浅谈中国热处理工艺方法的发展趋势和主要存在问题

刘春菱

（新城光大热处理有限公司，江苏 常州 213161）

1 钢的热处理工艺方法

1.1 退火

退火和淬火均属于预先热处理，是在铸造和粗加工之间而开展的一种热处理工艺方法，目的是消除铸造的缺陷，提高金属性能，同时为粗加工提供一定的温度环境。退火指的是将工件加热到某一临近温度时，随后经过保温、冷却而使金属组织结构达到某种所需平衡状态的一种热处理工艺方法，退火按其工艺目的和原料成分可以分为：完全退火、球化退火、等温退火、去应力退火和均匀化退火五种类型，完全退火在时间上消耗最长，完全退火主要应用于含有亚共析成分的工件以及热轧型材等，大多被用于预先热处理；球化退火属于不完全退火，球化退火主要应用于共析钢和合金工具钢，这种工艺方法通过使钢宁的碳化物球化，从而降低硬度的同时提高其塑韧性；等温退火所需要的时间较完全退火所需时间短，这使得热处理炉的效率大幅度提升，但是由于收到工件尺寸和设备条件等多方面的限制，等温退火的应用率较低；去应力退火属于无相变的退火，它通过减小工件在加工处理过程中所产生的切应力，从而增强工件抗形变能力，一般应用在精加工和猝火之间进行，此过程中需要严格控制加热温度；均匀化退火指的是将工件的加热温度固定于临界线之下，主要应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，主要区别是热处理所需要的冷却温度条件，正火冷却速度比完全退火的冷却速度快，正火所得到的属于非平衡组织，而完全退火得到的则属于平衡组织，正火被广泛应用于消除网状碳化物的加工处理，对于碳含量在0.4%以下的工件，均可使完全退火被正火取代，正火也普遍应用于预先热处理。

1.3 淬火

淬火本质上指的是工件经过奥氏体化随后冷却而实现马氏体向贝氏体转变的过程，淬火的意义在于提高工件的硬度、增加其耐磨性，淬火受到温度和冷却介质的影响，淬火时的温度主要根据工件的化学成分确定，而冷却介质是淬火过程中最关键的因素，常用冷却介质的冷却能力由高到低依次是盐水、水、油，进行淬火需要保证的原则是：保证奥氏体的冷却同时实现马氏体向贝氏体的转变，避免工件产生较大的变形。随着我国科学技术的不断发展，已经开发出新型的淬火介质，但是水和油仍然是应用最广泛的淬火介质，水具有较好的冷却能力，而油的冷却能力随温度升高而降低，淬火的最大优点是形变小，组织性能高。

1.4 回火

回火属于热处理工艺的最基本工序，具体指的是淬火后将工件加热到临界温度，最终再冷却至室温的方法，回火的意义主要是消除淬火而产生的内应力，稳定工件的组织性能，回火和淬火相结合，可以满足工件的基本性能。回火共包括三种类型：低温回火、中温回火、低温回火，低温回火可以降低工件的残余应力、脆性，同时提高工件的硬度和耐磨性；中温回火可以提高工件的可塑性和韧性，高温回火可以完全消除残余切力。

2 中国热处理工艺方法的发展趋势

2.1 降低热处理温度的工艺方法

2.1.1 降低热处理温度进行热处理的依据

根据《钢制压力容器焊接规程》，对目前常用钢号作出具体热处理规定，针对不同类型的工件，对热处理温度作出不同的规定，针对碳素钢，其最佳热处理温度为600℃～640℃，同时，为了提高工件的组织性能，该文件中有规定降低热处理温度，同时增加保温时间。《压力容器安全技术监察规程》，该文件中对热处理温度以及保温时间等问题做出了综合性说明，降低热处理温度，同时延长热处理保温时间可以有效保证设备安全，同时又不影响工件的组织性能。

2.1.2 降低热处理温度，延长保温时间的具体规定

如果碳素钢或者高强度型合金工件热处理温度低于所规定的临界温度时，需要根据《钢制压力容器焊接规程》文件中所显示的与所规定的临界温度相差的温度数值来确定最短保温时间，例如比所规定的临界温度低25℃时，则需要提供最短保温时间为两小时，同时最短保温时间又受到热处理工件的厚度影响，当热处理工件的厚度每增加25mm时，则需要相应的延长缩短保温时间15min。

2.1.3 热处理时设备的安全可靠性

第一，与金属材料高温机械性能有关的数据，一般有弓箭的最高使用温度来衡量金属材料高温机械性能，大多工件随温度的升高，机械性能强度呈下降趋势。第二，五百摄氏度热处理温度下金属材料许用应力的确定，主要是受长期强度制约，导致大多刚才在高温下的许用应力较低，也可采用屈服强度作为指标来确定处理时的许用应力。第三，500℃热处理时设备的强度校核，通过最重的热处理炉计算许用应力来确定设备是否安全。第四，选取合理的降低温度数值，需要综合施工效率，安全可靠性以及热处理时的许用应力等多种因素共同考虑，最后实现安全和热处理效能共同提高。

2.2 高温下分区分段热处理工艺方法

2.2.1 方法说明

将待热处理的工件等分为八份，每部分相邻分别称为A区和B区，首先对所有部分均进行热处理，待整体温度上升到临界温度时，仅对A区进行加热，B区保持临界温度保温处理，最后将A区温度下降至临界温度，保温一段时间后，仅对B区进行加热，而保持A区温度不变，随后将B区温度迅速下降至临界温度，最终在所有区域内同时进行降温处理。

2.2.2 分区分段热处理方法的效果和优点

分区分段热处理可确保工件在热处理过程中，设备安全可靠，同时需要注意A区、B区分区分段热处理是在较高温度基础上进行的加热，所以A区、B区在热处理过程中，两者温差较小，在一定程度上减小了过大温差应力的作用，在实际热处理过程中，可以适当的提高临界温度，缓解热量的损失带来的误差，同时进一步减小温差应力。

3 中国热处理工艺方法的主要存在问题

3.1 渗碳层浓度过高

渗碳层浓度过高主要是渗碳层在浅层中存在块状碳化物或者有网状碳化物眼晶界分布，其产生的主要原因是加工处理过程中渗碳炉内的炉气碳势过高，导致炉内外气压不相平衡，最终导致炉内向外滴油量太多；另外，加工处理过程中在渗碳扩散阶段的扩散能力不充分，导致在扩散过程中扩散温度不均匀或者扩散时间过短或过长。为了改善渗碳层浓度过高的现象，可以合理控制渗碳炉的炉内气压，及时调整渗碳剂的滴速，另外，在热处理过程中根据实际情况合理延长或者缩短扩散时间。一旦发生了渗碳层浓度过高的情况，可以使扩散过程处于900℃～920℃之间，通过控制合理的温度消除过多的碳化物，对于分布的网状碳化物眼晶界，可以通过二次加热淬火消除。

3.2 渗碳层浓度过低

渗碳层浓度过低，主要表现为，在退火状态时，渗碳层组织呈现亚共析状态，其次，在淬火后工件脆性较高，硬度不够。其主要原因是，在渗碳过程中，炉内气碳势过低，工件装炉量过大，或者炉内气循环不良。针对渗碳层浓度过低这个问题，需要将炉气碳势严格控制在所需要的范围内，另外，需要减少工件的装炉量，对炉内气循环系统进行完善，在工件装炉时，尽量保证工件间隙的均匀，必要时使用铁块进行校正。在实际操作过程中，如果出现渗碳层浓度过低的现象，可以在现有的基础设施和现有技术上，允许重新渗碳，对其进行补渗。

3.3 表面脱碳

表面脱碳主要表现为，在检验过程中，工件出现硬度偏低，但在抛光后硬度检验合格，或者，在金相组织表层可观察到屈氏体、铁素体或索氏体等，其主要原因有，工件渗碳后，在冷却处理过程中，由于工件堆放重叠的原因导致工件冷却时间较长，或者再重新加热淬火时，炉气碳势较低，造成工件表面脱碳的现象。针对表面脱碳这个问题，工件在冷却过程中，避免其密集堆放，通过加快空气流通的方法，减少冷却所需要的时间，也可以通过严格控制加热介质的碳势，在实际操作过程中，如果出现表面脱碳的现象，当脱碳层低于磨削余量，则可允许其通过，当脱碳层高于磨削余量，则需要对其进行报废处理。

3.4 材料裂纹

材料裂纹主要表现为，裂纹顺工件轴向内直线延伸，裂纹几乎无弯曲，呈直线状态，甚至可达到与工件长度一致，材料裂纹主要是由于原材料存在缺陷，对于工件材料产生裂纹的现象，为了保障热处理之后的工件可以正常投入使用，大多不建议对裂纹进行修复，在实际操作中，一般对存在裂纹的原材料进行报废处理，以便于其进行再生产。

3.5 渗碳层超差

渗碳层超差，主要表现为渗碳层在深度指标上存在过深或过浅的偏差，其主要原因是热处理过程中渗碳温度控制不当，渗碳温度存在偏高或偏差的现象，另外，渗碳时间无法准确掌握，存在过长或过短的现象，针对渗碳层超差这个问题，在实际生产中，应当经常校对炉温，同时，利用电子设备对渗碳时间严格控制，一旦出现渗碳层超差的现象，可以对渗碳层进行过厚报废，或者在渗碳层过浅时，允许其实施补渗。

3.6 渗碳层深度不均匀

渗碳层深度不均匀主要表现在，观察工件横切面时，可以发现，渗碳层深度和厚度呈现不均匀状态，其主要原因有，工件表面往往附有积灰或脏物，或者工件表面之间存在相互叠加，而使在相邻工件之间产生相互作用力，两者之间长期相互作用，会导致工件发生形变，装炉不规范也会导致渗碳层深度不均匀。为了消除渗碳层深度不均匀的现象，可以在保证渗碳深度不超差的前提下，合理降低热处理温度，通过降低温度，实现有效补渗。

4 结语

金属热处理是机械制造的基础环节，热处理工艺大多是通过对工件内部的组织结构以及工件表面的化学成分进行加工处理，而不改变工件的整体化学成分，以及表面形状，通过微观结构改善了工件的组织性能。随着国际经济形势的逐渐好转，国家不断完善内需政策的调控，我国，钢的供求关系逐渐趋于平衡，需要不断加强对热处理工艺的研究，提升我国热处理工艺的整体水平。