特種合金鋼表面處理類別

特種合金鋼表面處理過程中，在外界輸入能量、合金元素或材料，與產(chǎn)品表面交互作用，使得產(chǎn)品表層材料的物理化學(xué)特性發(fā)生劇烈改變。表面處理的微觀實(shí)質(zhì)就是材料表層發(fā)生可控的物理化學(xué)變化，具有不同于基體的優(yōu)異性能。

不同的能量輸入方式，使得材料表面產(chǎn)生物理化學(xué)效應(yīng)，形成不同的表層結(jié)構(gòu)。根據(jù)特種合金鋼表面處理后產(chǎn)生的效應(yīng)，可以將表面處理分為以下3類：

① 機(jī)械作用：特種合金鋼表面受到單純機(jī)械作用而導(dǎo)致表面改性，如噴丸 、輥壓、孔擠壓等表面形變強(qiáng)化，見圖1（a）。處理后表面具有抗疲勞性能。

② 物理作用：特種合金鋼表面由于能量作用而導(dǎo)致表面產(chǎn)生物理變化或者形成新的涂層，通過物理作用進(jìn)行表面處理的工藝較多，如表面相變強(qiáng)化、熱噴涂、表面離子注入、化學(xué)物理沉積和激光熔覆等表面處理，見圖1（b），（c），（e）。提高表面抗疲勞性能、耐磨、耐蝕性能。

③ 物理化學(xué)作用：特種合金鋼表面在能量 作 用 下 元素滲入擴(kuò)散、反應(yīng)而導(dǎo)致表面改性，如滲碳、滲氮、碳氮共滲及其他金屬元素滲入等表面處理工藝，如圖1（f）。

圖1 表面處理技術(shù)

表面化學(xué)熱處理技術(shù)

利用某種元素的固態(tài)擴(kuò)散滲入，來改變特種合金表面層的化學(xué)成分，以實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化的方法稱為表面化學(xué)熱處理強(qiáng)化，也稱為擴(kuò)散熱處理。包括滲碳及碳氮共滲、滲氮及氮碳共滲、滲硫及硫氮碳共滲、滲鉻、滲鋁及鉻鋁硅共滲、石墨化滲層滲硼、滲金屬等，種類繁多、特點(diǎn)各異。滲入元素或溶入基體金屬形成固溶體，或與金屬元素結(jié)合形成化合物。滲入元素既能改變表面層的化學(xué)成分，又可以獲得不同的相結(jié)構(gòu)。其中滲碳、滲氮等離子化學(xué)熱處理方式可以改變了特種合金鋼零件或構(gòu)件表面狀態(tài)，提高耐磨、耐蝕、耐熱性能而應(yīng)用較為廣泛。

一 離子化學(xué)熱處理

離子處理真空爐體

離子化學(xué)熱處理設(shè)備的真空爐體主要有兩大類。一是水冷雙層爐壁，可分為鐘罩式、立式、井式多種規(guī)格，內(nèi)置1～2層隔熱屏（低碳鋼、不銹鋼或鋁合金制造），功率l0～500kW、有效加熱區(qū)直徑300～1700mm、高400～4000mm這種爐型結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、組合方便，但能耗較大、溫度均勻性較差、無法控制工件處理后的冷卻速度，該爐型主要用于離子滲氮處理；另一類爐型是帶油淬裝置的雙室離子滲碳爐，它的爐溫均勻性好、操作方便、工藝調(diào)節(jié)范圍寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、裝爐量有限（≤300kg），很少用于離子滲氮加工。近年來，隨著真空熱處理設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品需求的提高，設(shè)備制造廠家又相繼開發(fā)了帶對(duì)流系統(tǒng)的熱壁真空爐體和帶高壓氣淬裝置的離子滲碳爐。前者是在冷壁爐的基礎(chǔ)上增加炭氈或硅酸鋁纖維保溫層、熱輻射加熱裝置及循環(huán)風(fēng)扇，提高了加熱區(qū)的溫度均勻性和工件混裝能力，降低能耗，工藝調(diào)節(jié)范圍大大提高，工件的升溫及冷卻速度均能較好控制，特別適于離子氮碳共滲等處理后需快冷的工件；后者多為單室結(jié)構(gòu)，離子滲碳結(jié)束后通過高壓氣體淬火（國內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備最高氣冷壓強(qiáng)已達(dá)6bar, lbar=0.1MPa），消除了油淬對(duì)爐膛帶來的污染，工件光潔、形變量小，設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作過程得以簡化。

離子化學(xué)熱處理電源

實(shí)際應(yīng)用較多的仍然是直流電源，電壓0～1000V連續(xù)可調(diào)，滅弧系統(tǒng)主要采用限流電阻加上LC振蕩滅弧，少數(shù)采用電子開關(guān)，但由于直流電源的固有特性，明顯存在一些不足：滅弧較慢，易燒蝕工件；由于空心陰極效應(yīng)，引起狹縫和小孔過熱；無功損耗較大；工藝參數(shù)不易調(diào)節(jié)；對(duì)電網(wǎng)干擾較大。脈沖電源的開發(fā)和應(yīng)用促進(jìn)離子化學(xué)熱處理技術(shù)發(fā)展。目前，脈沖電源的最大峰值電流已達(dá)300A，輸出電壓0～1500V，脈沖頻率10～20kHz，導(dǎo)通比0.15～0.8連續(xù)可調(diào)，滅弧時(shí)間＜10μs。

離子化學(xué)熱處理技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì)之一為復(fù)合處理的擴(kuò)大應(yīng)用。離子化 學(xué)熱處理滲層質(zhì)量高、綜合力學(xué)性能好，但形成表面強(qiáng)化層厚度有限、硬度梯度大、性能單一，不能滿足各種零部件的服役條件要求，只有采用復(fù)合處理技術(shù)才能解決這一矛盾。因此，復(fù)合處理技術(shù)得到了高度重視，如離子滲氮；氣相沉積（PVD, PCVD），離子滲氮；表面淬火（感應(yīng)淬火、激光表面淬火等），低溫鍍鐵；離子轟擊強(qiáng)化以及各種多元共滲和復(fù)合滲等。

二  特殊合金鋼滲碳工藝

滲碳的作用和過程

特種合金鋼滲碳工藝具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。軸承、齒輪、模具、工具等特種合金鋼產(chǎn)品表層承受磨損、疲勞、機(jī)械負(fù)載及化學(xué)腐蝕等負(fù)荷作用，通過滲入碳等元素達(dá)到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度及耐蝕性。不必通過合金化或其他復(fù)雜工藝手段對(duì)特種合金鋼進(jìn)行處理。不僅降低成本，而且能夠保持心部淬火后的強(qiáng)韌性，使產(chǎn)品能承受沖擊載荷。符合節(jié)能、降耗，可持續(xù)發(fā)展的方向。滲碳一般選擇優(yōu)質(zhì)低碳或中碳合金鋼，它具有冷加工性能、耐沖擊、滲碳后耐磨、接觸疲勞壽命高等優(yōu)點(diǎn)。

滲碳處理對(duì)特種合金鋼選用具有一定要求。適合滲碳鋼的適宜含碳量在0.10%～0.25%，可以保證心部在淬火及低溫回火后仍具有足夠的韌性和塑性。

對(duì)于重載荷的滲碳零件，含碳量可達(dá)到0.25%～0.3%，進(jìn)一步提高心部強(qiáng)度。中高碳鋼不適宜進(jìn)行滲碳處理；中高碳合金鋼臨界溫度低于滲碳溫度，加熱到滲碳溫度勢(shì)必晶粒粗大，強(qiáng)度降低而影響使用壽命，不適合滲碳。滲碳用鋼要求較高冶金質(zhì)量，高純凈度、高均勻性、細(xì)晶粒化。保證產(chǎn)品各向同性并防止應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋。選用低碳鋼進(jìn)行表面滲碳處理，滲碳濃度及其梯度和滲碳深度可以調(diào)節(jié)，滲碳時(shí)間與滲碳深度關(guān)系如圖2，一般滲層深度在0.4mm以上。表面滲碳需在900℃以上保持較長時(shí)間，鋼中均添加鉻、鎳、鉬、錳等元素防止?jié)B碳過程中晶粒長大，滲碳后進(jìn)行淬火加低溫回火處理，獲得高硬度、高耐磨的表面及強(qiáng)韌的心部。

圖2 滲碳時(shí)間和滲碳深度的關(guān)系  

滲碳工藝主要類型可分為氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳、離子滲碳。均包括以下3個(gè)過程。

① 分解：滲碳介質(zhì)的分解產(chǎn)生活性碳原子。

② 吸附：活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中，使奧氏體中含碳量增加。

③ 擴(kuò)散：表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差，表面的碳遂向內(nèi)部擴(kuò)散。碳在鋼中的擴(kuò)散速度主要取決于溫度，同時(shí)與工件中被滲元素內(nèi)外濃度差和鋼中合金元素含量有關(guān)

滲碳過程的關(guān)鍵問題

等離子滲碳工藝

等離子滲碳爐在運(yùn)行期間爐體加熱區(qū)十分清潔。處理工件后無炭黑產(chǎn)生，其原因有如下兩點(diǎn)：①由于滲碳期間強(qiáng)滲周期較短；②因?yàn)樘細(xì)浠衔锓肿拥募ぐl(fā)和離化僅在陰極壓降區(qū)域發(fā)生，即直接在工件附近進(jìn)行。碳流量僅僅取決于帶電的等離子數(shù)值時(shí)（電流密度），用于氣體滲碳對(duì)爐體條件的傳統(tǒng)要求不能應(yīng)用于等離子滲碳之中。對(duì)于未生產(chǎn)的冷態(tài)等離子設(shè)備，須待首批工件達(dá)到工藝溫度后方可進(jìn)行滲碳處理，這樣所得到的結(jié)果才會(huì)與隨后其他所有爐次相同。此外，在等離子滲碳中，用增加滲碳循環(huán)次數(shù)來逐漸改變滲碳作用，避免在氣體滲碳中常發(fā)生的爐體燒壞現(xiàn)象。等離子滲碳處理無內(nèi)氧化，因而在低合金鋼表面區(qū)域附近避免了低硬度的屈氏體產(chǎn)生。其結(jié)果是改善了工件在等離子滲碳后的力學(xué)性能，如耐磨性及抗疲勞強(qiáng)度等。

若等離子滲碳過程可以被調(diào)整或校正的話，可抑制碳化物在平滑表面或 （正常矩形）尖角處的生成。在短的強(qiáng)力循環(huán)周期內(nèi)適當(dāng)?shù)乜刂铺剂髁縿t是一個(gè)決定性的因素。在低壓滲碳過程中，尖角處的碳化物形成是一個(gè)主要問題。應(yīng)用等離子滲碳由于采用了諸如低電流密度特殊監(jiān)測(cè)及很短的強(qiáng)循環(huán)周期等技術(shù)，可以消除上述缺陷。16MnCr鋼制構(gòu)件經(jīng)930℃等離子滲碳后層深1mm, 870℃加熱油中淬火冷卻，160℃回火1h，只在最外端的尖角處顯現(xiàn)出少量碳化物。表面碳濃度是使用特殊顯微探頭來測(cè)量的，測(cè)得結(jié)果為靠近邊棱尖端的碳濃度為0. 9%C,而平面處為0.75％C。另一個(gè)特殊情況是在氣體滲碳中氫的活動(dòng)能力較強(qiáng)，這只能靠用輔助處理的辦法予以減少。而應(yīng)用等離子滲碳，即使是在滲碳后期，氫的含量也十分缺乏，因此也就避免了所處理工件氫脆的產(chǎn)生。這是因?yàn)樵诘入x子滲碳處理強(qiáng)循環(huán)期間，擴(kuò)散進(jìn)入鋼中的任何形式的氫，在隨后擴(kuò)散階段無等離子產(chǎn)生及真空的條件下，均從鋼中逸出。氫量至少減到即使有氫化物形成元素存在的情況下，也不會(huì)形成氫化物。

等離子滲碳技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：不需對(duì)爐體進(jìn)行調(diào)節(jié)；設(shè)備利用率高；生成無內(nèi)氧化的有利碳層結(jié)構(gòu)；高合金鋼滲碳、淬火無軟點(diǎn)產(chǎn)生；滲層均勻性好；表面碳勢(shì)可進(jìn)行粗略及精確控制；具有極好的再現(xiàn)性；較短的滲碳周期；可用于較高的滲碳溫度；用簡單的屏蔽方法進(jìn)行局部滲碳；無環(huán)境污染；組成生產(chǎn)線的能力強(qiáng)。

三  特殊合金鋼滲氮工藝

滲氮工藝的作用和類別

滲氮是一種以氮原子滲入鋼件表面 ，形成一層以氮化物為主的滲層的化學(xué)熱處理方法。滲氮有三個(gè)基本過程：活性氮原子的產(chǎn)生、表面的吸收和氮原子的擴(kuò)散。滲氮不僅可以提高工件表面的硬度、耐磨性以及耐疲勞性，而且還可以提高工件在腐蝕介質(zhì)中工作的耐蝕性。

常用的滲氮方法有：固體滲氮 、 液 體 滲氮、氣體滲氮、脈沖氣體滲氮 （氣體周期改變）、直流等離子體滲氮（又稱輝光離子氮化）、脈沖等離子體滲氮（電源周期供電）等。從滲入的機(jī)理來看，主要有兩大類：第一類基于濃度梯度：如液體滲氮、氣體滲氮等，這類滲氮通常采用電爐將采用的含氮介質(zhì)加熱，通過含氮介質(zhì)傳遞熱能，使被處理零件達(dá)到處理溫度，以濃度梯度作為氮元素滲入的驅(qū)動(dòng)力。第二類基于電場(chǎng)的作用：如直流等離子體滲氮、脈沖等離子體滲氮等。在一定的真空條件下，通過微量的含氮?dú)怏w，利用輝光放電產(chǎn)生電子和離子，離子直接轟擊零件傳遞熱能，使被處理零件達(dá)到處理溫度，通過離子、活性原子與表面的復(fù)雜作用將氮元素滲入金屬表面。氮元素與零件的表面相互作用不盡相同，但在滲入金屬內(nèi)部后滲層深度的增長仍然符合擴(kuò)散定律。

調(diào)質(zhì)處理后零件基體為回火索氏體組織，滲氮層深度可提高20％以上，硬度也有所提高，進(jìn)而提高基體強(qiáng)度和韌性及疲勞性能。為了減少零件滲氮后變形，在半精加工和精加工中增加一次消除加工應(yīng)力退火處理。溫度一般取550～600℃，保溫3～5h，變形量可控制在0.1％以下。

常規(guī)滲氮工藝

① 一段滲氮法、二段滲氮法、三段滲氮法

一段滲氮法又稱等溫滲氮。作為最初的滲氮工藝是在同一滲氮溫度下，長時(shí)間保溫的一種滲氮方法。滲氮溫度一般保持在480～530℃之間。工藝操作簡單，工件變形小；缺點(diǎn)是由于較長的工藝時(shí)間，滲層淺，易產(chǎn)生脆性層。為了縮短滲氮的時(shí)間，且保持較高的硬度，二段滲氮方法得到發(fā)展。二段滲氮工藝首先在500℃左右滲氮一段時(shí)間，使工件表面形成高度彌散的氮化物顆粒，保證一定的硬度。后升高到550℃左右繼續(xù)滲氮，加速氮原子擴(kuò)散，以縮短滲氮時(shí)間，變形較一段滲氮大。三段滲氮是在二段氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，進(jìn)一步縮短氮化時(shí)間。

② 催滲滲氮

為了縮短滲氮的時(shí)間，在滲氮介質(zhì)中添加一種或幾種起催滲作用的物質(zhì)，即催滲滲氮：如加氮滲氮、加鈦滲氮等。加氮滲氮是在氨氣中加入氮?dú)猓獨(dú)庹蓟旌蠚怏w的30％～90％。不僅可以顯著縮短滲氮時(shí)間，而且還改善滲層組織，降低脆性。加鈦滲氮是在工件上鍍一層鈦后再滲氮，也可提高滲速。近年來發(fā)展起一種新的滲氮方法——電解氣相催滲滲氮。即將一定成分的電解氣體進(jìn)入滲氮爐中起到催滲作用，一般工藝時(shí)間可以縮短1/2～2/3。

③ 預(yù)氧化催滲氣體滲氮

氣體滲氮在工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛，但滲氮周期長，成本高。研究表明，工件經(jīng)短時(shí)氧化后，表面會(huì)形成氧化薄膜，具有較強(qiáng)的催滲作用，能使N原子的滲入顯著加快。如在580℃下經(jīng)預(yù)氧化，滲氮兩次循環(huán)處理工藝（預(yù)氧10min，滲氮3h）可使采用滲氮溫度580℃，時(shí)間為6h時(shí)所形成的0. 29mm滲氮層厚度提高到0. 55mm，使氮化層的硬度梯度分布顯著獲得改善。

④ 等離子滲氮及復(fù)合化

離子滲氮是將工件置于輝光放電裝置的真空容器中，以工件為陰極，容器壁或另設(shè)金屬板作為陽極，充一稀薄的含氮?dú)怏w，在直流高壓的電場(chǎng)的作用下使氣體原子電離成離子撞擊工件陰極表面上，并向內(nèi)部擴(kuò)散形成滲氮層的過程。離子氮化不僅能實(shí)現(xiàn)可控氮化、可局部硬化、使用純氫、氮?dú)鉃闅庠礋o環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，且離子滲氮不生成脆性相，滲層致密，與氣體滲氮相比具有更高的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性能。離子滲氮要比氣體滲氮滲速快、熱效率高、設(shè)備維修費(fèi)用低。近年來，離子滲氮技術(shù)發(fā)展迅速，離子滲氮與其他熱處理工藝相結(jié)合，進(jìn)行工件表面改性，提高工件的硬化質(zhì)量。如離子氮化與PVD離子鍍覆TiN工藝復(fù)合，可得到結(jié)合力良好的復(fù)合鍍層。處理后工件表面硬度極高，而且硬度梯度平緩，具有一定厚度硬度較高的擴(kuò)散層支撐，有利抗磨性能提高，復(fù)合鍍層有良好的回火穩(wěn)定性，具有一定的耐蝕性。應(yīng)用于冷作模具和熱作模具等。除此之外，還有感應(yīng)淬火+離子滲氮復(fù)合處理；激光+離子氮化復(fù)合處理；表層硬化質(zhì)量的提高同時(shí)，其耐磨性、耐蝕性也隨之提高。此類復(fù)合處理作為新的表面處理技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工模具中。

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