1.2汽車零件熱處理特點

汽車零件用材料包括鋼鐵材料、非鐵金屬及其他高溫合金材料等，其中大部分材料只有通過熱處理，才能達到改變材料性能，即改善其硬度、強度和可加工性的目的。材料的性能取決于組織結構、碳含量和合金元素的成分等，因此根據汽車零件的服役條件與技術要求，選擇合理的熱處理設備與工藝，達到延長汽車零件使用壽命、提高力學性能的目的。

汽車零件的熱處理技術要求決定了其采用的熱處理工藝與特點。目前汽車制造對零件的熱處理提出了具體的要求，除材料本身外，還提出了具體的熱處理工藝手段，故汽車制造一直是熱處理技術的主要應用領域，各種熱處理技術得到了廣泛應用。

1.2.1汽車零件的整體熱處理特點

汽車零件材料要達到使用技術要求，則必須進行合理選材與必要的熱處理，一般零件的熱處理包括退火、正火、淬火與回火、固溶與時效等，其是依據零件的服役條件來選擇的。

1)退火工序多用于鑄鐵（合金鑄鐵)件的熱處理，如去應力退火、低溫退火等，以消除鑄造后的內應力與加工應力等，確保零件尺寸的穩定與后續加工。通常包括灰鑄鐵缸體、缸蓋、飛輪、變速器殼、離合器殼、后橋殼等，它們的退火溫度均低于650℃，無組織的轉變，通常采用箱式爐、推桿爐、振底爐、臺車爐等作為加熱設備，生產率不高。

2)正火工序則用于鋼制曲軸、前軸、轉向節、半軸、二軸、變速器齒輪、后橋齒輪等零件的鍛造后處理，目的是提高基體的表面硬度與心部強度，便于進行機械加工，獲得要求的力學性能，滿足使用要求。正火多采用大型箱式爐、臺車爐、推桿爐等，少數采用鹽浴爐、井式爐等，冷卻方式多為空冷、噴霧冷卻等，獲得的組織通常為F＋P。

3)淬火與回火用于滲碳齒輪與活塞銷、鋼制鋼板彈簧與氣門彈簧、馬氏體鋼制氣門、前軸、轉向節、半軸等零件的熱處理，包括低溫回火、中溫回火與高溫回火等，獲得要求的力學性能與表面硬度等，是最為常見的熱處理工藝方法。通常采用可控氣氛加熱設備，防止零件表面的氧化脫碳，如保護氣氛網帶爐、振底爐、多用爐（箱式爐)，具有生產率高、質量穩定性好、機械化與自動化程度高、工作環境清潔等特點，因此應用十分廣泛。

調質處理是比較常見的熱處理工藝，由于汽車零件是大批量生產的，故多選用網帶爐、鑄鏈爐進行熱處理，調質處理既可作為預備熱處理，也可作為最終熱處理，處理后的零件具有良好的綜合力學性能。

4)固溶與時效用于非鐵金屬與合金、奧氏體耐熱鋼等零件的熱處理，以獲得要求的力學性能或滿足特殊的服役要求，如用于鑄造鋁合金制缸體與缸蓋、活塞、奧氏體鋼制氣門等，是一類比較特殊的熱處理工藝。采用的加熱設備通常為鹽浴爐、高溫燃氣爐、高溫保護氣氛爐、井式爐、多用爐等，均為周期性作業爐，具有勞動強度大、效率低等特點，用于特殊零件的熱處理。

1.2.2汽車零件的常見基本熱處理特點

1.調質處理

汽車零件的調質熱處理可分為保護氣氛調質熱處理和一般調質熱處理。保護氣氛熱處理能夠保證零件在熱處理過程中不會產生表面氧化、脫碳等缺陷，確保零件的表面質量。當調質處理后零件工作面需要后續加工時，采用一般熱處理。根據零件的質量、大小，調質熱處理設備有網帶爐、鑄鏈爐、料盤（料筐)推桿式爐、托架爐、懸掛式連續爐等。調質處理后的組織為回火索氏體，不允許有塊狀的鐵素體，否則會降低零件的強度和韌性等，通常零件調質處理的硬度為30～38HRC（283～350HBW)，以汽車緊固件熱處理為例，調質熱處理技術的發展主要有以下幾方面:

（1)爐型 由于輻射管和網帶壽命的大幅度提高，在國內標準件行業網帶爐得到普遍應用。網帶爐具有爐內布料、加熱均勻，零件質量穩定，工作環境好等優點。特別是對于高強度螺栓的熱處理，采用網帶爐使質量有了可靠保證。

（2)碳勢控制技術的應用 碳勢控制技術在保護氣氛調質生產線上得到普遍應用。采用碳勢控制技術爐內碳勢的控制精度可達到±0.03％，保證了零件熱處理的表面質量。

（3)計算機技術的應用 通過計算機能夠按照工藝設定自動完成工件生產的全過程，記錄、保存工件生產中的各種工藝參數，具有完善的故障診斷、顯示，安全警示及聯鎖功能。

（4)快速淬火油和水基淬火冷卻介質的應用 快速淬火油的應用保證了高強度螺栓件的熱處理內在質量。水基淬火冷卻介質的應用解決了零件淬油不硬、淬水開裂以及零件淬火變形的質量問題。

2.鍛造余熱熱處理

大部分汽車結構零件采用熱鍛成形工藝。利用鍛造余熱實施毛坯的熱處理是節能的重要措施。如采用鍛造余熱等溫退火、鍛造余熱淬火，可以獲得利于后續加工的組織和硬度，省去了再次加熱能耗，節能效果顯著。利用鍛造余熱熱處理的零件有各類齒輪毛坯、前軸、轉向節、搖臂、花鍵軸、曲軸、連桿等。對于齒坯的余熱等溫退火，為了保證鍛造余熱熱處理的組織、硬度均勻性，需要嚴格控制終鍛溫度、中冷過程、等溫溫度等。對于余熱淬火的零件，為保證零件的強韌化性能，除了直接淬火工藝外，也可以采用預冷至550～650℃，完成珠光體轉變后，再次加熱至奧氏體化溫度的方法。主要目的是細化組織，獲得良好的強韌化性能。

1.2.3汽車零件的表面熱處理特點

1.感應熱處理

在20世紀30年代，出現了感應熱處理技術，感應熱處理技術是一項高效、節能、環保的熱處理技術，符合現代工業生產的3S和3C標準（Sure可靠、Safe安全、Saving節約及Cool低溫、Clean清潔、Clam安靜)，幾十年來有了迅速的發展，特別是在汽車生產方面得到了廣泛應用。

從最初的曲軸軸頸感應淬火，逐漸擴展到汽車發動機、汽車底盤等汽車零件上。我國的感應熱處理起步于20世紀50年代，首先應用于機床制造工業與紡織機機械制造工業，其后在汽車制造工業、拖拉機及工程機械、軸承工業、石油鉆機與化工機械、鐵路、重型機械、冶金機械、航空航天、農業機械制造、建筑材料等各個行業大量采用感應熱處理技術。

感應熱處理具有節能、高效、環保、勞動強度低、在線作業、自動化程度高等特點，故發展迅速，在國內外得到普遍的應用與推廣。

目前典型的零件表面淬火，多應用于傳遞動力轉矩的軸類零件:內燃機氣門的桿端與盤錐面、曲軸軸頸、凸輪軸、花鍵軸、齒輪齒圈、半軸、等速萬向節、變速叉、傳動器軸、十字軸、齒輪軸、減振器、銷軸、軸承座、制動凸輪、轉向節等。感應熱處理零件占汽車熱處理零件的70％以上，是比較有前途的熱處理工藝。

（1)感應熱處理工藝與應用 感應熱處理工藝中應用最多的為淬火，其次為回火與退火或正火。感應熱處理工藝的調整是在電源設備（頻率及功率已經確定)、淬火機床、感應器（工藝裝備件已經具備)、輔助裝置（淬火冷卻介質濃度、溫度等)以及需要淬火調整的零件達到該工序的要求后進行的。感應淬火的工藝方式與適用范圍見表1-4。

表1-4感應淬火的工藝方式與適用范圍

感應淬火件回火的目的是降低淬火應力，避免產生淬火裂紋或降低硬度，達到零件的熱處理技術要求。感應淬火后的回火有三種方式:自回火、感應回火、爐中回火。

（2)感應淬火件的質量檢驗 感應淬火件的質量檢驗項目與要求見表1-5。

表1-5感應淬火件的質量檢驗項目與要求

2.火焰淬火

火焰淬火的淬火溫度比普通的淬火溫度要高50～70℃，加熱速度快，因此工件經火焰淬火后硬化層不厚，不適合處理十分重要的零件。硬化層的深度主要取決于零件的淬透性、尺寸、加熱層深度、冷卻條件等因素。一般推薦水壓為0.1～0.2MPa。整體浸入冷卻油中，另外根據零件的硬度也可采用壓縮空氣、乳化油等淬火冷卻介質。

根據加熱方式和工件的形狀、大小及淬火后要求不同等，火焰淬火有以下四種:靜止火焰淬火法、旋轉火焰淬火法、推進火焰淬火法與聯合火焰淬火法。

火焰淬火工藝參數見表1-6。

表1-6火焰淬火工藝參數

3.電解液淬火

零件作為陰極浸入電解液中，當電路通以直流電時，電解液發生電解，此時氫離子趨向零件（陰極)，在周圍形成了氫氣膜。由于氫氣膜的電阻大，故電流通過時將產生很大的熱量將零件加熱（稱為陰極效應)。被加熱到淬火溫度的零件，一旦切斷電源立即由電解液迅速冷卻而完成淬火，可采用端部自由加熱、端面絕緣加熱、回轉加熱和連續加熱等方式。

1)電解液淬火所用的電解液為質量分數為5％～10％的碳酸鈉水溶液，也可采用5％～10％的碳酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸鈉、氯化鈣、氯化鋇以及硝酸鈣等水溶液。

2)電解液加熱所用電壓與電流應控制在要求的范圍內，電流可通過對總電流及浸入電解液中工件面積的調節來實現。

3)整個過程中，電解液的溫度應控制在20～40℃，最高不超過60℃。

資料介紹，除高頻感應淬火可用作內燃機進、排氣門桿端的表面淬火外，接觸電阻加熱淬火也用于該類產品的頂端面淬火。氣門的桿部材料為40Cr，技術要求為桿端淬硬層深度為2～4mm，硬度為45～62HRC，則具體的工藝參數為:電解液為質量分數為12％～15％的碳酸鈉水溶液，溫度為30～60℃，直流電壓為180V，電流為10～15A，通電時間為4.5s。

需要注意的是，在生產過程中，零件表面不得有過熱、燒熔、腐蝕以及任何形式的裂紋等缺陷產生；硬化層組織為細小馬氏體，晶粒度應不大于5級，過渡層為托氏體和索氏體，心部為原始組織。

4.激光熱處理

激光熱處理（即激光表面淬火)又稱為激光相變硬化，因其具有快速的加熱速度與冷卻速度，故可獲得極細的馬氏體組織，此方法適用于碳素鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面淬火。因此大量用于汽車、拖拉機等的發動機缸體和缸套內壁的處理，以提高其耐磨性和使用壽命，此外，還可用于曲軸、齒輪、模具、刀具、活塞環等的表面硬化處理。

1.2.4汽車零件的化學熱處理特點

鋼鐵件化學熱處理的目的是改變表層化學成分與組織結構，以提高表面的力學性能、物理與化學性能。

采用化學熱處理可有效提高模具表面的耐磨性、抗咬合性、抗氧化性、抗粘著性、抗冷熱疲勞性等性能，同時可使零件內部保持原有的強韌性，化學熱處理均是以提高零件的耐磨性與使用壽命為目的的。

汽車零件的化學熱處理包括滲碳、碳氮共滲、滲氮、氮碳共滲、硫氮碳共滲等，應用比較廣泛的為滲碳、碳氮共滲、滲氮與氮碳共滲，其中滲碳與氮碳共滲零件所占比例較大。

1.滲碳

滲碳熱處理的主要目的是使零件獲得良好的抗疲勞性能和耐磨性，保證零件的使用性能與可靠性。同時由于心部與表層的碳含量不同，硬化后的表面獲得了有利的殘留應力分布，從而提高了滲碳工件的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。采用滲碳淬火強化熱處理的零件有:汽車驅動橋的差速器齒輪、變速器軸齒類零件、轉向器軸齒件、發動機活塞銷、柴油機針閥體和齒輪零件、部分模具等。十幾年來，滲碳熱處理技術發展的重要標志是傳感技術和計算機技術在生產中的應用。可實現對滲碳熱處理工藝參數如溫度、時間、碳勢，淬火過程以及動作程序的完全自動控制，甚至根據零件的技術要求、材料牌號及特性等，系統可以自動生成工藝，實現智能控制。

汽車零件的滲碳熱處理裝備有箱式爐，單排、雙排、多排連續爐以及真空爐等多種熱處理設備。

汽車零件滲碳熱處理技術有如下特點:①工業計算機對爐溫、碳勢、自動線動作程序進行監控與數據自動采集；②對自動線滲碳熱處理工藝過程進行自動跟蹤與監控，實現滲碳工藝仿真與優化和零件滲碳質量的預測；③對爐內溫度、碳勢和動作進行實時顯示及控制，系統故障自動診斷、顯示及報警；④熱處理生產工藝的全過程在線自動顯示、記錄以及保存和建檔，可以建立可追蹤的熱處理質量管理系統。

氣體滲碳多用于承受大沖擊、高強度和使用硬度在58～62HRC范圍內的小型模具、齒輪等。井式爐氣體滲碳典型工藝曲線如圖1-1所示。部分齒輪在井式爐中的典型氣體滲碳工藝如圖1-2和圖1-3所示。

圖1-1 井式爐氣體滲碳典型工藝曲線

2.碳氮共滲

汽車零件碳氮共滲的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性和耐疲勞性等，其中應用最廣的為中溫氣體碳氮共滲，其共滲介質為滲碳和滲氮用混合氣體，即在井式滲碳爐內滴入煤油（或甲苯、丙酮等)，同時通入滲氮用氨氣。共滲溫度為820～860℃，氣體碳氮共滲中的碳、氮含量主要取決于共滲溫度，即共滲溫度越高，共滲層中碳含量越高，氮含量越低；反之共滲溫度越低，共滲層中的碳含量越低，氮含量越高。零件完成滲碳、碳氮共滲（排氣、強烈滲碳或碳氮、擴散后)，對于可直接淬火的零件，可隨爐冷卻到適宜的淬火溫度，并保溫一定時間，待零件的內外溫度均勻后出爐，而對于需要重新加熱的零件，可在出爐后在空氣中冷卻或放入緩冷罐，為了減少零件的表面氧化、脫碳和變形，也可保持擴散階段的滲劑流量，并隨爐降溫至500～550℃再出爐。

進行碳氮共滲的汽車零件有汽車變速器齒輪、差速器齒輪、部分曲軸、活塞銷等。

圖1-2 變速器齒輪的氣體滲碳工藝規范

注:材料20CrMnTi，滲層深度為0.8～1.2mm，RQ3-75-9T。

圖1-3 轉向器齒輪的氣體滲碳工藝規范

注:材料20CrMnTi，滲層深度為0.4mm，可控氣氛多用爐。

3.滲氮

滲氮是將鋼件置于含有活性氮原子的氣氛中，加熱到一定溫度保溫一定時間，使氮原子滲入工件表面形成滲氮層的熱處理工藝。滲氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度及耐蝕性。常用的滲氮用鋼為38CrMoAlA、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSiV等。模具滲氮前應進行調質處理，為了保持模具的整體性能，滲氮溫度一般不超過調質處理的溫度，一般滲氮溫度為480～550℃。汽車零件進行滲氮的有活塞環、活塞桿、螺桿、部分齒輪等。

4.氮碳共滲

氮碳共滲后的工件表面形成了化學特性較穩定的滲氮物，可顯著提高工件的耐磨性，具有良好的抗咬合、抗擦傷能力，可減輕粘模現象，另外可明顯提高工件的抗疲勞性能，使工件具有良好的耐蝕性，一般認為經過氮碳共滲后的工件，其抗大氣腐蝕的能力與發藍、鍍鋅件相當，內燃機氣門、曲軸等進行氮碳共滲后，表面的耐磨性成倍提高，耐蝕性明顯提高，是一種十分有效的表面強化工藝手段。廣泛用于模具（壓鑄模具、熱擠壓模、錘鍛模、沖模、塑料模)、曲軸、凸輪軸、氣門、挺桿、燃氣管等領域，并取得了令人滿意的效果。

圖1-4所示為選用TJ-2氮碳共滲基鹽對3Cr2W8V鋼制氣門用熱擠壓模進行氮碳共滲的工藝曲線，滲層深度為0.10～0.25mm，表面硬度在850HV以上，使用壽命比氣體氮碳共滲提高80％。

圖1-4 3Cr2W8V鋼制氣門用熱擠壓模氮碳共滲工藝曲線

汽車零件進行氮碳共滲的目的是提高耐磨性、抗擦傷性、耐蝕性和疲勞強度等，也是一種成本較低且變形小的熱處理工藝，適用于大批量零件的生產，汽車內燃機氣門、氣門挺桿、曲軸等均采用了氮碳共滲工藝，表1-7為幾種主要氮碳共滲工藝方法的比較，可以看出液體氮碳共滲具有明顯的優勢。

表1-7幾種主要氮碳共滲工藝方法的比較

（續)