3.10 蒸汽處理

蒸汽處理是很古老、也很實用的表面強化方法，直到現在國內外在高速工具鋼絲錐、鉆頭等工具上應用仍然很普遍。有的單位長期使用氧氮化，從節能減排環保角度出發，應改氧氮化為蒸汽處理。蒸汽處理是使工具在過熱的蒸汽中加熱，表面形成1～5μm厚致密的藍黑色Fe₃O₄氧化膜。此膜不僅使工具有了漂亮的商品外觀，增加了表面的耐蝕能力，而且工具切削時還可以儲存切削液，減少摩擦，延長了工具的使用壽命。通過蒸汽處理可以提高工具壽命20%～30%。

1.蒸汽處理的原理

因為蒸汽處理使刀具表面獲得多孔性氧化膜，能儲存潤滑冷卻液，這樣不僅使刀具在切削時溫度不易升高，而且也降低了刀具與被切削工件之間的摩擦因數，使切屑順利地切下而離開刀體，故減少了咬合現象。

Fe₃O₄氧化膜的致密性要比Fe₂O₃或FeO高得多，而且還能起到防銹作用。蒸汽處理是一種物美價廉的表面強化工藝。

在水蒸氣氣氛中，鐵制件也會發生氧化，因為水蒸氣在鐵的催化下發生分解：H₂O→H₂↑+[O]3Fe+4[O]→Fe₃O₄

活性氧原子被鐵表面吸收，與鐵發生氧化作用，首先生成一層氧化物薄膜，以后的過程即氧化膜的生長，則依賴氧、鐵（或合金元素）原子的離子化及離子雙向遷移而進行。膜-氣界面的氧原子獲得電子成為氧負離子，并通過膜向金屬表面遷移（擴散）；膜-金屬界面上的金屬原子失去電子成為正離子而向外擴散。二者相遇即形成氧化物。氧化物的生長區，依氧、金屬離子的相對擴散速度而定，并取決于原有氧化膜的電化學結構。一般認為氧化物的生長區在膜-氣界面以下，臨近此界面；但不排除發生在膜-氣界面上（即在氧化物表面向外增厚）或膜-金屬界面上的可能性。根據H₂O-H₂-Fe相圖，100%的水蒸氣氣氛，從低溫到900℃的溫區內，與鐵保持平衡的氧化物均為Fe₃O₄，即貼在金屬表面的氧化物為致密的、牢固性和色澤性皆好的磁性氧化膜。

2.蒸汽處理操作及設備

高速工具鋼刀具或熱作模具的蒸汽處理可在由井式回火爐經改裝的密封式爐內進行，市場上也有帶蒸汽發生裝置的蒸汽處理專用爐出售。進行處理時，必須在入爐前仔細清洗，去除表面油污及一切附著物，使其具有清潔、活性的表面，否則會影響色澤及均勻性。高速工具鋼刀具蒸汽處理工藝如圖3-7所示。在加熱階段必須加大通氣量，快速驅趕爐內空氣。當出口口徑一定時，爐內壓力反映通汽量的大小。排氣階段的壓力應比正常氧化時的壓力高1倍左右。氧化過程必須保持一定壓力，一是為了防止空氣進入，二是給表面發生的氧化過程提供足夠的新鮮氣源，并促使氧化產生的H₂氣隨蒸汽排除。氧化結束出爐后空冷，并于適當的溫度浸入熱油中，使氧化層微孔中充滿油，更好地起到防腐蝕和美觀的作用。經540～560℃×1～2h蒸汽處理后，一般可以獲得2～4μm的氧化層。當氧化膜太薄時，色澤發淡，耐蝕性達不到要求，則可采取圖3-7所示中間停蒸汽10～15min的辦法，這是節省時間而有效的措施；也有的單位蒸汽處理時采用預熱、加熱兩臺爐子，大部分單位用一臺爐子。

圖3-7 高速工具鋼刀具蒸汽處理工藝

蒸汽處理時氧化膜厚度與溫度及時間的關系如圖3-8和圖3-9所示。

從圖3-8和圖3-9可知，在裝爐量、氣體流量良好的前提下，氧化速度相當快，在530℃，30min即可形成2μm左右的氧化層。在實際生產中，由于密集裝料、料筐隔阻等原因，形成相同厚度的氧化膜要比圖3-9中所示的時間長些，但也不會超過2h。

圖3-8 氧化膜厚度與氧化溫度的關系

注：氧化時間為30min。

圖3-9 氧化膜厚度與處理時間的關系

注：氧化溫度為530°C。