热处理技术进展(一)

樊东黎(中国热处理行业协会，北京　100101)

摘  要：随着机械产品市场的激烈竞争，热处理生产技术发展神速。美国2020年热处理技术发展路线图的制定和实施更加速了这个进程。作者从工艺、设备、材料、传感器、模型和软件工具等5个方面论述了热处理新技术发展近况，以引起国内热处理工作者的注意，促进我国热处理行业“十一·五”规划的实现，加速我国热处理生产技术的进步。

关键词：热处理；新技术；进展

1　新工艺

1.1　微波渗碳

美国DanaCorp公司(Toledo，Ohio)于2004年宣告开创了Atmoplas微波大气等离子技术，其特点是在大气压下可以引发和保持气体的等离子状态。等离子体是一种被部分电离的气体，它的最大特点在于对微波的高吸收率(可吸收其能量的95%)和迅速达到很高的温度。等离子体一旦被引发并在大气压力下保持，就可以用Dana专有技术在数秒钟内使等离子温度达到1200℃。将其用于热处理，与常规工艺相比可大大缩短达到高温的时间，可以通过适当放置工件来控制等离子体厚度并由用户来策划热流。

采用Atmoplas技术可使热处理工艺实现更精确地控制加热和达到更高温度，从而缩短工艺周期和减少能耗。用于钢的渗碳时，工件表面硬度、表面碳浓度、渗碳均匀度、残留奥氏体量、显微组织的一致性都和传统工艺相同或超过其相应的力学性能(见图1)。

图1　AISI8620钢齿轮普通气体渗碳(930℃×272min)结果(a)和Atmoplas渗碳(212min)结果(b)的比较

Dana及其合作伙伴致力于开发微波大气等离子加热技术的多项可投入实际应用的项目，其中之一就是和德国ALDVacuumTechnologiesGmbH(汉诺威)公司合作开发已商品化的Atmoplas渗碳技术，该技术还可以控制残留奥氏体量和获得细晶粒组织。用AISI8620钢(相当于20CrNiMo钢)齿轮进行的渗碳试验表明，Atmoplas渗碳的周期和渗层深度都比真空渗碳的效果好(见表1)。

　　Atmoplas渗碳工艺出奇地简单。把工件装入加工室的空腔中，往其中通入氩气，用特殊方法激发等离子，温度迅速升高。当工件温度达到930℃时，往加工室的空腔中通入乙炔气体。调节微波功率把温度保持在固定水准。工件经规定时间处理后施行淬火和回火。乙炔在等离子体内易裂解，Atmoplas渗碳时用乙炔作为供碳源。调整乙炔量、微波能量和维持等离子体的容器尺寸可使在一定体积内的沉积碳量得到精确控制。把渗碳温度提高到980℃可进一步加速渗碳。

该工艺的另一优点是热量约束在被加工工件周围，系统内无需使用需要高度维护的加热元件。Atmoplas渗碳工艺具有高度的灵活性(柔性)和可控性。

1.2　离子束表面改性

用脉冲离子束表面热处理可以提高大面积零件或大批量小零件的表面性能。离子束表面热处理是法国SandiaNationalLaboratories，AlbuquerqueN.M.的专利技术被称做Q.M.Technologies。其实质是以高速脉动离子束(束斑50cm2)在金属表面层几个微米厚度内实现快速熔化和凝固，以提高其耐磨性和耐腐蚀能力，改善金属制件表面状态和外观，提高表面纯洁度、均匀性和整体连续性。其优点是不改变金属表面化学成分，尺寸无明显变化，不需化学用剂，也不会产生有害气体。与光源系统比较，快速脉动离子束技术在进入工件表面能量耦合特点上具有以下优点：①能量在一定深度快速集聚，形成陡峭热阵，使此层熔化后，随之快速冷却；②从电源(插头)到金属表面的能量转换率为10%；③与金属表面的光学性质无关，进入金属表面的能量耦合率是100%。脉冲周期小于1μs，采用任何气体的平均功率都在1～10kW，而离子能量范围为0.1～1MeV。在1022Pa的真空室内即可实现有效的离子束传输，每个脉冲的离子数约在1012～1014/cm2。进入工件表面的热能迅速逸散到整个工件，造成工件的温度上升可忽略不计，因而工件热畸变很小。例如在小于1μs内可使3μm表面层熔化，在20μs内工件整体的温升不超过100℃。

经离子束表面改性处理后，AISI01(相当于CrWMn)工具钢表面用2%硝酸酒精腐蚀，未出现任何组织特征，用电子显微镜观察到钢的强化层内有<100nm的等轴晶粒，硬度为900HK，销钉圆盘磨耗的耐磨性提高200%；AISIH13钢切边模寿命提高10倍，AISIM2(W6Mo5Cr4V2高速钢)切刀寿命明显增加，硬质合金轧辊和钻探钻头寿命提高500%。

1.3　强烈淬火技术

乌克兰科学院工程热物理研究所的H.И.柯巴斯科院士在1992年研发出一种钢的淬火新技术，虽然冷速极大，但可避免钢件开裂，减少畸变，显著提高钢材力学性能，延长零件的使用寿命。强烈淬火技术在美国获准以Intensi2Quench服务商标注册了IQTechnologiesInc.，Akron.Ohio公司。近几年进行了数百次强烈淬火技术的可行性试验，这些试验是在美国能源部的资助下，由爱迪生材料技术中心组织数家私人企业参加。AFC2Holcroft，Wixom，Mich.公司于2002年设计建造了42m3容积的IQ淬火槽，安装在EuclidHeatTreatingCo.，Cleveland。强烈淬火技术已列入美国热处理2020年技术发展路线图(Roadmap)的重点推广项目中。

在强烈淬火条件下，马氏体转变区的冷速大于30℃/s时，钢件表面层过冷奥氏体受到1200MPa的压应力，使淬火钢的屈服强度至少提高25%。根据淬火过程的非稳态热传导和相变热过程数学模型以及在合理边界条件下的弹塑性变形规律，用有限元法计算的结果是钢件表层的残余拉应力随冷速的增加逐步达到极大值，然后迅速降低，直到转化为压应力。此时产生淬火裂纹的几率极小，零件的畸变也随之减小。

在马氏体转变范围(Ms→Mf)内的强烈冷却可改善材料塑性，提高材料强度。强烈淬火后的零件，在交变载荷下的使用寿命几乎能提高一个数量级。Y7A(T7A)钢经冷速大于30℃/s的强烈淬火后屈服强度可提高25%，60C2(60Si2)钢提高28%。这些钢的油淬试样是脆性断口，而强烈淬火试样是韧性断口。

1.4　磨削加热淬火

德国《淬火技术通讯》(H¾rterei2TechnikMitteilungen，Mar2Apr.1999)发表了有关磨削淬火技术开发的文章。这是戴姆勒2克莱斯勒空间技术中心和不来梅材料技术研究所合作研究的成果。钢件在一定规范下磨削，靠磨削把钢件表面加热到适当温度，然后靠其余未加热部分的热传导冷却使表面金属变成马氏体而得到强化。此技术有可能代替感应和激光淬火，有可能把一项整体热处理过程转化为加工生产线上的一道工序，节能效果也非常明显。可喜的是刘菊东、王贵成等人也在从事类似的研究，他们以平面磨削淬硬试验为基础，研究了在不同砂轮特性条件下40Cr钢磨削淬硬层的组织和性能。其结论是在磨削淬硬加工中的热、力耦合作用下，砂轮特性对磨削淬硬层的马氏体组织形貌和高硬度区的硬度值没有明显影响；随着砂轮粒度或砂轮硬度的提高，磨削淬硬层深度相应增加；与树脂粘合剂砂轮比较，用陶瓷粘合剂砂轮可使淬硬层深度增加近40%。期待着这种技术在工业中的实际应用。

1.5　乙炔低压渗碳

Ipsen公司于20世纪中期开发出用乙炔气体低压渗碳技术，以B.Edenhofer等人名义在世界范围内申请了专利。其最大优点是使小通孔和盲孔(油泵喷油嘴)内都可以渗上碳，也可以使渗碳气体顺利深入成批零件内部，实现均匀渗碳，此技术被命名和注册为AvaC。低压渗碳就是真空渗碳(low-pressure-carburizing)，经常被缩写为LPC，在工业中应用已有近30年历史，但渗碳一直多用丙烷。用丙烷渗碳的问题在于600℃以上丙烷裂解为C、H2和CH4，甚至不需要任何催化剂，造成在热的炉膛内围绕炉料空间形成炭黑，而在炉内壳壁和真空泵管路中沉积焦油。采用丙烷脉冲供气和用喷嘴提高丙烷供气速度只能稍微改善其供气的均匀性，而不能彻底解决问题。甲烷在低压下极难分解(见图2)，故低压渗碳时很少用甲烷，仅在低压离子渗碳时情况才有改善。

图2　16MnCr5钢在1000℃、1000Pa气氛中经10min低压渗碳后的碳通量

为了证明乙炔低压渗碳在盲孔中的均匀性，使用了如图3a所示的16MnCr5钢带盲孔试样，在乙炔、丙烷和乙烯气氛中于900℃渗10min后淬火，沿试样盲孔深度的硬度分布见图3b。由此可看出，乙炔低压渗碳的绝对优势。

图3　16MnCr5钢盲孔渗碳淬火试样(a)和经900℃×10min渗碳淬火后试样沿盲孔深度的硬度分布(b)

1.6　环己烯渗碳

美国SurfaceCombustion公司早在1970年就热衷于真空渗碳技术，并最早注意到该工艺的局限性，把精力放在离子渗碳上。后者虽具有真空渗碳的一系列优点，可以解决诸如炭黑等问题，但由于生产成本问题一直未能广泛应用。该公司拥有多项真空渗碳和离子渗碳工艺和产品的专利技术。自从早期推行这两项工艺，Surface公司积极参与了真空多室炉设备的市场活动，售出了45台以上的多室真空炉。

环己烯(C6H12)是一种非常稳定的高纯度、高密度的液体，Surface公司将其用于真空渗碳的技术被称做VringCarb。环己烯作为一种饱和的碳氢化合物，其使用费用很低。采用一种可精确控制的液体喷射系统可将其通入炉内，真空度保持1330Pa，在此条件下未发现有炭黑。据报道此技术的优点是工件十分干净，可避免晶界氧化，齿根硬度可达到节圆齿面硬度的90%以上，渗剂用量很低，渗层均匀，工件畸变小，可提高渗碳温度。适用于1200mm(长)×900mm(宽)×900mm(高)的燃气或电炉，既可用油淬也可在2MPa高压气体中淬冷。

1.7　混合气氛低压渗碳

Seco/Warwick公司开发的用乙烯(C2H4)+乙炔(C2H2)+氢混合气的低压渗碳法。炉中压力130～4000Pa。渗剂用量小，渗层均匀。当渗层深度<1.0mm时，层深偏差为±0.1mm;渗层深度<2.0mm时，层深偏差为±0.15mm。生产成本明显降低。

1.8　铝合金的热等静压固溶时效复合处理

Bodycote公司正在探索以热等静压(hotisostaticpressing，HIP)和固溶复合处理消除铝合金铸件孔隙和缩短工艺周期，降低生产成本，同时提高铸件的力学性能。此工艺被称为BodycotesDensalProcess(见图4)。

图4　传统的HIP+T6处理工艺(a)和HIP+T6复合处理工艺(b)

采用砂型铸造、锶变质处理的A356铝合金(质量分数为7.08%Si、0.37%Mg、0.06%Fe、0.158%Ti、0.012%Sr、分别为0.005%的Cu、Mn、Ni和Zn、其余Al)，经HIP+T6(固溶+时效)处理后，在193MPa应力状态下的107疲劳周次尚未破断;而铸态+T6处理者在105周次即断裂。