潘 健 生 (上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)
摘 要：本文擬就熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)、作用、國內(nèi)外差距和出路等問題，提出一些粗淺的看法，期望引起討論和得到讀者的批評(píng)指正。
關(guān)鍵詞：熱處理 表面改性 制造業(yè)
制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱。改革開放以來我國裝備制造業(yè)以平均每年17%的速率快速增長,目前我國裝備制造業(yè)的增加值僅次于美、日、德，居世界第四，已成為制造業(yè)大國, 但應(yīng)清醒地看到我國還不是制造業(yè)強(qiáng)國, 在國際制造業(yè)中處于低端地位，與國際先進(jìn)水平存在巨大差距。其中一個(gè)突出的問題是我國制造業(yè)的產(chǎn)品因質(zhì)量低、壽命短、可靠性差而缺乏競爭力，只能制造低品位、低附加值的產(chǎn)品，只能依靠產(chǎn)能的擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)增長。國防工業(yè)和許多重要工業(yè)部門所需的重要工藝裝備以及核心零部件依賴進(jìn)口的局面長期未能改觀，嚴(yán)重威脅我國國防安全和經(jīng)濟(jì)安全。
我國熱處理(含表面改性，下同)技術(shù)的落后是造成這種狀況的主要原因之一。已成為制約我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，應(yīng)引起高度重視。本文擬就熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)、作用、我國在此領(lǐng)域與國際發(fā)達(dá)國家的差距和發(fā)展出路等問題，提出一些粗淺的看法，期望引起討論并得到讀者的批評(píng)指正。
1 熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)
材料的性能并不單純?nèi)Q于材料的種類和成分，通過熱處理和表面改性改變材料內(nèi)部的組織，將大幅度改變材料性能。例如：高速鋼在退火狀態(tài)硬度不高于280HB并有相當(dāng)好的塑性和韌性，在經(jīng)過淬火回火之后則有很高的硬度、紅硬性和耐磨性。由于溶入基體中的合金元素的含量以及奧氏體的晶粒度都和淬火溫度有關(guān)，其趨勢是硬度、紅硬性隨淬火溫度提高而提高，韌性則隨之下降，強(qiáng)度則是先升后降 (圖1)。利用這種規(guī)律，可以根據(jù)不同刀具和模具的使用特點(diǎn)選擇各自最佳的淬火溫度(表1),車刀具的刃部和刀柄都比較厚實(shí)，對(duì)強(qiáng)度要求不高，承受沖擊載荷較輕, 可以采用接近于熔點(diǎn)的淬火溫度，使盡可能多的合金元素和碳溶入奧氏體中，從而提高紅硬性和耐磨性。鉆頭鉆孔時(shí)刃口不易冷卻，希望盡可能提高其紅硬性，但為防止扭斷，鉆頭需要有較高強(qiáng)度，因此其淬火溫度略低于車刀。銑刀和絞刀的刃口較薄，為了避免崩刃，要求有足夠的韌性，應(yīng)適當(dāng)降低淬火溫度，小鉆頭使用時(shí)主要損壞方式是扭斷或折斷，為保證較高強(qiáng)度宜進(jìn)一步降低淬火加熱溫度。冷擠壓模具承受很高的應(yīng)力，而對(duì)紅硬性要求不高，所以選擇出現(xiàn)強(qiáng)度峰值的淬火加熱溫度，而對(duì)于一些細(xì)長的或形狀復(fù)雜，受較大沖擊載荷的冷沖模，則應(yīng)選擇更低的淬火溫度。表1說明用同一種鋼制造的刀具或模具，應(yīng)根據(jù)使用情況和失效的方式選擇不同的淬火溫度，其變化的范圍達(dá)到150℃。但對(duì)于一個(gè)具體的工件而言，只允許±5℃的偏差。
結(jié)構(gòu)鋼和低合金工具鋼也有類似的情況，預(yù)先熱處理組織、淬火加熱溫度、冷卻方式、回火溫度都對(duì)鋼的性能有明顯的影響，它們之間的不同組合可以使材料獲得不同的綜合性能。結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性和彈性極限都隨著淬火后的回火溫度而變化，對(duì)于要求具有高塑性、高韌性特別是低的缺口敏感性的工件通常選用高溫回火(調(diào)質(zhì)處理)，而要求高強(qiáng)度和較高硬度的工件選用200℃左右的低溫回火，例如30CrMnSi，40CrNiMo淬火后200℃回火抗拉強(qiáng)度可高達(dá)1600~1800MPa，比調(diào)質(zhì)提高1 倍左右。各類彈簧等彈性元件通常選用呈現(xiàn)彈性極限峰值的中溫回火。此外等溫淬火、二相區(qū)加熱淬火和形變熱處理等工藝都可以使結(jié)構(gòu)鋼獲得良好強(qiáng)韌性。至于各種化學(xué)熱處理和表面涂覆技術(shù)則可以通過調(diào)整工藝參數(shù)改變滲層表面的濃度和滲層深度以及控制濃度梯度和性能梯度，以適應(yīng)不同工件的不同的服役條件對(duì)工件整體綜合性能的要求，例如不同零件的滲碳處理，應(yīng)該有不同技術(shù)要求，才能獲得良好的使用性能(表2)，石油鉆井的牙輪鉆，滲碳層表面濃度由0.9~1.0%C 降低到0.7~0.8 %C，并使?jié)舛确植记€呈平臺(tái)狀，使用壽命由27小時(shí)提高到52小時(shí)，收到一個(gè)鉆井隊(duì)抵二個(gè)鉆井對(duì)的效果，又例如用離子注入的方法進(jìn)行表面改性處理可以在不改變整體的強(qiáng)度、韌性的同時(shí)，大幅度提高耐磨性、降低摩擦系數(shù)、提高抗蝕性，應(yīng)用于航天器上各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的軸承和各種摩擦件、飛機(jī)上的液壓馬達(dá)中的耐磨零件、以及石油工業(yè)泥漿泵的套筒等均取得良好的效果。在有些情況下針對(duì)工件的特點(diǎn)采用一些看似“非正規(guī)”的熱處理工藝，能收到出奇效果：3Cr2W8熱模鋼的淬火溫度范圍一般為1050~1120℃，但鍋爐鋼管熱擠壓模，在模具型腔中相當(dāng)于鋼管散熱筋二側(cè)的位置，承受很大的應(yīng)力，容易在熱態(tài)下屈服而使模具失效。經(jīng)過試驗(yàn)將淬火溫度提高到1170~1180℃，淬火冷卻時(shí)水冷至~650℃，然后轉(zhuǎn)入低溫鹽浴中冷卻，模具壽命提高幾倍;水稻收割機(jī)刀片，用高濃度碳氮共滲處理;表面層出現(xiàn)大量碳化物和殘余奧氏體，按常規(guī)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)被視為不合格，但因具有很高的耐磨性和良好的抗蝕性，水稻收割機(jī)刀片的使用壽命比常規(guī)滲碳處理高數(shù)倍。
