特殊鋼各種表面硬化處理技術

噴丸處理

 

金屬材料發生加工硬化后，延性下降，但強度、疲勞極限、耐磨性升高。噴丸處理是用壓縮空氣或離心力將小球狀的顆粒或砂礫噴射到鋼材表面，使表面硬化并附加殘余壓縮應力的表面硬化處理方法。此外，鋼的疲勞強度受到鋼材表面粗度的影響，而噴丸處理是適于提高疲勞強度的表面處理方法。

 

滲碳淬火

 

滲碳淬火處理是使碳擴散滲入低碳鋼鋼材表面后，進行淬火，使鋼材表面硬化的表面硬化處理方法。滲碳淬火的方法有固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳、等離子滲碳等方法。

 

氣體滲碳

 

氣體滲碳是將天然氣、CH4、C2H6、C3H8等碳氫系氣體高溫分解，并混入近中性的CO、H2、N2，組成混合氣體，對鋼材進行滲碳的方法。滲碳氣體與加熱到高溫的鋼材接觸，氣體發生分解生成活性碳，產生滲碳效果。氣體滲碳的特點是容易控制鋼材表面的碳濃度。

 

液體滲碳

 

液體滲碳是將NaCN、KCN、K4Fe(CN)6 等氰化物為主要成分并混有NaCl 的滲碳劑裝入鋼制容器中，加熱熔融成鹽浴。將鋼材浸入熔融鹽浴。氰化物分解產生的活性CO和N，將C 和N 同時滲入鋼材表面的滲碳方法。該方法的優點是操作簡便、處理溫度低、滲碳時間短、處理品變形小。另一方面，由于使用含有氰化物離子的熔融鹽浴，所以必須實施防止公害發生的措施。

 

真空滲碳

 

真空滲碳的操作方法是，將鋼材裝入真空滲碳爐內，爐內減壓到1Pa 左右，并將爐溫升高到約1000℃的高溫。將C2H2、CH4、C2H4 等碳氫化合物氣體導入爐內，并在爐內分解產生碳。分解產生的碳接觸在真空加熱中活性化的鋼材表面，對鋼材進行滲碳。真空滲碳的優點是，由于是高溫滲碳，所以滲碳時間短，并可快速獲得均勻潔凈的滲碳層。

 

滲碳用鋼

 

滲碳用鋼為保持芯部的韌性，將碳含量限定在0.25%以下。此外，為了提高淬透性，鋼中也有添加Mn、Cr、Mo的情況和為了抑制奧氏體晶粒粗大和防止過剩滲碳，添加Ni 的情況。JIS 標準中規定的滲碳用鋼有機械結構用碳素鋼和Cr鋼、Cr‐Mo鋼、Ni‐Cr 鋼、Ni‐Cr‐Mo鋼、Mn 鋼、Mn‐Cr 鋼等各種機械結構用合金鋼。SCM 牌號的Cr‐Mo 滲碳用鋼力學性能高、質量效應小，用于一般零部件制造。SNCM牌號Ni‐Cr‐Mo鋼淬透性良好，用于大型部件和高強度齒輪的制造。

 

氮化處理

 

與滲碳法不同，氮化法是利用形成的氮化物使晶格變形，在鋼材表面產生殘余壓縮應力，使鋼材表面硬化的表面處理方法。由于滲碳法的加熱溫度低，所以被處理鋼材的變形很小。此外，被處理鋼材具有良好的耐磨性和耐蝕性。

 

氣體氮化

 

氣體氮化原理是，將氮化爐內氣氛置換為NH3后，將爐溫升高到500-550℃，并將氣體壓力調節到8×103-1×104Pa。NH3在高溫下分解為原子N和H，原子N與鋼中的Fe、Al、Cr 等元素生成氮化物，在鋼材表面形成氮化層，使鋼材表層硬化。

 

軟氮化

 

軟氮化是使用氰化物和堿金屬碳酸鹽的熔融鹽浴，利用氰化物分解對鋼材進行滲碳和滲氮的表面處理方法。在對普通結構鋼進行軟氮化處理后，鋼材表面硬度為500-700HV，所以被稱為軟氮化。軟氮化處理可提高鋼材的耐疲勞性，在汽車零部件制造中得到應用。此外，各鋼種經過軟氮化處理后，耐磨性和耐蝕性得到提高。軟氮化還有不用鹽浴的、在氣體中進行的氣體軟氮化法。

 

等離子氮化

 

等離子氮化的操作是，將處理品裝入密閉的容器內。將處理品作為陰極，容器壁作為陽極。在兩極間施加幾百伏的直流電壓。這時，處理品表面處的電壓急劇下降，N2 分子在陰極附近離子化，成為N+和N2+，這些離子在陰極空間被加速到高速度，對處理品進行沖擊。離子大部分高動能轉化為熱能，對處理品加熱，同時，N 滲入到處理品表面，使表面氮化。

 

等離子氮化的優點是氮化速度快，H+對處理品表面有清潔作用，通過對N2分壓、電壓、溫度、時間的控制，可調整氮化層的組織。等離子氮化的缺點是，因處理品的形狀和質量等原因，發生處理溫度不均勻的現象。為解決這個問題，最近開發出活性屏等離子體源滲氮法，目前正在全力以赴地推進該方法的研究。該方法在爐內設置籠形金屬屏作為陰極，實現了比較均勻的氮化。

 

氮化用鋼

 

氮化用鋼的必要條件是鋼的中心部位具有強韌性，同時鋼的表層具有可形成高硬度氮化層的化學成分。Al 和Cr 的鋼可發生顯著硬化。Mo 具有很好的防止500-530℃長時間氮化處理時發生回火脆性的作用。JIS 標準中規定了一個氮化用鋼鋼種：Al‐Cr‐Mo 系SACM645。

 

高頻表面淬火

 

在與處理品形狀相應的一次線圈中輸入高頻電流時，放置在線圈中的處理品被渦電流的焦耳熱和磁滯損耗產生的熱量加熱。電流頻率越大，感應電流越集中在處理品鋼材的表面。高頻表面淬火就是利用這個原理，只將處理品表層加熱到A1轉變點以上的溫度后立即急冷，只使處理品表層發生淬火硬化。高頻淬火用鋼是具有良好淬透性的含碳0.4%-0.6%C的碳素結構鋼和合金結構鋼。

 

氣相沉積法

 

氣相沉積方法是使硬質化合物皮膜附著在鋼材表面的表面處理方法。氣相沉積方法包括化學氣相沉積法（CVD）、物理氣相沉積法（PVD）。

 

PVD 法

 

PVD 法皮膜的形成過程中不發生化學反應，施加均勻電能，將皮膜材料激發離子化，使皮膜材料鍍敷在處理品鋼材的表面。因此，無須將處理品鋼材加熱到高溫，所以PVD法處理時，可防止母材的軟化和尺寸變化。此外，容易控制氣相沉積速度。另一方面，PVD法要在較低的壓力下進行，所以氣相粒子的平均自由程大，氣相粒子向母材表面直線行進，因此不容易達到處理品的背面和側面。為解決這個問題，需要使處理品轉動或設置多個皮膜材料蒸發源。

 

CVD 法

 

CVD 法是在對皮膜材料供給熱能的同時，使皮膜材料發生熱分解·合成等化學反應，產生蒸汽壓低的元素和化合物。將這些元素和化合物真空鍍敷在處理品鋼材的表面。CVD法采用的是氣體，所以容易達到處理品的背面和側面。此外，CVD法是高溫處理方法，所以皮膜與母材間形成了擴散層，使皮膜具有良好的密著性。另一方面，CVD法是高溫處理方法，所以在將CVD用于低熔點母材和要求小變形的部件、以及加熱會降低強度的母材時，須特別注意。

 

噴鍍

 

噴鍍是將噴鍍材料加熱到熔融或接近熔融的狀態后，將噴鍍材料粒子團高速沖擊母材表面，并熔敷在母材表面形成皮膜的表面處理方法。影響噴鍍皮膜形成的噴鍍粒子因子有：噴鍍粒子材質、粒徑、速度、溫度、飛行時間。影響噴鍍皮膜形成的主要母材因子有：母材材質、溫度、表面粗度等。此外，噴鍍氣氛也很重要。

 

氣體火焰噴鍍法操作簡便、設備費/運轉費低。氣體火焰多使用溫度約3000℃氧乙炔火焰。但不適用于熔點高于3000℃的噴鍍材料。

 

等離子噴鍍法的熱源是在陰極和陽極組成的氣焊焊炬間產生的直流電弧。電弧將從焊炬后面輸送來的Ar、N2等氣體加熱到等離子狀態，并將其作為20000-30000℃的高溫高速等離子射流，將粉末狀的噴鍍材料送入射流中，噴射到處理品表面形成噴鍍皮膜。

 

真空噴鍍法是為了減少在大氣環境下噴鍍皮膜中的氣孔，將噴鍍槍和母材安置在真空倉中進行噴鍍的表面處理方法。在真空條件下，等離子射流的流速增大，在減少噴鍍皮膜氣孔的同時，噴鍍材的化學成分變化很小，提高了噴鍍皮膜對母材的密著性。

 

硬質鉻鍍層

 

使用以鉻和硫酸為主成分的鍍液，用電極沉淀方法將Cr析出，在處理品表面形成硬質鉻鍍層。硬質鉻鍍層的硬度高達800-1000HV，并且經研磨可獲得摩擦系數很小的光澤表面，所以被廣泛用于耐磨損性鍍層。過去的硬質鉻鍍層鍍液中含有有害的6價鉻，近年來提出了許多替代6 價鉻的技術方案。