汽车零件热处理：表面合金化与淬火技术

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：将零件经过表面合金化处理后，再进行直接的或再次加热淬火，可满足零件的硬韧结合、硬而不脆的淬火要求，使零件具有要求的性能。渗碳、碳氮共渗、渗氮、渗硼等均为十分重要的合金化方法，目前在汽车、机械、石油、化工、国防、航天航空等领域，表面合金化＋淬火处理已经成为延长零件使用寿命与性能的重要措施与手段。

将零件经过表面合金化处理后，再进行直接的或再次加热淬火，可满足零件的硬韧结合、硬而不脆的淬火要求，使零件具有要求的性能。渗碳、碳氮共渗、渗氮、渗硼等均为十分重要的合金化方法，目前在汽车、机械、石油、化工、国防、航天航空等领域，表面合金化＋淬火处理已经成为延长零件使用寿命与性能的重要措施与手段。

1.渗氮（氮碳共渗)＋淬火

氮碳共渗＋淬火的复合处理工艺如图9-7所示，此方法用于心部也能淬透的钢，碳质量分数为0.95％～1.05％、铬质量分数为1.30％～1.65％的钢渗氮后再进行整体加热淬火和低温回火。由于表层渗入氮而使钢的Ms点降低，故表层冷却速度快于心部，但比心部马氏体转变要迟，这样零件表层形成了残留压应力，从而提高了零件的疲劳强度。

图9-7 氮碳共渗+淬火的复合处理工艺

在加热奥氏体化的过程中，渗氮物分解后使氮原子向心部扩散固溶，淬火时零件表面形成固溶了氮、碳的马氏体，从而获得残留压应力，故提高了零件的耐磨性和疲劳强度，经过该工艺处理后材料的使用寿命可提高3～6倍。如果采用淬火＋冷处理＋低温回火，则将使表层的马氏体转变更充分，表层会残留更大的压应力。

2.渗氮（氮碳共渗)＋高频感应淬火

对调质处理后的零件进行渗氮处理，渗氮层硬而浅（一般0.2～0.5mm)，如果渗氮后再进行高频感应淬火，则会使表层氮原子向心部基体扩散，有效消除渗氮白亮层，减小脆性；同时通过淬火可得到微细的含氮的马氏体，不仅提高渗氮层的深度，也使表面硬度有所提高，从而发挥坚硬的渗氮层的潜力。事实证明，与单独的氮碳共渗或高频感应淬火相比较，该复合处理可有效提高表面硬度、疲劳强度，同时增加了硬化层深度，是提高使用寿命的重要工艺方法。

3.渗氮＋激光熔凝

金属的激光熔凝处理可明显细化晶粒，从而提高晶界所占的体积分数，利用激光熔凝技术可使材料表面晶粒细化，进而提高晶界的活性和加速扩散速度，达到加速化学热处理过程的目的。

20钢原始组织进行520℃×12h气体渗氮，经回火后在原始区渗氮层的白亮层中可以清晰地分辨出ε相，扩散层中为γ′相（Fe₄ N)的针状组织，由针状组织的分布判断扩散层深度，如图9-8 a所示。激光熔凝工艺改变了20钢的原始组织结构，产生了细板条状和针状马氏体，随后进行渗氮处理，回火后经金相观察可看见表面的白亮层ε相，但在激光区的截面内部却没有看到γ′相（Fe₄ N)的针状组织析出，如图9-8b所示，原因在于激光熔凝处理后晶粒尺寸细化，γ′相的针状组织很小，故金相观察很难确定激光区的渗氮深度。通过能谱分析检测试样截面中的氮含量，可绘出渗氮时间、含氮量与渗氮深度的关系曲线，如图9-9所示。20钢激光处理区渗氮不同时间后渗氮层与扩散层的深度比较如图9-10所示，可以看到原始状态下的20钢渗氮12h后的渗氮深度，在激光区只需要9h即可达到，在过渡区渗氮12h的深度与基体区渗氮15h的深度相仿。

图9-8 20钢在不同状态下气体渗氮12h的金相组织

a)原始状态 b)激光熔凝处理

图9-9 渗氮时间、含氮量与渗氮深度的关系曲线

图9-10 渗氮层深度的比较

事实表明，激光熔凝处理后渗氮的硬度比单纯激光熔凝的硬度提高33％，耐磨性提高2倍，比普通气体渗氮提高4倍，摩擦因数比基体降低了26％。这均源于晶粒的细化提高了氮在晶界的扩散速度，缩短了渗氮时间，使表层的氮浓度增加，形成了γ′相和ε相，提高了表面耐磨性。

4.渗硼＋淬火

该工艺改变了基体组织、性能及表面应力状态，避免了高硬度的蛋壳状单一渗硼层的出现，文献指出，40Cr钢采取渗硼-空冷、渗硼-淬火-回火等复合处理工艺，渗硼复合处理后的磨损曲线如图9-11所示，渗硼-空冷、渗硼-淬火-高温回火后获得的基体组织分别为粗片状珠光体和回火索氏体，其硬度与强度均很低，承受压缩负荷能力较小，渗硼层易被压碎，渗硼-淬火-低温回火处理后，尽管工作表面硬度高、有压应力存在，但在负荷作用下容易萌生疲劳裂纹并扩展，只有渗硼-淬火-中温回火后获得了回火托氏体组织，硬度为40～42HRC，硬度与强度均得到提高，同时渗硼层表面存在残留压应力，从而有效发挥了表面的耐磨性。另外电镀＋热扩散处理也具有良好的效果。

图9-11 40Cr钢渗硼复合处理后的磨损曲线

汽车零件热处理：表面合金化与淬火技术

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