节能复合热处理技术及其应用

■金荣植

复合热处理是将两种或更多的热处理工艺复合，或是将热处理与其他加工工艺复合，以更大程度地挖掘材料潜力，使零件获得单一工艺所无法达到的优良性能。同时可以尽量节约能源，降低成本，提高生产效率。

例如热处理与化学热处理相复合、两种化学热处理方法相复合、化学热处理与涂层（化学沉积）相复合，以及热处理与其他工艺相复合等。

形变热处理与化学热处理复合，如锻热渗碳淬火，是将锻造形变后零件随即放入渗碳炉中渗碳，然后直接淬火，从而省去渗碳时零件加热所需电能；锻热淬火渗氮，是在进行锻热淬火后，将高温回火过程与渗氮（或氮碳共渗）合并进行；低温形变淬火渗硫，是在低温形变淬火后，使低温回火过程与低温电解渗硫合并进行，从而节省能耗。

目前国内外发展较快的复合表面热处理技术有：表面化学热处理或表面覆层处理+表面化学热处理复合，化学热处理+电镀复合、激光淬火+化学热处理复合、化学热处理+气相沉积复合、等离子弧喷涂+激光表面改性复合、离子注入+气相沉积复合等，并已获得良好的应用效果。

一、回火+表面氧化

钢铁零件通过一定的处理，使零件表面形成一层F e3O4薄膜，可达到耐磨、耐蚀以及美观的效果。由于发黄处理（氧化处理）零件表面没有落色等缺陷，且表面光泽，处理成本低，目前已在部分产品上替代发黑处理，例如自行车飞轮的表面氧化多采用发黄处理。

（1）常规方法 其是将零件浸入氧化性盐浴中进行表面氧化处理。由于硝酸盐及亚硝酸盐等化工原料的使用，在操作过程中有大量有毒的废液和废水产生，存在环保问题。为解决这一难题，已开发出一种在回火过程中氧化的复合处理工艺，即回火+表面氧化处理。

（2）复合处理工艺 生产零件为Q215AF钢制自行车飞轮外套。氧化处理前进行中温碳氮共渗淬火和喷丸处理。然后在120kW网带式回火炉中进行回火处理。在回火过程中，活性工件表面与空气中的氧发生反应，在低温时生成Fe3O4薄膜。当氧化膜的厚度超过光的波长时，工件表面将按氧化膜厚度的不同而显示出不同的颜色，即回火氧化色。其色泽与回火温度的高低有关。碳钢回火时表面色泽与回火温度的一般关系如表1所示。根据表1选择一定的回火温度对零件进行回火处理，即可在其表面得到相应的氧化色泽，从而可在回火的同时完成表面氧化处理。

由表1检验结果可知，零件表面氧化膜的色泽主要与回火温度有关，与处理时间关系不大。随着处理时间的延长，氧化膜致密性增加。考虑到色泽、致密性以及表面硬度、炉温的均匀度与波动性的影响，可取230～240℃×30min的处理工艺。

表1 零件回火与氧化复合处理结果

序号处理温度/℃表面色泽处理时间/min3%CuSO4析出Cu时间/s回火硬度HRA 1 220黄白202482 2 302880 3 403079 4 230黄色203880 5 304578 6 404878 7 240金黄205078 8 305877 9 406075

此复合处理新工艺，使零件在回火的同时氧化着色，完全省去了盐浴加热氧化处理工序，故新工艺省电、省时。同时，完全避免了有毒原料的使用。

二、流态炉发蓝+淬火

流态粒子炉发蓝+淬火复合工艺过程：机加工→表面净化→粒子炉预热发蓝（580℃）→流态粒子炉加热淬火→皂化除油。比较理想的工艺实施是使用两台炉膛尺寸相同的石墨流态粒子炉。石墨流态粒子炉发蓝淬火复合工艺如图1所示。

流态粒子炉发蓝+淬火复合处理的综合费用仅是碱性发蓝的1/2，是室温发蓝的1/3。

三、淬火+发蓝

淬火+发蓝工艺是淬火与发蓝复合热处理工艺，即工件在淬火的同时完成发蓝，省去了单一淬火工序和几道发蓝工艺流程中的有机溶剂除油→化学除油→热水洗→流动冷水洗→酸洗→流动冷水洗工序，既提高了生产效率，又节约了成本，可广泛应用于碳钢、低碳合金钢产品淬火与发蓝处理。

淬火发蓝液（质量分数）配方：NaOH5%+NaNO320% +N a N O21 5%+K N O31 5%+ H2O45%。

先将既需要淬火又需要发蓝的工件如米筛、锤片、高强度螺栓等送入盐浴炉、保护气氛炉或真空炉中无氧化光亮加热，然后取出迅速浸入淬火发蓝液中。在淬火发蓝液中处理的工件，不仅能得到所需的淬火硬度，而且能同时完成了氧化处理。

为确保发蓝层的防护稳定性，工件从淬火发蓝液中取出后还要经过浸洗→流动冷水洗→皂化液钝化→热水清洗→干燥→检验→浸油工艺流程。

此复合工艺还具有在过冷奥氏体分解温度区（相当于奥氏体等温转变图鼻尖处）冷却能力较强，而在接近马氏体转变点时冷却能力较缓和，从而既可保持较高的冷却速度，又不至形成较大的淬火畸变的优点。

四、亚温淬火+浅层氮碳共渗

亚温淬火能显著改善钢的韧性，具有较好力学性能，并节省能耗，再经浅层氮碳共渗，可使工件表面获得高的强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，从而使工件具有内韧外硬性能，显著提高工件使用寿命。

例如，3Cr2W8V钢制铝合金压铸模（100mm×100mm× 300mm），采用真空亚温淬火+浅层氮碳共渗热处理，模具寿命比常规处理（1050℃×0.5h油淬+620℃×2h×2次回火）提高2倍多。主要工艺参数如下：

（1）调质 1040℃×40min淬油，650℃×1h回火。

（2）真空亚温淬火 980℃×0.5h淬油，硬度48～50HRC，450℃×2h×1次回火，硬度46～48HRC。

（3）氮碳共渗 模具经真空亚温淬火及一次回火后，在L D-7 5离子渗氮炉中进行550～570℃×2.5h氮碳共渗，共渗气氛采用NH3+CO2，气压1500～1800P a。共渗层深0.005～0.10mm，表面硬度750～800HV。

表2为经不同工艺处理的模具使用效果对比。由表2可见，一方面经该复合工艺处理的模具，基本上杜绝了早期破裂现象，减少了粘模现象，使用寿命提高1～3倍。另一方面，由于真空亚温淬火经一次回火后即进行氮碳共渗，第二次回火与氮碳共渗合并为一道工序，既提高了模具质量又相对降低了能耗。因此，该复合处理工艺是一种节能高效的复合强化方法。

图1 石墨流态粒子炉发蓝+淬火复合工艺

表2 模具使用效果对比

工艺方法硬度HRC使用寿命/万次失效形式原工艺46～48 0.8～2.0疲劳强度、磨损复合热处理工艺46～47 3.0～5.0磨损

五、锻热淬火+高温回火

（1）工具钢锻热淬火+高温回火 对于工具钢，采用这种复合工艺作为预处理时，可获得细小均匀分布的碳化物组织，比球化退火工艺效果还要好，并且只需4h高温回火，就可以代替24h的球化退火，从而节约能源。

有试验表明，锻造余热淬火预处理后获得的细化组织，可使第二次淬火获得更细的马氏体，马氏体针长为原工艺的1/7～1/10，在强化工具钢材料的同时还提高了塑性。对于Cr12型工具钢采用较低温度锻造余热淬火，也可以获得同样结果。锻造余热预处理与普通球化退火工艺的比较见图2。

（2）轴承钢的锻造余热淬火+高温回火 该复合工艺流程为：锻压（1000～1200℃始锻）→辗扩后沸水淬火→高温回火（代替球化退火）→机械加工→最终处理。

锻造余热淬火+高温回火工艺见图3。此工艺可获得均匀分布的点状珠光体+细粒状珠光体组织，硬度为207～229HBW。该工艺的实施，可以显著缩短生产周期，节约能源。

六、高温形变正火+低碳马氏体淬火

此复合处理工艺是采用形变热处理和低碳马氏体强韧化处理复合处理工艺，具体如下。

（1）采用高温形变正火，取消接链环锻件毛坯普通正火。高温形变正火的工件毛坯在锻造时，适当降低终锻温度（常在Ac3附近，或在Ac1以下，以避免再结晶过程的严重发展）之后空冷的复合热加工工艺。进行高温形变正火的主要目的，在于提高材料的冲击韧度、抗磨损能力及疲劳抗力等，同时降低钢的脆性转变温度。

（2）发挥低碳马氏体淬火“自回火”的特点，取消接链环淬火后的回火工序。低碳马氏体淬火的一个显著特点就是“自回火”。由于低碳钢Ms点较高（400～500℃），淬火时得到的低碳马氏体，淬火冷却中途便得到回火，获得回火马氏体组织，使钢的强度及韧性均得到提高。

例如，20MnVB、20MnTiB钢制矿用高强韧性扁平接链环，规格φ22mm×86mm（直径×节距），硬度要求为42～50HRC，破断负荷要求≥550kN（德国DIN 22258标准）。

将淬火加热温度定在920～960℃之间，是由于接链环的规格尺寸不同，装炉量不同，变压器档位不同，供电电压不同，以及每批钢的化学成分不同，因此需较宽范围（约40℃）的波动加热淬火。淬火冷却介质采用10%NaCl水溶液。图4为接链环高温快速波动淬火工艺曲线。

图2

图3 锻造余热淬火+高温回火工艺曲线

图4 接链环高温快速波动淬火工艺曲线

按上述复合工艺处理的φ22m m×86m m锯齿形接链环破断负荷最低590kN，最高745kN，平均663kN。高于德国DIN 22258标准≥550kN的要求，故产品疲劳寿命倍增。

由于取消了接链锻件毛坯正火和淬火回火两道工序，采取了高温快速淬火，故生产效率提高了3倍，节省电耗60%，降低热处理生产成本50%。

20170409

作者简介：金荣植，高级工程师，哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司副总工程师，黑龙江省热处理学会理事，中国热处理协会理事，已在专业杂志上发表论文100余篇，其中有5篇被美国工程索引（Ei）收录，1篇获中国热处理行业协会优秀论文奖，已出版9部热处理著作（如《热处理节能减排技术》、《实用热处理节能降耗技术300种》），获省、市科技成果各一项，获4项发明专利和2项实用新型专利。