淺談中國熱處理工藝方法的發展趨勢和主要存在問題

劉春菱

（新城光大熱處理有限公司，江蘇 常州 213161）

1 鋼的熱處理工藝方法

1.1 退火

退火和淬火均屬于預先熱處理，是在鑄造和粗加工之間而開展的一種熱處理工藝方法，目的是消除鑄造的缺陷，提高金屬性能，同時為粗加工提供一定的溫度環境。退火指的是將工件加熱到某一臨近溫度時，隨后經過保溫、冷卻而使金屬組織結構達到某種所需平衡狀態的一種熱處理工藝方法，退火按其工藝目的和原料成分可以分為：完全退火、球化退火、等溫退火、去應力退火和均勻化退火五種類型，完全退火在時間上消耗最長，完全退火主要應用于含有亞共析成分的工件以及熱軋型材等，大多被用于預先熱處理；球化退火屬于不完全退火，球化退火主要應用于共析鋼和合金工具鋼，這種工藝方法通過使鋼寧的碳化物球化，從而降低硬度的同時提高其塑韌性；等溫退火所需要的時間較完全退火所需時間短，這使得熱處理爐的效率大幅度提升，但是由于收到工件尺寸和設備條件等多方面的限制，等溫退火的應用率較低；去應力退火屬于無相變的退火，它通過減小工件在加工處理過程中所產生的切應力，從而增強工件抗形變能力，一般應用在精加工和猝火之間進行，此過程中需要嚴格控制加熱溫度；均勻化退火指的是將工件的加熱溫度固定于臨界線之下，主要應用于某些含有偏析成分的工件。

1.2 正火

正火和完全退火的原理基本相似，主要區別是熱處理所需要的冷卻溫度條件，正火冷卻速度比完全退火的冷卻速度快，正火所得到的屬于非平衡組織，而完全退火得到的則屬于平衡組織，正火被廣泛應用于消除網狀碳化物的加工處理，對于碳含量在0.4%以下的工件，均可使完全退火被正火取代，正火也普遍應用于預先熱處理。

1.3 淬火

淬火本質上指的是工件經過奧氏體化隨后冷卻而實現馬氏體向貝氏體轉變的過程，淬火的意義在于提高工件的硬度、增加其耐磨性，淬火受到溫度和冷卻介質的影響，淬火時的溫度主要根據工件的化學成分確定，而冷卻介質是淬火過程中最關鍵的因素，常用冷卻介質的冷卻能力由高到低依次是鹽水、水、油，進行淬火需要保證的原則是：保證奧氏體的冷卻同時實現馬氏體向貝氏體的轉變，避免工件產生較大的變形。隨著我國科學技術的不斷發展，已經開發出新型的淬火介質，但是水和油仍然是應用最廣泛的淬火介質，水具有較好的冷卻能力，而油的冷卻能力隨溫度升高而降低，淬火的最大優點是形變小，組織性能高。

1.4 回火

回火屬于熱處理工藝的最基本工序，具體指的是淬火后將工件加熱到臨界溫度，最終再冷卻至室溫的方法，回火的意義主要是消除淬火而產生的內應力，穩定工件的組織性能，回火和淬火相結合，可以滿足工件的基本性能。回火共包括三種類型：低溫回火、中溫回火、低溫回火，低溫回火可以降低工件的殘余應力、脆性，同時提高工件的硬度和耐磨性；中溫回火可以提高工件的可塑性和韌性，高溫回火可以完全消除殘余切力。

2 中國熱處理工藝方法的發展趨勢

2.1 降低熱處理溫度的工藝方法

2.1.1 降低熱處理溫度進行熱處理的依據

根據《鋼制壓力容器焊接規程》，對目前常用鋼號作出具體熱處理規定，針對不同類型的工件，對熱處理溫度作出不同的規定，針對碳素鋼，其最佳熱處理溫度為600℃～640℃，同時，為了提高工件的組織性能，該文件中有規定降低熱處理溫度，同時增加保溫時間。《壓力容器安全技術監察規程》，該文件中對熱處理溫度以及保溫時間等問題做出了綜合性說明，降低熱處理溫度，同時延長熱處理保溫時間可以有效保證設備安全，同時又不影響工件的組織性能。

2.1.2 降低熱處理溫度，延長保溫時間的具體規定

如果碳素鋼或者高強度型合金工件熱處理溫度低于所規定的臨界溫度時，需要根據《鋼制壓力容器焊接規程》文件中所顯示的與所規定的臨界溫度相差的溫度數值來確定最短保溫時間，例如比所規定的臨界溫度低25℃時，則需要提供最短保溫時間為兩小時，同時最短保溫時間又受到熱處理工件的厚度影響，當熱處理工件的厚度每增加25mm時，則需要相應的延長縮短保溫時間15min。

2.1.3 熱處理時設備的安全可靠性

第一，與金屬材料高溫機械性能有關的數據，一般有弓箭的最高使用溫度來衡量金屬材料高溫機械性能，大多工件隨溫度的升高，機械性能強度呈下降趨勢。第二，五百攝氏度熱處理溫度下金屬材料許用應力的確定，主要是受長期強度制約，導致大多剛才在高溫下的許用應力較低，也可采用屈服強度作為指標來確定處理時的許用應力。第三，500℃熱處理時設備的強度校核，通過最重的熱處理爐計算許用應力來確定設備是否安全。第四，選取合理的降低溫度數值，需要綜合施工效率，安全可靠性以及熱處理時的許用應力等多種因素共同考慮，最后實現安全和熱處理效能共同提高。

2.2 高溫下分區分段熱處理工藝方法

2.2.1 方法說明

將待熱處理的工件等分為八份，每部分相鄰分別稱為A區和B區，首先對所有部分均進行熱處理，待整體溫度上升到臨界溫度時，僅對A區進行加熱，B區保持臨界溫度保溫處理，最后將A區溫度下降至臨界溫度，保溫一段時間后，僅對B區進行加熱，而保持A區溫度不變，隨后將B區溫度迅速下降至臨界溫度，最終在所有區域內同時進行降溫處理。

2.2.2 分區分段熱處理方法的效果和優點

分區分段熱處理可確保工件在熱處理過程中，設備安全可靠，同時需要注意A區、B區分區分段熱處理是在較高溫度基礎上進行的加熱，所以A區、B區在熱處理過程中，兩者溫差較小，在一定程度上減小了過大溫差應力的作用，在實際熱處理過程中，可以適當的提高臨界溫度，緩解熱量的損失帶來的誤差，同時進一步減小溫差應力。

3 中國熱處理工藝方法的主要存在問題

3.1 滲碳層濃度過高

滲碳層濃度過高主要是滲碳層在淺層中存在塊狀碳化物或者有網狀碳化物眼晶界分布，其產生的主要原因是加工處理過程中滲碳爐內的爐氣碳勢過高，導致爐內外氣壓不相平衡，最終導致爐內向外滴油量太多；另外，加工處理過程中在滲碳擴散階段的擴散能力不充分，導致在擴散過程中擴散溫度不均勻或者擴散時間過短或過長。為了改善滲碳層濃度過高的現象，可以合理控制滲碳爐的爐內氣壓，及時調整滲碳劑的滴速，另外，在熱處理過程中根據實際情況合理延長或者縮短擴散時間。一旦發生了滲碳層濃度過高的情況，可以使擴散過程處于900℃～920℃之間，通過控制合理的溫度消除過多的碳化物，對于分布的網狀碳化物眼晶界，可以通過二次加熱淬火消除。

3.2 滲碳層濃度過低

滲碳層濃度過低，主要表現為，在退火狀態時，滲碳層組織呈現亞共析狀態，其次，在淬火后工件脆性較高，硬度不夠。其主要原因是，在滲碳過程中，爐內氣碳勢過低，工件裝爐量過大，或者爐內氣循環不良。針對滲碳層濃度過低這個問題，需要將爐氣碳勢嚴格控制在所需要的范圍內，另外，需要減少工件的裝爐量，對爐內氣循環系統進行完善，在工件裝爐時，盡量保證工件間隙的均勻，必要時使用鐵塊進行校正。在實際操作過程中，如果出現滲碳層濃度過低的現象，可以在現有的基礎設施和現有技術上，允許重新滲碳，對其進行補滲。

3.3 表面脫碳

表面脫碳主要表現為，在檢驗過程中，工件出現硬度偏低，但在拋光后硬度檢驗合格，或者，在金相組織表層可觀察到屈氏體、鐵素體或索氏體等，其主要原因有，工件滲碳后，在冷卻處理過程中，由于工件堆放重疊的原因導致工件冷卻時間較長，或者再重新加熱淬火時，爐氣碳勢較低，造成工件表面脫碳的現象。針對表面脫碳這個問題，工件在冷卻過程中，避免其密集堆放，通過加快空氣流通的方法，減少冷卻所需要的時間，也可以通過嚴格控制加熱介質的碳勢，在實際操作過程中，如果出現表面脫碳的現象，當脫碳層低于磨削余量，則可允許其通過，當脫碳層高于磨削余量，則需要對其進行報廢處理。

3.4 材料裂紋

材料裂紋主要表現為，裂紋順工件軸向內直線延伸，裂紋幾乎無彎曲，呈直線狀態，甚至可達到與工件長度一致，材料裂紋主要是由于原材料存在缺陷，對于工件材料產生裂紋的現象，為了保障熱處理之后的工件可以正常投入使用，大多不建議對裂紋進行修復，在實際操作中，一般對存在裂紋的原材料進行報廢處理，以便于其進行再生產。

3.5 滲碳層超差

滲碳層超差，主要表現為滲碳層在深度指標上存在過深或過淺的偏差，其主要原因是熱處理過程中滲碳溫度控制不當，滲碳溫度存在偏高或偏差的現象，另外，滲碳時間無法準確掌握，存在過長或過短的現象，針對滲碳層超差這個問題，在實際生產中，應當經常校對爐溫，同時，利用電子設備對滲碳時間嚴格控制，一旦出現滲碳層超差的現象，可以對滲碳層進行過厚報廢，或者在滲碳層過淺時，允許其實施補滲。

3.6 滲碳層深度不均勻

滲碳層深度不均勻主要表現在，觀察工件橫切面時，可以發現，滲碳層深度和厚度呈現不均勻狀態，其主要原因有，工件表面往往附有積灰或臟物，或者工件表面之間存在相互疊加，而使在相鄰工件之間產生相互作用力，兩者之間長期相互作用，會導致工件發生形變，裝爐不規范也會導致滲碳層深度不均勻。為了消除滲碳層深度不均勻的現象，可以在保證滲碳深度不超差的前提下，合理降低熱處理溫度，通過降低溫度，實現有效補滲。

4 結語

金屬熱處理是機械制造的基礎環節，熱處理工藝大多是通過對工件內部的組織結構以及工件表面的化學成分進行加工處理，而不改變工件的整體化學成分，以及表面形狀，通過微觀結構改善了工件的組織性能。隨著國際經濟形勢的逐漸好轉，國家不斷完善內需政策的調控，我國，鋼的供求關系逐漸趨于平衡，需要不斷加強對熱處理工藝的研究，提升我國熱處理工藝的整體水平。