■金榮植

復(fù)合熱處理是將兩種或更多的熱處理工藝復(fù)合，或是將熱處理與其他加工工藝復(fù)合，以更大程度地挖掘材料潛力，使零件獲得單一工藝所無法達(dá)到的優(yōu)良性能。同時可以盡量節(jié)約能源，降低成本，提高生產(chǎn)效率。

例如熱處理與化學(xué)熱處理相復(fù)合、兩種化學(xué)熱處理方法相復(fù)合、化學(xué)熱處理與涂層（化學(xué)沉積）相復(fù)合，以及熱處理與其他工藝相復(fù)合等。

形變熱處理與化學(xué)熱處理復(fù)合，如鍛熱滲碳淬火，是將鍛造形變后零件隨即放入滲碳爐中滲碳，然后直接淬火，從而省去滲碳時零件加熱所需電能；鍛熱淬火滲氮，是在進(jìn)行鍛熱淬火后，將高溫回火過程與滲氮（或氮碳共滲）合并進(jìn)行；低溫形變淬火滲硫，是在低溫形變淬火后，使低溫回火過程與低溫電解滲硫合并進(jìn)行，從而節(jié)省能耗。

目前國內(nèi)外發(fā)展較快的復(fù)合表面熱處理技術(shù)有：表面化學(xué)熱處理或表面覆層處理+表面化學(xué)熱處理復(fù)合，化學(xué)熱處理+電鍍復(fù)合、激光淬火+化學(xué)熱處理復(fù)合、化學(xué)熱處理+氣相沉積復(fù)合、等離子弧噴涂+激光表面改性復(fù)合、離子注入+氣相沉積復(fù)合等，并已獲得良好的應(yīng)用效果。

一、回火+表面氧化

鋼鐵零件通過一定的處理，使零件表面形成一層F e3O4薄膜，可達(dá)到耐磨、耐蝕以及美觀的效果。由于發(fā)黃處理（氧化處理）零件表面沒有落色等缺陷，且表面光澤，處理成本低，目前已在部分產(chǎn)品上替代發(fā)黑處理，例如自行車飛輪的表面氧化多采用發(fā)黃處理。

（1）常規(guī)方法 其是將零件浸入氧化性鹽浴中進(jìn)行表面氧化處理。由于硝酸鹽及亞硝酸鹽等化工原料的使用，在操作過程中有大量有毒的廢液和廢水產(chǎn)生，存在環(huán)保問題。為解決這一難題，已開發(fā)出一種在回火過程中氧化的復(fù)合處理工藝，即回火+表面氧化處理。

（2）復(fù)合處理工藝 生產(chǎn)零件為Q215AF鋼制自行車飛輪外套。氧化處理前進(jìn)行中溫碳氮共滲淬火和噴丸處理。然后在120kW網(wǎng)帶式回火爐中進(jìn)行回火處理。在回火過程中，活性工件表面與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，在低溫時生成Fe3O4薄膜。當(dāng)氧化膜的厚度超過光的波長時，工件表面將按氧化膜厚度的不同而顯示出不同的顏色，即回火氧化色。其色澤與回火溫度的高低有關(guān)。碳鋼回火時表面色澤與回火溫度的一般關(guān)系如表1所示。根據(jù)表1選擇一定的回火溫度對零件進(jìn)行回火處理，即可在其表面得到相應(yīng)的氧化色澤，從而可在回火的同時完成表面氧化處理。

由表1檢驗(yàn)結(jié)果可知，零件表面氧化膜的色澤主要與回火溫度有關(guān)，與處理時間關(guān)系不大。隨著處理時間的延長，氧化膜致密性增加?？紤]到色澤、致密性以及表面硬度、爐溫的均勻度與波動性的影響，可取230～240℃×30min的處理工藝。

表1 零件回火與氧化復(fù)合處理結(jié)果

序號處理溫度/℃表面色澤處理時間/min3%CuSO4析出Cu時間/s回火硬度HRA 1 220黃白202482 2 302880 3 403079 4 230黃色203880 5 304578 6 404878 7 240金黃205078 8 305877 9 406075

此復(fù)合處理新工藝，使零件在回火的同時氧化著色，完全省去了鹽浴加熱氧化處理工序，故新工藝省電、省時。同時，完全避免了有毒原料的使用。

二、流態(tài)爐發(fā)藍(lán)+淬火

流態(tài)粒子爐發(fā)藍(lán)+淬火復(fù)合工藝過程：機(jī)加工→表面凈化→粒子爐預(yù)熱發(fā)藍(lán)（580℃）→流態(tài)粒子爐加熱淬火→皂化除油。比較理想的工藝實(shí)施是使用兩臺爐膛尺寸相同的石墨流態(tài)粒子爐。石墨流態(tài)粒子爐發(fā)藍(lán)淬火復(fù)合工藝如圖1所示。

流態(tài)粒子爐發(fā)藍(lán)+淬火復(fù)合處理的綜合費(fèi)用僅是堿性發(fā)藍(lán)的1/2，是室溫發(fā)藍(lán)的1/3。

三、淬火+發(fā)藍(lán)

淬火+發(fā)藍(lán)工藝是淬火與發(fā)藍(lán)復(fù)合熱處理工藝，即工件在淬火的同時完成發(fā)藍(lán)，省去了單一淬火工序和幾道發(fā)藍(lán)工藝流程中的有機(jī)溶劑除油→化學(xué)除油→熱水洗→流動冷水洗→酸洗→流動冷水洗工序，既提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)約了成本，可廣泛應(yīng)用于碳鋼、低碳合金鋼產(chǎn)品淬火與發(fā)藍(lán)處理。

淬火發(fā)藍(lán)液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）配方：NaOH5%+NaNO320% +N a N O21 5%+K N O31 5%+ H2O45%。

先將既需要淬火又需要發(fā)藍(lán)的工件如米篩、錘片、高強(qiáng)度螺栓等送入鹽浴爐、保護(hù)氣氛爐或真空爐中無氧化光亮加熱，然后取出迅速浸入淬火發(fā)藍(lán)液中。在淬火發(fā)藍(lán)液中處理的工件，不僅能得到所需的淬火硬度，而且能同時完成了氧化處理。

為確保發(fā)藍(lán)層的防護(hù)穩(wěn)定性，工件從淬火發(fā)藍(lán)液中取出后還要經(jīng)過浸洗→流動冷水洗→皂化液鈍化→熱水清洗→干燥→檢驗(yàn)→浸油工藝流程。

此復(fù)合工藝還具有在過冷奧氏體分解溫度區(qū)（相當(dāng)于奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖鼻尖處）冷卻能力較強(qiáng)，而在接近馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)時冷卻能力較緩和，從而既可保持較高的冷卻速度，又不至形成較大的淬火畸變的優(yōu)點(diǎn)。

四、亞溫淬火+淺層氮碳共滲

亞溫淬火能顯著改善鋼的韌性，具有較好力學(xué)性能，并節(jié)省能耗，再經(jīng)淺層氮碳共滲，可使工件表面獲得高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，從而使工件具有內(nèi)韌外硬性能，顯著提高工件使用壽命。

例如，3Cr2W8V鋼制鋁合金壓鑄模（100mm×100mm× 300mm），采用真空亞溫淬火+淺層氮碳共滲熱處理，模具壽命比常規(guī)處理（1050℃×0.5h油淬+620℃×2h×2次回火）提高2倍多。主要工藝參數(shù)如下：

（1）調(diào)質(zhì) 1040℃×40min淬油，650℃×1h回火。

（2）真空亞溫淬火 980℃×0.5h淬油，硬度48～50HRC，450℃×2h×1次回火，硬度46～48HRC。

（3）氮碳共滲 模具經(jīng)真空亞溫淬火及一次回火后，在L D-7 5離子滲氮爐中進(jìn)行550～570℃×2.5h氮碳共滲，共滲氣氛采用NH3+CO2，氣壓1500～1800P a。共滲層深0.005～0.10mm，表面硬度750～800HV。

表2為經(jīng)不同工藝處理的模具使用效果對比。由表2可見，一方面經(jīng)該復(fù)合工藝處理的模具，基本上杜絕了早期破裂現(xiàn)象，減少了粘?，F(xiàn)象，使用壽命提高1～3倍。另一方面，由于真空亞溫淬火經(jīng)一次回火后即進(jìn)行氮碳共滲，第二次回火與氮碳共滲合并為一道工序，既提高了模具質(zhì)量又相對降低了能耗。因此，該復(fù)合處理工藝是一種節(jié)能高效的復(fù)合強(qiáng)化方法。

圖1 石墨流態(tài)粒子爐發(fā)藍(lán)+淬火復(fù)合工藝

表2 模具使用效果對比

工藝方法硬度HRC使用壽命/萬次失效形式原工藝46～48 0.8～2.0疲勞強(qiáng)度、磨損復(fù)合熱處理工藝46～47 3.0～5.0磨損

五、鍛熱淬火+高溫回火

（1）工具鋼鍛熱淬火+高溫回火 對于工具鋼，采用這種復(fù)合工藝作為預(yù)處理時，可獲得細(xì)小均勻分布的碳化物組織，比球化退火工藝效果還要好，并且只需4h高溫回火，就可以代替24h的球化退火，從而節(jié)約能源。

有試驗(yàn)表明，鍛造余熱淬火預(yù)處理后獲得的細(xì)化組織，可使第二次淬火獲得更細(xì)的馬氏體，馬氏體針長為原工藝的1/7～1/10，在強(qiáng)化工具鋼材料的同時還提高了塑性。對于Cr12型工具鋼采用較低溫度鍛造余熱淬火，也可以獲得同樣結(jié)果。鍛造余熱預(yù)處理與普通球化退火工藝的比較見圖2。

（2）軸承鋼的鍛造余熱淬火+高溫回火 該復(fù)合工藝流程為：鍛壓（1000～1200℃始鍛）→輾擴(kuò)后沸水淬火→高溫回火（代替球化退火）→機(jī)械加工→最終處理。

鍛造余熱淬火+高溫回火工藝見圖3。此工藝可獲得均勻分布的點(diǎn)狀珠光體+細(xì)粒狀珠光體組織，硬度為207～229HBW。該工藝的實(shí)施，可以顯著縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源。

六、高溫形變正火+低碳馬氏體淬火

此復(fù)合處理工藝是采用形變熱處理和低碳馬氏體強(qiáng)韌化處理復(fù)合處理工藝，具體如下。

（1）采用高溫形變正火，取消接鏈環(huán)鍛件毛坯普通正火。高溫形變正火的工件毛坯在鍛造時，適當(dāng)降低終鍛溫度（常在Ac3附近，或在Ac1以下，以避免再結(jié)晶過程的嚴(yán)重發(fā)展）之后空冷的復(fù)合熱加工工藝。進(jìn)行高溫形變正火的主要目的，在于提高材料的沖擊韌度、抗磨損能力及疲勞抗力等，同時降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

（2）發(fā)揮低碳馬氏體淬火“自回火”的特點(diǎn)，取消接鏈環(huán)淬火后的回火工序。低碳馬氏體淬火的一個顯著特點(diǎn)就是“自回火”。由于低碳鋼Ms點(diǎn)較高（400～500℃），淬火時得到的低碳馬氏體，淬火冷卻中途便得到回火，獲得回火馬氏體組織，使鋼的強(qiáng)度及韌性均得到提高。

例如，20MnVB、20MnTiB鋼制礦用高強(qiáng)韌性扁平接鏈環(huán)，規(guī)格φ22mm×86mm（直徑×節(jié)距），硬度要求為42～50HRC，破斷負(fù)荷要求≥550kN（德國DIN 22258標(biāo)準(zhǔn)）。

將淬火加熱溫度定在920～960℃之間，是由于接鏈環(huán)的規(guī)格尺寸不同，裝爐量不同，變壓器檔位不同，供電電壓不同，以及每批鋼的化學(xué)成分不同，因此需較寬范圍（約40℃）的波動加熱淬火。淬火冷卻介質(zhì)采用10%NaCl水溶液。圖4為接鏈環(huán)高溫快速波動淬火工藝曲線。

圖2

圖3 鍛造余熱淬火+高溫回火工藝曲線

圖4 接鏈環(huán)高溫快速波動淬火工藝曲線

按上述復(fù)合工藝處理的φ22m m×86m m鋸齒形接鏈環(huán)破斷負(fù)荷最低590kN，最高745kN，平均663kN。高于德國DIN 22258標(biāo)準(zhǔn)≥550kN的要求，故產(chǎn)品疲勞壽命倍增。

由于取消了接鏈鍛件毛坯正火和淬火回火兩道工序，采取了高溫快速淬火，故生產(chǎn)效率提高了3倍，節(jié)省電耗60%，降低熱處理生產(chǎn)成本50%。

20170409

作者簡介：金榮植，高級工程師，哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司副總工程師，黑龍江省熱處理學(xué)會理事，中國熱處理協(xié)會理事，已在專業(yè)雜志上發(fā)表論文100余篇，其中有5篇被美國工程索引（Ei）收錄，1篇獲中國熱處理行業(yè)協(xié)會優(yōu)秀論文獎，已出版9部熱處理著作（如《熱處理節(jié)能減排技術(shù)》、《實(shí)用熱處理節(jié)能降耗技術(shù)300種》），獲省、市科技成果各一項，獲4項發(fā)明專利和2項實(shí)用新型專利。