特殊钢表面处理技术及发展动向

在机械零部件的强度和功能方面，常常要求零部件具有一定的表面特性。钢材表面处理使钢材的表面硬化、内部保持强韧性，从而使钢材兼有高耐磨性和高韧性，达到提高钢材力学性能的目的。此外，由于表面硬化处理使钢材表面残留压缩应力，可提高钢材的耐疲劳性。所以，要对钢材全表面或部分表面进行硬化处理，本文介绍了钢铁材料表面硬化技术。

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近来，表面硬化处理技术的发展趋势有以下几点。

1）由二元处理发展到三元处理

传统表面硬化处理是将处理品在一定温度下、保温一定时间的所谓温度-时间二元因子处理。但目前压力因子介入表面硬化处理的技术发展起来，形成了温度-时间-压力三元因子表面硬化处理。此外，等离子等电激发能应用技术有了迅速发展，也被用于表面硬化处理。

2）钢材表面附着剂呈现固体→液体→气体→电能利用的发展趋势

在改变钢材表面化学成分使表面硬化的技术方面，钢材表面附着剂由固体向液体、由液体向气体转变，并且向利用电能施加附着剂的技术发展。

3）利用复合热处理提高钢材的表面特性

4）通过系列化、标准化、计算机化等强化表面处理质量管理

伴随上述发展趋势，开发出若干新型表面硬化处理技术，它们可分为三类：①不改变钢材表面的化学成分，只改变表面组织的方法；②改变钢材表面的化学成分的方法；③在钢材表面涂敷或形成各种皮膜的方法。

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金属材料发生加工硬化后，延性下降，但强度、疲劳极限、耐磨性升高。喷丸处理是用压缩空气或离心力将小球状的颗粒或砂砾喷射到钢材表面，使表面硬化并附加残余压缩应力的表面硬化处理方法。此外，钢的疲劳强度受到钢材表面粗度的影响，而喷丸处理是适于提高疲劳强度的表面处理方法。

渗碳淬火处理是使碳扩散渗入低碳钢钢材表面后，进行淬火，使钢材表面硬化的表面硬化处理方法。渗碳淬火的方法有固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、等离子渗碳等方法。

2.2.1 气体渗碳

气体渗碳是将天然气、CH4、C2H6、C3H8等碳氢系气体高温分解，并混入近中性的CO、H2、N2，组成混合气体，对钢材进行渗碳的方法。渗碳气体与加热到高温的钢材接触，气体发生分解生成活性碳，产生渗碳效果。气体渗碳的特点是容易控制钢材表面的碳浓度。

2.2.2 液体渗碳

液体渗碳是将NaCN、KCN、K4Fe(CN)6 等氰化物为主要成分并混有NaCl 的渗碳剂装入钢制容器中，加热熔融成盐浴。将钢材浸入熔融盐浴。氰化物分解产生的活性CO和N，将C 和N 同时渗入钢材表面的渗碳方法。该方法的优点是操作简便、处理温度低、渗碳时间短、处理品变形小。另一方面，由于使用含有氰化物离子的熔融盐浴，所以必须实施防止公害发生的措施。

2.2.3 真空渗碳

真空渗碳的操作方法是，将钢材装入真空渗碳炉内，炉内减压到1Pa 左右，并将炉温升高到约1000℃的高温。将C2H2、CH4、C2H4 等碳氢化合物气体导入炉内，并在炉内分解产生碳。分解产生的碳接触在真空加热中活性化的钢材表面，对钢材进行渗碳。真空渗碳的优点是，由于是高温渗碳，所以渗碳时间短，并可快速获得均匀洁净的渗碳层。

2.2.4 渗碳用钢

渗碳用钢为保持芯部的韧性，将碳含量限定在0.25%以下。此外，为了提高淬透性，钢中也有添加Mn、Cr、Mo的情况和为了抑制奥氏体晶粒粗大和防止过剩渗碳，添加Ni 的情况。JIS 标准中规定的渗碳用钢有机械结构用碳素钢和Cr钢、Cr‐Mo钢、Ni‐Cr 钢、Ni‐Cr‐Mo钢、Mn 钢、Mn‐Cr 钢等各种机械结构用合金钢。SCM 牌号的Cr‐Mo 渗碳用钢力学性能高、质量效应小，用于一般零部件制造。SNCM牌号Ni‐Cr‐Mo钢淬透性良好，用于大型部件和高强度齿轮的制造。

与渗碳法不同，氮化法是利用形成的氮化物使晶格变形，在钢材表面产生残余压缩应力，使钢材表面硬化的表面处理方法。由于渗碳法的加热温度低，所以被处理钢材的变形很小。此外，被处理钢材具有良好的耐磨性和耐蚀性。

2.3.1 气体氮化

气体氮化原理是，将氮化炉内气氛置换为NH3后，将炉温升高到500-550℃，并将气体压力调节到8×103-1×104Pa。NH3在高温下分解为原子N和H，原子N与钢中的Fe、Al、Cr 等元素生成氮化物，在钢材表面形成氮化层，使钢材表层硬化。

2.3.2 软氮化

软氮化是使用氰化物和碱金属碳酸盐的熔融盐浴，利用氰化物分解对钢材进行渗碳和渗氮的表面处理方法。在对普通结构钢进行软氮化处理后，钢材表面硬度为500-700HV，所以被称为软氮化。软氮化处理可提高钢材的耐疲劳性，在汽车零部件制造中得到应用。此外，各钢种经过软氮化处理后，耐磨性和耐蚀性得到提高。软氮化还有不用盐浴的、在气体中进行的气体软氮化法。

2.3.3 等离子氮化

等离子氮化的操作是，将处理品装入密闭的容器内。将处理品作为阴极，容器壁作为阳极。在两极间施加几百伏的直流电压。这时，处理品表面处的电压急剧下降，N2 分子在阴极附近离子化，成为N+和N2+，这些离子在阴极空间被加速到高速度，对处理品进行冲击。离子大部分高动能转化为热能，对处理品加热，同时，N 渗入到处理品表面，使表面氮化。

等离子氮化的优点是氮化速度快，H+对处理品表面有清洁作用，通过对N2分压、电压、温度、时间的控制，可调整氮化层的组织。等离子氮化的缺点是，因处理品的形状和质量等原因，发生处理温度不均匀的现象。为解决这个问题，最近开发出活性屏等离子体源渗氮法，目前正在全力以赴地推进该方法的研究。该方法在炉内设置笼形金属屏作为阴极，实现了比较均匀的氮化。

2.3.4 氮化用钢

氮化用钢的必要条件是钢的中心部位具有强韧性，同时钢的表层具有可形成高硬度氮化层的化学成分。Al 和Cr 的钢可发生显著硬化。Mo 具有很好的防止500-530℃长时间氮化处理时发生回火脆性的作用。JIS 标准中规定了一个氮化用钢钢种：Al‐Cr‐Mo 系SACM645。

在与处理品形状相应的一次线圈中输入高频电流时，放置在线圈中的处理品被涡电流的焦耳热和磁滞损耗产生的热量加热。电流频率越大，感应电流越集中在处理品钢材的表面。高频表面淬火就是利用这个原理，只将处理品表层加热到A1转变点以上的温度后立即急冷，只使处理品表层发生淬火硬化。高频淬火用钢是具有良好淬透性的含碳0.4%-0.6%C的碳素结构钢和合金结构钢。

气相沉积方法是使硬质化合物皮膜附着在钢材表面的表面处理方法。气相沉积方法包括化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）。

2.5.1 PVD 法

PVD 法皮膜的形成过程中不发生化学反应，施加均匀电能，将皮膜材料激发离子化，使皮膜材料镀敷在处理品钢材的表面。因此，无须将处理品钢材加热到高温，所以PVD法处理时，可防止母材的软化和尺寸变化。此外，容易控制气相沉积速度。另一方面，PVD法要在较低的压力下进行，所以气相粒子的平均自由程大，气相粒子向母材表面直线行进，因此不容易达到处理品的背面和侧面。为解决这个问题，需要使处理品转动或设置多个皮膜材料蒸发源。

2.5.2 CVD 法

CVD 法是在对皮膜材料供给热能的同时，使皮膜材料发生热分解·合成等化学反应，产生蒸汽压低的元素和化合物。将这些元素和化合物真空镀敷在处理品钢材的表面。CVD法采用的是气体，所以容易达到处理品的背面和侧面。此外，CVD法是高温处理方法，所以皮膜与母材间形成了扩散层，使皮膜具有良好的密着性。另一方面，CVD法是高温处理方法，所以在将CVD用于低熔点母材和要求小变形的部件、以及加热会降低强度的母材时，须特别注意。

喷镀是将喷镀材料加热到熔融或接近熔融的状态后，将喷镀材料粒子团高速冲击母材表面，并熔敷在母材表面形成皮膜的表面处理方法。影响喷镀皮膜形成的喷镀粒子因子有：喷镀粒子材质、粒径、速度、温度、飞行时间。影响喷镀皮膜形成的主要母材因子有：母材材质、温度、表面粗度等。此外，喷镀气氛也很重要。

气体火焰喷镀法操作简便、设备费/运转费低。气体火焰多使用温度约3000℃氧乙炔火焰。但不适用于熔点高于3000℃的喷镀材料。

等离子喷镀法的热源是在阴极和阳极组成的气焊焊炬间产生的直流电弧。电弧将从焊炬后面输送来的Ar、N2等气体加热到等离子状态，并将其作为20000-30000℃的高温高速等离子射流，将粉末状的喷镀材料送入射流中，喷射到处理品表面形成喷镀皮膜。

真空喷镀法是为了减少在大气环境下喷镀皮膜中的气孔，将喷镀枪和母材安置在真空仓中进行喷镀的表面处理方法。在真空条件下，等离子射流的流速增大，在减少喷镀皮膜气孔的同时，喷镀材的化学成分变化很小，提高了喷镀皮膜对母材的密着性。

使用以铬和硫酸为主成分的镀液，用电极沉淀方法将Cr析出，在处理品表面形成硬质铬镀层。硬质铬镀层的硬度高达800-1000HV，并且经研磨可获得摩擦系数很小的光泽表面，所以被广泛用于耐磨损性镀层。过去的硬质铬镀层镀液中含有有害的6价铬，近年来提出了许多替代6 价铬的技术方案。

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PVD、CVD 表面处理方法，由于采用陶瓷、类金刚石镀膜（DLC）等超硬质皮膜镀敷技术，被广泛用于要求良好耐摩擦、抗氧化、耐滑动的部件制造。在这方面，关于超硬质皮膜与母材密着性的研究，使超硬质皮膜与母材密着性有飞跃性提高，对超硬质皮膜的广泛应用起了很大作用。超硬质皮膜的代表性用途是提高切削刀具、模具以及各种零部件的性能和耐久性。现在，关于超硬质皮膜与母材密着性的研究仍十分活跃。

今后仍将对提高高功能化表面改质皮膜的膜种和膜质进行深入研究。其中复合皮膜的研究引人注目。例如，缓解残余应力和提高密着性的复合皮膜就是这种皮膜。此外，出现了多层膜、多元膜的成膜和纳米积层膜等皮膜结构复杂化的发展动向。预计，氮化和气相沉积的复合表面改质技术，在提高模具和汽车部件的耐久性和高功能化方面，将会有进一步的发展。