热处理前沿知识

日本热处理技术的新进展

1、前言

为使日本热处理技术水平保持世界领先地位，并使之继续发展，就必须了解世界热处理技术日新月异的发展动向。但是，在当前日本热处理领域，有一些落后于世界先进技术的地方。因此，尽快吸收真空渗碳技术、压力气体淬火技术，氮化技术以及其他一些先进的热处理生产技术，从而提高日本热处理技术竞争力是十分必要的。

热处理技术是一种赋予汽车和机械加工产品良好性能和耐久性的极为重要的生产工艺技术。令人担心的是，目前日本对这一重要技术的关注程度在下降，这将导致热处理国际竞争力的降低。

在汽车用钢铁材料方面，日本汽车技术协会和钢铁协会联合调查技术会的高强钢薄板工作组和条钢工作组开展了调查研究工作。条钢工作组自2000年以来，进行3次“表面硬化技术的新特性和钢材”的调查研究，并归纳成调研报告和调研资料集，目前计划将调研资料CD化，并将整理出条纲便于今后的研究课题。

在汽车部件热处理质量方面，日本处于世界先进地位，但是令人担心的是，随着汽车生产企业的增加，建立在基础科学上的技术开发力正在下降。决定重要部件质量和可靠性的热处理，过去是在大企业内进行的，近年来随着汽车品种和技术条件的多样化以及汽车生产向日本国外的扩大，在这种情况下，必须解决日本国内生产适用的材料订货和部件使用方法扩展到日本国外时受到的阻力问题。对日本国内外生产进行再研究，建立确保国内外生产的产品质量的广域生产体制是一个紧迫的课题。

在新技术采用方面，即使大企业率先采用，但对中小企业却存在着很大的人力和资金的负担。在这方面，欧美以财团为中心的热处理工厂集团化起了很大作用。日本的产业界要保持世界范围的竞争力应当认真研究自己的经营策略。

以下要说明的是日本在材料、热处理、表面技术等方面迫切需要开发的重点技术。

2、材料、热处理、表面改质技术的发展动向

日本高强度钢板的研究开发开展的比较早，在热处理和表面改质技术方面已经确立了产品制造技术。但是在基础科学的研究方面，历史上欧洲一直具有优势。根据欧洲共同体（EU）的研究开发计划，其进行的超越国界的研究开发业绩已经超过了日本和美国的水平。

例如，在等离子表面改质技术和等离子热处理技术、真空渗碳、压力气体淬火、气体氮化等技术的实用化方面，日本可以从欧洲引进的技术很多。特别令人悲哀的是日本和美国都没有发表材料.热处理学术论文的杂志。现在，德国热处理协会发行的双月刊HTM（Journal of Heat Treatment and Materials）每期都刊载数篇研究论文，是非常宝贵的学术杂志。该杂志以德文为主，但摘要和图表的说明是英文。由于可以用英文投稿，所以也刊载来自美国和法国的稿件。近年来，外国不再订阅纸制刊物的情况逐渐增加，但日本热处理协会一直对HTM进行保存，可以借阅利用。

3、轻量化和热处理技术

汽车部件使用种类繁多的材料。高水平热处理技术对于提高部件性能和耐久性、节能、安全性和轻量化是十分重要的。例如高强度钢板的强度级别已经达到了极限，因此，就需要保证热成型工艺的成型质量和成型后的强

度级别。为了达到今后对汽车燃料利用率、安全性和耐久性的更高要求，不仅要提高发动机自身的效率，而且要彻底改进设计，实现传动齿轮等部件的轻量化、高效率化和一体化，还要提高材料.热处理.表面改质等技术的水平，使新部件具备更好的性能。为此，日本汽车技术协会和钢铁协会组成高强钢薄板工作组和条钢工作组开展了联合调查。条钢工作组自2000年以来进行了三次关于“表面硬化技术的新特性和钢材”的调查研究，第1次和第2次的调查报告已经作出，第3次调研要将3次的调查资料CD化，并将汇总出条钢今后的研究课题。

要实现提高燃料利用率这一重要目标，仅通过部件轻量化是不行的，需要有能够提高发动机、传动齿轮等各个方面效率的新机构和系统。因此，会增加附加装备的部件，这将导致汽车重量和结构用条钢的增加。可以认为，为提高汽车的性能，今后对高强度钢材会提出更高的要求，增加高性能强度部件是不可避免的。因此，需要进一步提高钢材质量和提高热处理及表面改质技术。

4、当前重要的热处理技术

回顾10年来材料热处理技术的进步，最引人注目的是真空渗碳和压力气体淬火工艺及其控制系统的进步。但这些技术在汽车和机械制造业的推广却很慢。原因是渗碳条件的精确控制系统尚未形成，以及压力气体淬火的冷却能力不足。虽经种种改进，仍需进一步研究。但是，气体低温氮化技术有了明显的进步。

4.1气体氮化技术

气体氮化技术虽然历史悠久，但一直处于低迷状态，但近年来有了显着的发展。波兰、俄罗斯等东欧国家进行了长年的研究和技术储备，在此基础上，形成了能够完全自动处理的气体氮化气氛控制技术，对ζ相（Fe2N）的生成进行了控制。过去由于ζ相的存在，需要对部件进行最后的研磨。

对南锡大学的等离子技术和热处理模拟技术的研究历史应予以关注。德尔夫特大学通过对软氮化.氮化的基础研究，阐明了软氮化化合物层的机理，并把这一成果用于不锈钢扩大奥氏体的研究。该项研究的指导者Mittemeijer教授在普朗克研究所开始进行新型氮化.碳化和软氮化的研究。

4.1.1不锈钢扩大奥氏体区

开发出的不锈钢扩大奥氏体区技术，通过控制氮化气氛的氮势，使浓度高达36.8%的氮渗入到SUS316不锈钢钢箔，形成扩大的奥氏体区。同样通过低温渗碳也可以形成渗碳的扩大奥氏体区。

4.1.2钢的氮化处理新领域

通过控制气氛中氮和碳的分压来控制氮势和碳势，或调节等离子氮化条件，生成含有高性能的ε化合物（Fe3N1-Y），或低氮氮化物γ，相的化合物层，即进行氮化.软氮化处理，也可以叫做不生成氮化物和碳氮化物的渗氮法。图1是该方法的例子。

图1中左端是铁素体区，不生成氮化相，是使氮扩散的渗氮处理。中间是生成低氮氮化铁γ′ γ′+ε的氮化处理。右端是生成高氮的ε相的氮化-软氮化处理。

此外，通过调整软氮化气氛的气体成分比例，可以在钢的表面生成渗碳体层。

目前日本对这种Fe-N或Fe-C系低温表面硬化技术的了解还是很不够的，当前迫切需要对这种技术进行科学的理解，并在此基础上推进产业应用。

4.2 热处理变形的研究和模拟技术

在日本，将冷却技术与热处理联系在一起。日本制定的JIS-K2242淬火油冷却能力测定方法在世界领先30年，并开展了以冷却能力评价为基础的相变过程研究。在热处理硬度、硬化层深度和热处理变形控制等方面具有超过欧美的实力。欧美的淬火油管理体系不完善、防止热处理变形的措施不充分。所以在热处理质量方面，日本产品是领先的。

4.2.1热处理变形的国际会议

1992年在美国举行了第一届淬火和变形控制国际会议。在第二届国际会议上举行了纪念已故的田村教授的研讨会。之后，淬火和变形控制国际会议由国际热处理及表面工程联合会（IFHTSE）继续组织召开，第3届会议在中国上海，第4届在匈牙利布达佩斯，去年在柏林举行了第5 届国际会议。这些国际会议的举行提高了世界对热处理变形的关注程度。德国进行了热处理质量的国际对比调查，在此基础上，从2001年开始，德国开展新项目（SFB570）的研究。

4.2.2 德国的热处理变形控制研究项目

德国布来梅大学的IWT.材料生产技术研究所投资800万欧元为期10年的研究项目SFB570，目前进行到第3阶段研究。该项目的研究目标是，彻底解决轴承轴套和汽车的各种齿轮的热处理变形。对从炼钢到成品的全部生产过程进行分析，找出影响热处理变形的要素，对这些要素的作用进行统计评价，并发现要素之间的关系，以实现“即时测定 - 即时解决”这样的具有根本性改进的热处理变形对策。该项目的研究成果在各个国际会议上发表，也在IWT.布来梅主办的IDE2005和IDE2008发表。

4.2.3 热处理变形国际会议中的日本

自从在美国举行的第1届热处理变形国际会议之后，日本热处理技术协会（JSHT）的各研究分会都参加了在各国举行的热处理变形国际会议，在关于热处理变形控制和模拟技术的关系、相关数据数据库的重要性和计算机模拟技术的适用性等方面，发表了引导性论文。

会议主题已经从单一的淬火变形问题发展到计算机模拟预测变形、从数学模型的开发到计算机模拟预测变形所需材料（日本材料学）和淬火热传导数据库的建立（JSHT）以及提高模拟预测精度技术。这些研究课题的结果，使日本在这些技术的实际应用方面，在世界领先一步。

5、欧美的热处理研究所

美国在本世纪建立了热处理研究中心（CHTE），但尚未见到其研究实力。瑞典的IVF研究所曾经开展了许多研究工作，但目前其研究规模正在缩小。在德国布来梅大学的研究机构IWT正在进行热处理变形防止对策的研究。该研究机构是目前国际上最优秀的研究机构，在材料热处理论文发表方面，对世界作出很大贡献。该研究机构的材料实验.技术研究所拥有70人的强大研究团队，是欧洲材料热处理应用研究的中心，它的研究业绩十分突出，很早就成为欧洲共同体低压渗碳.压力气体淬火研究项目的中心。目前，该机构是热处理变形控制技术的研究中心，不仅与布来梅州的企业，而且与相关的欧洲企业开展合作，进行范围广泛的研发工作。德国热处理协会杂志也由IWT进行编辑，引起世界注目。在德国除了布来梅大学，Karlsruhe大学、普朗克研究所也在进行新思路热处理技术的研究。

在氮化技术方面，比日本先进的有法国的内特维德（NITRUVID）公司的氮化技术。该技术是法国南锡大学提供的。南锡大学以及法国国家研究所ENCI在表面技术和等离子氮化反应机理的基础研究令人钦佩。

在气体氮化方面，东欧的华沙大学、莫斯科大学具有多年的研究历史，其研究成果已经用于NITREX高温合金钢系列。

对曾在荷兰德尔夫特大学研究并阐明软氮化进行过程机理的索马斯教授进行了访问，请教了关于不锈钢低温表面硬化研究的最新见解。通过这次访问和求教，深感日本基础科学研究能力之不足。

6、日本在热处理领域的国际竞争力

在重视技术革新强化热处理经营策略方面，欧美有许多地方值得日本参考。日本有必要进行超前10年、20年的关于热处理产业发展的研究。

热处理.表面硬化专业方面，中小规模经营者要进行用户希望的技术革新并非易事。在这方面重要的是，象Bodycote公司集团化那样、建立具有技术革新应对力的资本形态。

7、小结

伴随着解决国际性资源、能源问题技术的进展，对保证零部件性能和寿命的钢材和表面强化技术的作用，要求越来越高。虽然在汽车轻量化方面做了很多努力，但为了抑制汽车重量的增加，材料和表面硬化技术的最佳化显得比过去更加重要。

在学术方面，日本的钢铁材料研究处于世界先进水平，但在保证部件性能的热处理技术研发方面，大学和国家研究所尚未足够重视，渗碳和氮化技术的基础研究进行的很少，与欧洲的研发能力相比，显得很弱。对于机械和汽车部件表面硬化所需要的真空渗碳和压力气体淬火，应进行前瞻性的技术研发。此外，还应强化气体和等离子氮化.碳化技术开发，这方面目前落后于欧洲。

另一方面，建立一种新的资本.经营体制，以便不过多增加实施热处理.表面处理新技术的负担也是十分必要的。

在以上所述的情况下，日本要在热处理领域的世界竞争中取胜，产.官.学都要关注世界热处理新技术动向，强化基础研究，充分满足用户的需求。此外，汽车制造和钢材生产双方对未来技术的发展取得共识，建立起信息交换和研究开发的更加紧密的协作关系是特别重要的。