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热处理——我国制造业发展的瓶颈 潘 健 生 (上海交通大学材料科学与工程学院) 制造业是我国国民经济的支柱。改革开放以来我国装备制造业以平均每年17%的 速率快速增长, 目前我国装备制造业的增加值仅次于美、日、德，居世界第四， 已 成为制造业大国, 但应清醒地看到我国还不是制造业强国, 在国际制造业中 处于低端地位，与国际先进水平存在巨大差距。其中一个突出的问题是我国制造 业的产品因质量低、寿命短、可靠性差而缺乏竞争力，只能制造低品 位、低附 加值的产品，只能依靠产能的扩大实现增长。国防工业和许多重要工业部门所需 的重要工艺装备以及核心零部件依赖进口的局面长期未能改观，严重威胁我 国 国防安全和经济安全。 我国热处理(含表面改性，下同)技术的落后是造成这种状况的主要原因之一。已 成为制约我国制造业发展的瓶颈，应引起高度重视。本文拟就热处理与表面改性 技 术的特点、作用、我国在此领域与国际发达国家的差距和发展出路等问题， 提出一些粗浅的看法，期望引起讨论并得到读者的批评指正。 1 热处理与表面改性技术的特点 材料的性能并不单纯取决于材料的种类和成分，通过热处理和表面改性改变材料 内部的组织，将大幅度改变材料性能。例如：高速钢在退火状态硬度不高于 280HB 并有相当好的塑性和韧性，在经过淬火回火之后则有很高的硬度、红硬性和耐磨 性。由于溶入基体中的合金元素的含量以及奥氏体的晶粒度都和淬火温度 有关， 其趋势是硬度、红硬性随淬火温度提高而提高，韧性则随之下降，强度则是先升 后降。利用这种规律，可以根据不同刀具和模具的使用特点选择各自最佳的淬 火 温度，车刀具的刃部和刀柄都比较厚实，对强度要求不高，承受冲击载荷较轻, 可 以采用接近于熔点的淬火温度，使尽可能多的合金元素和碳溶入奥氏体中，从而 提高红硬性和耐磨性。钻头钻孔时刃口不易冷却，希望尽可能提高其红硬性，但 为 防止扭断，钻头需要有较高强度，因此其淬火温度略低于车刀。铣刀和绞刀 的刃口较薄，为了避免崩刃，要求有足够的韧性，应适当降低淬火温度，小钻头 使用时主 要损坏方式是扭断或折断，为保证较高强度宜进一步降低淬火加热温 度。冷挤压模具承受很高的应力，而对红硬性要求不高，所以选择出现强度峰值 的淬火加热温 度，而对于一些细长的或形状复杂，受较大冲击载荷的冷冲模， 则应选择更低的淬火温度。表1 说明用同一种钢制造的刀具或模具，应根据使用 情况和失效的方式选 择不同的淬火温度，其变化的范围达到150℃。但对于一 个具体的工件而言，只允许±5℃的偏差。 结构钢和低合金工具钢也有类似的情况，预先热处理组织、淬火加热温度、冷却 方式、回火温度都对钢的性能有明显的影响，它们之间的不同组合可以使材料获 得不 同的综合性能。结构钢的强度、硬度、韧性、塑性和弹性极限都随着淬火 后的回火温度而变化，对于要求具有高塑性、高韧性特别是低的缺口敏感性的工 件通常选用 高温回火(调质处理)，而要求高强度和较高硬度的工件选用200℃ 左右的低温回火，例如30CrMnSi，40CrNiMo 淬火后200℃回火抗拉强度可 高达 1600~1800MPa，比调质提高1 倍左右。各类弹簧等弹性元件通常选用呈现弹性极 限峰值的中温回火。此外等温淬火、二相区加热淬火和形变热处理 等工艺都可 以使结构钢获得良好强韧性。至于各种化学热处理和表面涂覆技术则可以通过调 整工艺参数改变渗层表面的浓度和渗层深度以及控制浓度梯度和性能梯 度，以 适应不同工件的不同的服役条件对工件整体综合性能的要求，例如不同零件的渗 碳处理，应该有不同技术要求，才能获得良好的使用性能，石油钻井的牙轮 钻， 渗碳层表面浓度由0.9~1.0%C 降低到0.7~0.8 %C，并使浓度分布曲线呈平台状， 使用寿命由27 小时提高到52 小时，收到一个钻井队抵二个钻井对的效果，又例 如用离子注入的方法进行表面改性处理可以在 不改变整体的强度、韧性的同时， 大幅度提高耐磨性、降低摩擦系数、提高抗蚀性，应用于航天器上各种传动机构 中的轴承和各种摩擦件、飞机上的液压马达中的耐 磨零件、以及石油工业泥浆 泵的套筒等均取得良好的效果。在有些情况下针对工件的特点采用一些看似“非 正规”的热处理工艺，能收到出奇效果：3Cr2W8 热 模钢的淬火温度范围一般为 1050~1120℃，但锅炉钢管热挤压模，在模具型腔中相当于钢管散热筋二侧的位 置，承受很大的应力，容易在热态下屈服而使模 具失效。经过试验将淬火温度 提高到1170~1180℃，淬火冷却时水冷至~650℃，然后转入低温盐浴中冷却，模 具寿命提高几倍；水稻收割机刀片，用高 浓度碳氮共渗处理；表面层出现大量 碳