液接触的条件下，通入外电流，以电解的方式在工件表面形成与基体牢固结合的镀层的表面强化方法。镀层可以是金属、非金属、合金或金属与非金属的混合物薄膜。耐蚀镀层（包括铬、锌、镉、镍、铜、银等）以镀硬铬应用最广，广泛用于提高量具、刀具、模具及仪表零件的耐蚀性与耐磨性。某些软金属镀层（如金、银、铅、锡、锌等）具有很好的润滑性，常用作固体润滑剂。

②化学镀。化学镀是在不外加电源的条件下，利用化学还原的方法在基体材料表面催化膜层上沉积（镀）一层金属的表面强化方法。与电镀比较，化学镀具有以下特点：a.在形状复杂的工件上亦能获得厚度均匀的镀层；b.镀层晶粒细小致密，孔隙与裂纹少；c.可以在非金属材料表面沉积金属层。

③复合镀。复合镀是在电镀或化学镀的溶液中加入适量金属或非金属微粒，借助于强烈的搅拌，与基质金属一起均匀沉积而获得特殊性能镀层的表面强化方法。主要用于对材料有特殊要求，且只有复合镀才能满足的原子能工业和航天航空工业。

（3）金属碳化物覆层在钢件表面涂覆金属碳化物，可以显著提高其耐磨性、耐蚀性和耐热性。获得金属碳化物覆层的方法很多，有化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）和盐浴法（TD）等。其中，CVD是利用气体物质在固体表面上进行化学反应，在固体表面上生成固态沉积物覆层的表面强化方法。例如，以H2为载流气体，将TiCl4和CH4的混合气体通入具有一定压力和温度的CVD反应室，在高碳高铬钢或硬质合金模具表面上进行化学反应，并在其表面上生成TiC覆层，可以提高模具使用寿命2～20倍。

（4）非金属覆层

根据不同目的，可以在金属表面上涂覆各种非金属覆层，如氧化膜、防锈涂料、塑料、橡胶、陶瓷等。下面简要介绍钢的发蓝与磷化处理方法。

①发蓝处理。发蓝处理是将钢件浸入苛性钠、亚硝酸钠溶液中，使其表面形成均匀致密的氧化膜（主要组成是Fe3O4，呈蓝黑色或深黑色）的过程。发蓝处理后应进行钝化处理，以提高氧化膜的耐蚀性和润滑性。钢件经发蓝处理后，可起缓蚀和增加美观及光泽的作用。

②磷化处理。磷化是将钢件浸入某些磷酸盐溶液中，使其表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜的过程。磷化膜呈浅灰至深灰色，耐蚀性高于氧化膜，但不能耐酸、碱、海水和蒸汽的侵蚀。此外，由于磷化膜具有良好的绝缘能力、优良的减摩性和冷加工润滑性，故可用作挤压与冷拉钢材的润滑剂；磷化膜可以增强漆膜与工件的附着力，故可用作油漆的底层。