陳楊，袁群星

（1.浙江萬(wàn)里揚(yáng)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(xué)熱處理

陳楊1，袁群星2

（1.浙江萬(wàn)里揚(yáng)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(shù)工藝能使鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)加工處理過(guò)程中的熱處理技術(shù)曲線圖著手進(jìn)行分析，著重分析了鋼表面的淬火和化學(xué)熱處理技術(shù)方式以及其在技術(shù)處理過(guò)程中呈現(xiàn)出來(lái)的主要特點(diǎn)。與此同時(shí)，還闡述了不同加工制造技術(shù)在實(shí)際工業(yè)加工制造過(guò)程中的具體運(yùn)用。

鋼表面；淬火；化學(xué)熱處理；技術(shù)工藝

鋼結(jié)構(gòu)的熱處理技術(shù)一般情況下主要是指在固態(tài)下對(duì)其進(jìn)行加熱和保溫以及冷卻技術(shù)處理，從而使鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組織形態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化，不斷改變鋼的具體形態(tài)和性能。實(shí)踐證明，鋼表面淬火以及化學(xué)熱處理技術(shù)工藝，不僅可以?xún)?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(shì)，進(jìn)而延長(zhǎng)模具以及相關(guān)零器件的使用周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、節(jié)約鋼材。與此同時(shí)，鋼表面經(jīng)過(guò)淬火以及化學(xué)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(dòng)生產(chǎn)的效率以及質(zhì)量。對(duì)此，本文研究的主要目的是探析鋼表面淬火和化學(xué)熱處理技術(shù)工藝運(yùn)行的相關(guān)機(jī)理，以此為生產(chǎn)工藝以及鋼材料性能優(yōu)化提供科學(xué)的理論分析視角。

1 鋼表面淬火和化學(xué)熱處理的必要性分析

由于鋼材料在各種熱處理技術(shù)工藝流程中，都包括加熱以及保溫和冷卻三個(gè)不同的技術(shù)處理環(huán)節(jié)。因此，通常情況下，可以采用溫度以及時(shí)間坐標(biāo)軸圖形來(lái)科學(xué)表示鋼表面的熱處理技術(shù)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(jī)械部件，要求在摩擦運(yùn)行條件下以及動(dòng)力荷載運(yùn)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(jié)構(gòu)具有良好的韌性以及塑性，如常見(jiàn)的拖拉機(jī)以及汽車(chē)的傳動(dòng)齒輪。為了保證這種齒輪在運(yùn)行工作中，具有良好的耐磨性，要求其實(shí)際的表面硬度為HRC58 -64；與此同時(shí)，為了使這些零部件的心部具有足夠的柔韌性以及屈服強(qiáng)度，通常情況下，其實(shí)際的運(yùn)行硬度為HRC40.

通過(guò)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的工作中，如果只是通過(guò)在設(shè)備材料的選型方面進(jìn)行質(zhì)量控制，其實(shí)很難使上述零部件在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到以上要求指標(biāo)。但是，采用高碳鋼進(jìn)行技術(shù)處理，雖然可以達(dá)到上述要求中的韌性指標(biāo)，但是，其實(shí)際的表面硬度卻難以達(dá)到具體的要求指標(biāo)，而且耐磨性不好[2]。因此，在這種情況下，我國(guó)工業(yè)加工制造過(guò)程中，經(jīng)常采用淬火以及化學(xué)熱處理技術(shù)工藝，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行控制與處理。

2 鋼表面淬火技術(shù)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(shù)工藝又可分為火焰表面淬火技術(shù)與感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)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(zhì)的混合物燃燒時(shí)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(dāng)工件的實(shí)際溫度達(dá)到淬火溫度之后，立即采用乳化液以及通過(guò)噴水的技術(shù)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(shù)對(duì)工件進(jìn)行處理時(shí)，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(shù)進(jìn)行處理。一般火焰表面淬火技術(shù)處理時(shí)，經(jīng)常采用的鋼材為45#號(hào)鋼以及35#號(hào)鋼兩種。除此之外，常用的還有型號(hào)為40Cr以及65Mn的合金結(jié)構(gòu)鋼等。如果鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際含碳量不能達(dá)到上述指標(biāo)要求，則在采用火焰表面淬火技術(shù)進(jìn)行處理時(shí)，容易導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)嚴(yán)重的淬裂現(xiàn)象[3]。因此，采用火焰表面淬火技術(shù)對(duì)鋼材進(jìn)行處理時(shí)，火焰表面淬火的淬透層實(shí)際深度為2~6 mm.從實(shí)踐應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，這種處理技術(shù)工藝，不僅操作過(guò)程十分簡(jiǎn)單，而且淬火的速度較快，鋼結(jié)構(gòu)的變形程度較小。所以，這種技術(shù)處理工藝非常適用于一些局部出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的行車(chē)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(duì)于一些大型的工件進(jìn)行科學(xué)處理效果更好。但是，這種處理技術(shù)工藝也具有一定的缺點(diǎn)，比如火焰表面淬火容易產(chǎn)生過(guò)熱的情況，從而導(dǎo)致淬火處理的技術(shù)不穩(wěn)定。

2.2 感應(yīng)加熱表面淬火

如圖2所示，感應(yīng)加熱表面淬火的加熱技術(shù)原理是在一個(gè)導(dǎo)體線圈中，通過(guò)一定頻率的交流電，在導(dǎo)體線圈中形成一個(gè)頻率相同的交變磁場(chǎng)。如果將需要加工的技術(shù)工件置于這一交變磁場(chǎng)中，在待加工的工件中就會(huì)立刻產(chǎn)生與交變磁場(chǎng)線圈電流運(yùn)行方向相反或者相同的一種感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流可以形成一種熱能，從而使待加工的工件產(chǎn)生熱能效應(yīng)，最終形成渦流。

圖2 鋼表面淬火技術(shù)工藝中的感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)原理圖

從渦流的實(shí)際形成過(guò)程中不難看出，感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)，主要是利用了渦流形成過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化效應(yīng)，使電能和熱能進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)化，最終使需要淬火加工的工件產(chǎn)生熱量。一般而言，在需要加工的鋼材工件表面會(huì)形成大量的渦流，這種渦流的運(yùn)行頻率非常高，如果電流在工件表面集中到一定程度，則會(huì)產(chǎn)生一種新的效應(yīng)，即集膚效應(yīng)。通過(guò)集膚效應(yīng)的形成原理，只需要將需要加工的工件置入感應(yīng)裝置中，就會(huì)形成強(qiáng)大的感應(yīng)電流。當(dāng)待加工的工件表面層快速加熱到淬火溫度之后，迅速通過(guò)水來(lái)進(jìn)行冷卻處理，以此得到細(xì)針狀的馬氏體組織，這一技術(shù)處理過(guò)程就被稱(chēng)為感應(yīng)加熱表面淬火處理技術(shù)。

從上述具體的處理技術(shù)工藝中不難看出，感應(yīng)加熱表面淬火加工技術(shù)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(guò)幾秒鐘或者幾十秒的時(shí)間。因此，感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)與一般的處理技術(shù)工藝相比，其只能在更高的運(yùn)行溫度中進(jìn)行組織的轉(zhuǎn)變，而且淬火技術(shù)處理之后，鋼工件的表面物理性能更佳。由于感應(yīng)加熱表面淬火法的加熱速度非常快，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(shù)處理過(guò)程中，技術(shù)人員能夠?qū)Ω袘?yīng)加熱表面淬火的淬透層深度進(jìn)行更好地掌控，從而使淬火技術(shù)操作的整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化以及機(jī)械化。

3 鋼表面化學(xué)熱處理技術(shù)工藝分析

鋼表面化學(xué)熱處理技術(shù)工藝與鋼表面淬火技術(shù)工藝不同，化學(xué)處理技術(shù)工藝主要是指，將需要加工的工件置于某種化學(xué)介質(zhì)中進(jìn)行加熱，使其快速升溫，從而促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)表層性能不斷提高的一種熱處理技術(shù)工藝。當(dāng)前，我國(guó)工藝加工和制造領(lǐng)域，經(jīng)常采用滲氮以及滲碳和碳氮共滲技術(shù)進(jìn)行化學(xué)處理，其化學(xué)處理的主要目的是，強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)的表面，進(jìn)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(guò)程中，采用滲氮技術(shù)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(xué)熱處理技術(shù)工藝對(duì)鋼表面進(jìn)行加工處理時(shí)，需要分別經(jīng)過(guò)分解、吸收以及擴(kuò)散三個(gè)主要的技術(shù)流程[4]。

首先，在分解階段，化學(xué)介質(zhì)可以在一定的運(yùn)行溫度下，通過(guò)發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，迅速生成一種活性原子從而滲入鋼表面。與此同時(shí)，在化學(xué)熱處理過(guò)程中，通過(guò)催化劑可以增加化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的活性，從而有效降低化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的運(yùn)行溫度，以此來(lái)縮短化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間。

其次，在吸收階段，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)析出的活性原子，能夠被僅僅吸附于鋼結(jié)構(gòu)的表面中，然后將鐵的晶格融入其中。通常而言，通過(guò)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(kuò)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(shí)際濃度。在此過(guò)程中，會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)的表面以及外部形成巨大的濃度差。因此，在一定的溫度運(yùn)行前提下，原子會(huì)朝著濃度不斷降低的方向進(jìn)行擴(kuò)散，最終會(huì)形成具有一定厚度的擴(kuò)散層。

3.1 滲碳技術(shù)工藝

滲碳技術(shù)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?xì)怏w中。通過(guò)在溫度為930℃的環(huán)境下進(jìn)行加熱并保溫，從而使鋼結(jié)構(gòu)的表面層增碳化。采用這種技術(shù)處理工藝，需要保證鋼件的實(shí)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(shí)際深度一般在0.5~2.5 mm之間；滲碳層的實(shí)際含量達(dá)到0.7 ~1.05時(shí)，為滲碳技術(shù)處理的最佳運(yùn)行條件。而一般采用的滲碳技術(shù)工藝主要為氣體滲碳法，其主要的操作原理為：在含碳?xì)怏w的活性介質(zhì)中進(jìn)行滲碳技術(shù)處理，不僅能夠大大提升鋼表面的滲碳效率，而且容易對(duì)整個(gè)滲碳技術(shù)工藝的操作流程進(jìn)行科學(xué)控制，從而實(shí)現(xiàn)滲碳技術(shù)處理的自動(dòng)化以及機(jī)械化，圖3所示。

圖3 鋼表面化學(xué)熱處理技術(shù)中的滲碳技術(shù)工藝原理圖

3.2 滲氮技術(shù)工藝

滲氮技術(shù)主要是將氮這一種氣體滲入到鋼件表面的一種處理技術(shù)。當(dāng)前我國(guó)工藝處理中，主要以氣體滲氮為主。其主要的技術(shù)處理原理是，在溫度為500~600℃的運(yùn)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?chē)M(jìn)行不斷擴(kuò)散，最終形成滲氮層。一般而言，滲氮技術(shù)與滲碳技術(shù)相比，工件的表面硬度以及耐磨性和抗疲勞能力更強(qiáng)。與此同時(shí)，大大提升了鋼件的抗腐蝕性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼的熱處理技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的單一處理技術(shù)逐漸發(fā)展到現(xiàn)代化的復(fù)合處理技術(shù)，從而使鋼材料具有優(yōu)良的使用性能。與此同時(shí)，鋼材料通過(guò)表面淬火技術(shù)處理與化學(xué)技術(shù)綜合處理，當(dāng)多種元素共滲時(shí)，能夠顯著加快其實(shí)際的滲入速度。因此，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多元素復(fù)滲入技術(shù)，已經(jīng)在我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，而且在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。所以，相信我國(guó)工業(yè)制造加工技術(shù)還會(huì)在此基礎(chǔ)上取得更大的進(jìn)步，從而為鋼材的性能優(yōu)化以及表面淬火及化學(xué)熱處理技術(shù)工藝的實(shí)施奠定積極的基礎(chǔ)。

[1]廖一峰，彭樟林.鋼表面化學(xué)鍍Ni/金剛石復(fù)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(xué)熱處理的研究進(jìn)展[J].新型工業(yè)化，2015，5（11）：1-7.

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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?yàn)闊崽幚砉に嚰夹g(shù)和生產(chǎn)技術(shù)研究。