在機械零部件的強度和功能方面，常常要求零部件具有一定的表面特性。鋼材表面處理使鋼材的表面硬化、內(nèi)部保持強韌性，從而使鋼材兼有高耐磨性和高韌性，達到提高鋼材力學性能的目的。此外，由于表面硬化處理使鋼材表面殘留壓縮應(yīng)力，可提高鋼材的耐疲勞性。所以，要對鋼材全表面或部分表面進行硬化處理，本文介紹了鋼鐵材料表面硬化技術(shù)。

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近來，表面硬化處理技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾點。

1）由二元處理發(fā)展到三元處理

傳統(tǒng)表面硬化處理是將處理品在一定溫度下、保溫一定時間的所謂溫度-時間二元因子處理。但目前壓力因子介入表面硬化處理的技術(shù)發(fā)展起來，形成了溫度-時間-壓力三元因子表面硬化處理。此外，等離子等電激發(fā)能應(yīng)用技術(shù)有了迅速發(fā)展，也被用于表面硬化處理。

2）鋼材表面附著劑呈現(xiàn)固體→液體→氣體→電能利用的發(fā)展趨勢

在改變鋼材表面化學成分使表面硬化的技術(shù)方面，鋼材表面附著劑由固體向液體、由液體向氣體轉(zhuǎn)變，并且向利用電能施加附著劑的技術(shù)發(fā)展。

3）利用復合熱處理提高鋼材的表面特性

4）通過系列化、標準化、計算機化等強化表面處理質(zhì)量管理

伴隨上述發(fā)展趨勢，開發(fā)出若干新型表面硬化處理技術(shù)，它們可分為三類：①不改變鋼材表面的化學成分，只改變表面組織的方法；②改變鋼材表面的化學成分的方法；③在鋼材表面涂敷或形成各種皮膜的方法。

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金屬材料發(fā)生加工硬化后，延性下降，但強度、疲勞極限、耐磨性升高。噴丸處理是用壓縮空氣或離心力將小球狀的顆?；蛏暗[噴射到鋼材表面，使表面硬化并附加殘余壓縮應(yīng)力的表面硬化處理方法。此外，鋼的疲勞強度受到鋼材表面粗度的影響，而噴丸處理是適于提高疲勞強度的表面處理方法。

滲碳淬火處理是使碳擴散滲入低碳鋼鋼材表面后，進行淬火，使鋼材表面硬化的表面硬化處理方法。滲碳淬火的方法有固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳、等離子滲碳等方法。

2.2.1 氣體滲碳

氣體滲碳是將天然氣、CH4、C2H6、C3H8等碳氫系氣體高溫分解，并混入近中性的CO、H2、N2，組成混合氣體，對鋼材進行滲碳的方法。滲碳氣體與加熱到高溫的鋼材接觸，氣體發(fā)生分解生成活性碳，產(chǎn)生滲碳效果。氣體滲碳的特點是容易控制鋼材表面的碳濃度。

2.2.2 液體滲碳

液體滲碳是將NaCN、KCN、K4Fe(CN)6 等氰化物為主要成分并混有NaCl 的滲碳劑裝入鋼制容器中，加熱熔融成鹽浴。將鋼材浸入熔融鹽浴。氰化物分解產(chǎn)生的活性CO和N，將C 和N 同時滲入鋼材表面的滲碳方法。該方法的優(yōu)點是操作簡便、處理溫度低、滲碳時間短、處理品變形小。另一方面，由于使用含有氰化物離子的熔融鹽浴，所以必須實施防止公害發(fā)生的措施。

2.2.3 真空滲碳

真空滲碳的操作方法是，將鋼材裝入真空滲碳爐內(nèi)，爐內(nèi)減壓到1Pa 左右，并將爐溫升高到約1000℃的高溫。將C2H2、CH4、C2H4 等碳氫化合物氣體導入爐內(nèi)，并在爐內(nèi)分解產(chǎn)生碳。分解產(chǎn)生的碳接觸在真空加熱中活性化的鋼材表面，對鋼材進行滲碳。真空滲碳的優(yōu)點是，由于是高溫滲碳，所以滲碳時間短，并可快速獲得均勻潔凈的滲碳層。

2.2.4 滲碳用鋼

滲碳用鋼為保持芯部的韌性，將碳含量限定在0.25%以下。此外，為了提高淬透性，鋼中也有添加Mn、Cr、Mo的情況和為了抑制奧氏體晶粒粗大和防止過剩滲碳，添加Ni 的情況。JIS 標準中規(guī)定的滲碳用鋼有機械結(jié)構(gòu)用碳素鋼和Cr鋼、Cr‐Mo鋼、Ni‐Cr 鋼、Ni‐Cr‐Mo鋼、Mn 鋼、Mn‐Cr 鋼等各種機械結(jié)構(gòu)用合金鋼。SCM 牌號的Cr‐Mo 滲碳用鋼力學性能高、質(zhì)量效應(yīng)小，用于一般零部件制造。SNCM牌號Ni‐Cr‐Mo鋼淬透性良好，用于大型部件和高強度齒輪的制造。

與滲碳法不同，氮化法是利用形成的氮化物使晶格變形，在鋼材表面產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，使鋼材表面硬化的表面處理方法。由于滲碳法的加熱溫度低，所以被處理鋼材的變形很小。此外，被處理鋼材具有良好的耐磨性和耐蝕性。

2.3.1 氣體氮化

氣體氮化原理是，將氮化爐內(nèi)氣氛置換為NH3后，將爐溫升高到500-550℃，并將氣體壓力調(diào)節(jié)到8×103-1×104Pa。NH3在高溫下分解為原子N和H，原子N與鋼中的Fe、Al、Cr 等元素生成氮化物，在鋼材表面形成氮化層，使鋼材表層硬化。

2.3.2 軟氮化

軟氮化是使用氰化物和堿金屬碳酸鹽的熔融鹽浴，利用氰化物分解對鋼材進行滲碳和滲氮的表面處理方法。在對普通結(jié)構(gòu)鋼進行軟氮化處理后，鋼材表面硬度為500-700HV，所以被稱為軟氮化。軟氮化處理可提高鋼材的耐疲勞性，在汽車零部件制造中得到應(yīng)用。此外，各鋼種經(jīng)過軟氮化處理后，耐磨性和耐蝕性得到提高。軟氮化還有不用鹽浴的、在氣體中進行的氣體軟氮化法。

2.3.3 等離子氮化

等離子氮化的操作是，將處理品裝入密閉的容器內(nèi)。將處理品作為陰極，容器壁作為陽極。在兩極間施加幾百伏的直流電壓。這時，處理品表面處的電壓急劇下降，N2 分子在陰極附近離子化，成為N+和N2+，這些離子在陰極空間被加速到高速度，對處理品進行沖擊。離子大部分高動能轉(zhuǎn)化為熱能，對處理品加熱，同時，N 滲入到處理品表面，使表面氮化。

等離子氮化的優(yōu)點是氮化速度快，H+對處理品表面有清潔作用，通過對N2分壓、電壓、溫度、時間的控制，可調(diào)整氮化層的組織。等離子氮化的缺點是，因處理品的形狀和質(zhì)量等原因，發(fā)生處理溫度不均勻的現(xiàn)象。為解決這個問題，最近開發(fā)出活性屏等離子體源滲氮法，目前正在全力以赴地推進該方法的研究。該方法在爐內(nèi)設(shè)置籠形金屬屏作為陰極，實現(xiàn)了比較均勻的氮化。

2.3.4 氮化用鋼

氮化用鋼的必要條件是鋼的中心部位具有強韌性，同時鋼的表層具有可形成高硬度氮化層的化學成分。Al 和Cr 的鋼可發(fā)生顯著硬化。Mo 具有很好的防止500-530℃長時間氮化處理時發(fā)生回火脆性的作用。JIS 標準中規(guī)定了一個氮化用鋼鋼種：Al‐Cr‐Mo 系SACM645。

在與處理品形狀相應(yīng)的一次線圈中輸入高頻電流時，放置在線圈中的處理品被渦電流的焦耳熱和磁滯損耗產(chǎn)生的熱量加熱。電流頻率越大，感應(yīng)電流越集中在處理品鋼材的表面。高頻表面淬火就是利用這個原理，只將處理品表層加熱到A1轉(zhuǎn)變點以上的溫度后立即急冷，只使處理品表層發(fā)生淬火硬化。高頻淬火用鋼是具有良好淬透性的含碳0.4%-0.6%C的碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。

氣相沉積方法是使硬質(zhì)化合物皮膜附著在鋼材表面的表面處理方法。氣相沉積方法包括化學氣相沉積法（CVD）、物理氣相沉積法（PVD）。

2.5.1 PVD 法

PVD 法皮膜的形成過程中不發(fā)生化學反應(yīng)，施加均勻電能，將皮膜材料激發(fā)離子化，使皮膜材料鍍敷在處理品鋼材的表面。因此，無須將處理品鋼材加熱到高溫，所以PVD法處理時，可防止母材的軟化和尺寸變化。此外，容易控制氣相沉積速度。另一方面，PVD法要在較低的壓力下進行，所以氣相粒子的平均自由程大，氣相粒子向母材表面直線行進，因此不容易達到處理品的背面和側(cè)面。為解決這個問題，需要使處理品轉(zhuǎn)動或設(shè)置多個皮膜材料蒸發(fā)源。

2.5.2 CVD 法

CVD 法是在對皮膜材料供給熱能的同時，使皮膜材料發(fā)生熱分解·合成等化學反應(yīng)，產(chǎn)生蒸汽壓低的元素和化合物。將這些元素和化合物真空鍍敷在處理品鋼材的表面。CVD法采用的是氣體，所以容易達到處理品的背面和側(cè)面。此外，CVD法是高溫處理方法，所以皮膜與母材間形成了擴散層，使皮膜具有良好的密著性。另一方面，CVD法是高溫處理方法，所以在將CVD用于低熔點母材和要求小變形的部件、以及加熱會降低強度的母材時，須特別注意。

噴鍍是將噴鍍材料加熱到熔融或接近熔融的狀態(tài)后，將噴鍍材料粒子團高速沖擊母材表面，并熔敷在母材表面形成皮膜的表面處理方法。影響噴鍍皮膜形成的噴鍍粒子因子有：噴鍍粒子材質(zhì)、粒徑、速度、溫度、飛行時間。影響噴鍍皮膜形成的主要母材因子有：母材材質(zhì)、溫度、表面粗度等。此外，噴鍍氣氛也很重要。

氣體火焰噴鍍法操作簡便、設(shè)備費/運轉(zhuǎn)費低。氣體火焰多使用溫度約3000℃氧乙炔火焰。但不適用于熔點高于3000℃的噴鍍材料。

等離子噴鍍法的熱源是在陰極和陽極組成的氣焊焊炬間產(chǎn)生的直流電弧。電弧將從焊炬后面輸送來的Ar、N2等氣體加熱到等離子狀態(tài)，并將其作為20000-30000℃的高溫高速等離子射流，將粉末狀的噴鍍材料送入射流中，噴射到處理品表面形成噴鍍皮膜。

真空噴鍍法是為了減少在大氣環(huán)境下噴鍍皮膜中的氣孔，將噴鍍槍和母材安置在真空倉中進行噴鍍的表面處理方法。在真空條件下，等離子射流的流速增大，在減少噴鍍皮膜氣孔的同時，噴鍍材的化學成分變化很小，提高了噴鍍皮膜對母材的密著性。

使用以鉻和硫酸為主成分的鍍液，用電極沉淀方法將Cr析出，在處理品表面形成硬質(zhì)鉻鍍層。硬質(zhì)鉻鍍層的硬度高達800-1000HV，并且經(jīng)研磨可獲得摩擦系數(shù)很小的光澤表面，所以被廣泛用于耐磨損性鍍層。過去的硬質(zhì)鉻鍍層鍍液中含有有害的6價鉻，近年來提出了許多替代6 價鉻的技術(shù)方案。

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PVD、CVD 表面處理方法，由于采用陶瓷、類金剛石鍍膜（DLC）等超硬質(zhì)皮膜鍍敷技術(shù)，被廣泛用于要求良好耐摩擦、抗氧化、耐滑動的部件制造。在這方面，關(guān)于超硬質(zhì)皮膜與母材密著性的研究，使超硬質(zhì)皮膜與母材密著性有飛躍性提高，對超硬質(zhì)皮膜的廣泛應(yīng)用起了很大作用。超硬質(zhì)皮膜的代表性用途是提高切削刀具、模具以及各種零部件的性能和耐久性?，F(xiàn)在，關(guān)于超硬質(zhì)皮膜與母材密著性的研究仍十分活躍。

今后仍將對提高高功能化表面改質(zhì)皮膜的膜種和膜質(zhì)進行深入研究。其中復合皮膜的研究引人注目。例如，緩解殘余應(yīng)力和提高密著性的復合皮膜就是這種皮膜。此外，出現(xiàn)了多層膜、多元膜的成膜和納米積層膜等皮膜結(jié)構(gòu)復雜化的發(fā)展動向。預計，氮化和氣相沉積的復合表面改質(zhì)技術(shù)，在提高模具和汽車部件的耐久性和高功能化方面，將會有進一步的發(fā)展。