机械制造技术中钢的表面处理技术分析探讨

机械能正常运转，零件在其中发挥重要作用。零件职能的不同，对其特性的要求也不尽相同，比如曲轴和齿轮一直在动载荷和摩擦状态中工作，要求二者具有高硬度、高强度和抗耐磨的表面特性，并且要求核心部位拥有足够的韧性和强度，仅靠材料自身性质是无法满足作业要求的，目前工业上普遍采用对零件表面热处理的方式改变其表面层的组织或化学成分，令其更符合作业要求的标准。热处理的过程中改变了材料内部的组织结构和性能，不改变零件本身的形状和尺寸，大幅提升金属材料的性能，充分挖掘钢件的潜能，提升其在作业中的作用。

1 钢的预备热处理

为使零件更符合作业要求，消除其材料缺陷并且为坯料或半成品后续切削加工做准备而进行的热处理被称作为预备热处理。常见的预备热处理有退火和正火，预备热处理也可作为一般普通铸件和性能要求不高的零件的最终热处理[1]。

1.1 退火

退火指将钢加热到预期温度，保持一定时间后通过缓慢冷却或控制冷却的方式进行的热处理工艺。退火能降低钢的硬度，提升其可塑性能，调整组织，稳定尺寸，减少钢的变形和裂纹倾向，为随后的工序做好提前准备。生产中常用的退火手段有球化退火、完全退火和应力退火等，根据工件的不同要求灵活选择退火方式[2]。

1.2 正火

正火，也叫常化，是为了提高钢材韧性而进行的热处理。处理过程是将钢材加热到Ac3 温度以上30-50℃后，将其保持一段时间后放置在空气中冷却。正火的冷却速度比退火快、比淬火慢，在这样的冷却速度中能使钢材结晶晶粒细化，使强度和韧度都达到符合要求的状态。对力学性能要求不高的常规钢材零件可将正火作为最终热处理，能有效提升低碳合金钢和低碳钢的可塑性，渗碳处理后能消除网状渗碳体。

1.3 如何选用退火和正火

退火和正火的选用原则可从以下几个方面分别考虑：切削加工性、使用性能、经济角度。切削加工性包括切削脆性、硬度、对切削工具的磨损等，一般硬度在nb170～230 之间的金属切削性较好，高于这个硬度则金属过硬，加工难度大，且切削工具磨损程度大；低于这个硬度则切屑不易断，切削后的零件表面过于粗糙。所以正火可以作为低、中碳结构钢的预备热处理，退火可以作为高碳结构钢和工具钢的预备热处理[3]。

从使用性能方面考虑的话，如果工件随后不会进行淬火和回火处理并且对性能要求不高，则可选择正火提高其性能；但若工件形状复杂，则需要选用退火进行预备热处理，因为正火冷却速度过快，易造成裂纹现象[4]。

从经济角度考虑，正火比退火需要的操作时间和耗能更少，并且操作简便，条件允许情况下可优先考虑正火。

2 钢的最终热处理

淬火和回火是被广泛应用的钢材的最终热处理工艺，目的是为了提高钢材的强度、硬度和耐磨性等性能，在实际生产中这两种热处理工艺常非常紧密的配合作用。

由于各类工件的用途广泛多样，对性能的要求差别很大，钢件在经过淬火后虽然获得较高的强度和硬度，但脆性和淬火应力也随之加大，所以在淬火后通常配合适当回火。调控不同的回火温度获得不同的组织，进而使钢件拥有不同的性能，来满足不同工作环境的不同要求。

3 钢的表面热处理

钢的表面热处理是为了提升钢件的耐磨性和抗疲劳性而对钢件表面进行的加热、冷却的金属热处理工艺，主要采取表面淬火和化学表面热处理两种工艺。

3.1 表面淬火

即为使钢件表面获得淬火的工艺，为了使钢件表面的硬度、强度、耐磨性和抗疲劳强度都得到提到，但心部仍保持原有性能。淬火方法通常采用电磁感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火两种。电磁感应加热表面淬火采取的方式是将钢件放置在加热感应圈内，在感应圈中接入交变电流构成交变磁场。感应圈多采用铜制，在管内注入冷水预防工作升温[5]。

火焰加热表面淬火是用痒-乙炔火焰或天然气火焰快速加热钢件表面，在表面达到淬火温度后喷水淬冷。火焰加热表演淬火所需工具简单，对小批、单件钢件的加工和维修经常采取此种方式。但是需要注意的是此种方式对钢件表面温度的掌控度不强，使得淬火效果不稳定。

3.2 化学表面热处理

化学表面热处理是将钢件置于需要的介质中，通过加热令介质中的元素发生扩散或与钢件表面成分发生化学反应，使介质中的元素渗入到钢件表面中，以此来改变钢件表面的化学成分和组织达到所需标准。按渗入元素的不同可以将化学表面热处理分为渗金属、渗非金属及金属与非金属三个种类。此种热处理工艺主要用于提高钢件表面的强度、硬度、耐磨性、某类物理性能或化学性能等。在生产中最常见的化学表面热处理工艺有氮化、渗碳和碳氮共渗三种工艺。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2021/0623/675.html