表面改性技術是指用來改善表面完整性以提高材料與構件使用性能的工藝技術。由于材料和構件的失效多數是從表面發生的，所以疲勞斷裂、腐蝕、摩擦磨損等性能往往與表面完整性密切相關。表面完整性是指無缺陷或表面強化的表面狀態與性能，它確定了材料的使用性能，但取決于制造加工工藝技術。熱處理表面改性技術主要是指采用加熱和冷卻的方法來使材料的組織結構發生變化以達到所期望的使用性能。

本文主要介紹感應淬火、稀土或形變促滲、真空熱處理、激光熱處理、電子束熱處理和離子束熱處理等新技術的特點，并結合自己的一些研究成果來展望金屬熱處理新技術的應用前景和發展趨勢，以期達到宣傳新技術和推動新工藝發展的目的。

一、感應淬火

感應淬火是利用感應電流通過材料或工件所產生的熱量，使材料或工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。

1.感應淬火的特點

（1）加熱速率大，熱效應利用率高。

（2）具有加熱肌膚效應，整體不加熱，變形小。

（3）加熱時間短，與外界的化學反應少，表面氧化脫碳少。

（4）設備易于機械化，操作便于自動化，可編程控制。

（5）淬火層組織、深度、硬度易于控制，表面硬度較常規淬火高、缺口敏感性小，可顯著改善構件的疲勞性能和提高耐磨性，延長零件的使用壽命。

2.感應淬火現狀

近幾年國內比較重視感應淬火設備的研發和工藝技術的應用研究，已經可以生產出了工頻、低頻、中頻、超音頻、高頻、超高頻等幾種不同的淬火感應設備，從而根據淬硬深度需要來選擇適宜的感應頻率設備。

一方面，目前國內對于超高頻的設備研發還有一點難度，主要是轉換效率高、性能穩定的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）多數是依靠進口（主要來自德國西門子）。國內最近較大的IGBT電源達到了300kW、50kHz，國外早已有了600kW、100kHz的電源商品生產。

另一方面，原有的電子管高頻振蕩電源也正逐漸被MOSFET（場效應晶體管）電源及SIT（靜電感應晶體管）電源所替代，國產電源可達300kW、300kHz，發達國家已有500kW、300kHz的產品問世。MOSFET及SIT全固態電源與電子管高頻振蕩式電源相比，具有電源體積小、效率高、控制方便、使用壽命長、安全性高等突出特點，發展前景較好。最后值得一提的是設備的自動化、標準化控制技術都發展較快，國內還需要進一步開發軟件和加強對感應淬火組織以及殘留應力的計算機模擬分析技術研究。

3.未來發展趨勢與應用前景

高能、高頻、高效、高精控制是未來感應淬火設備的發展方向；淬火組織深度、硬度梯度分布特性、殘留應力、使用性能是未來感應淬火設備和技術進一步推廣應用亟待解決的問題，有待產、學、研、用等單位共同突破。

應用前景還是比較廣闊的，曲軸、車軸、齒輪等關鍵基礎的傳動件都可以應用，對于不規則形狀的零件，還需要好好設計，確保淬火過程中的應力集中不要太大，以免產生淬火裂紋和不均勻的組織，關鍵是要有好的感應淬火器設計，在科學理論的指導下，通過精確的工藝參數控制，確保淬火組織的均勻性和深度，并具有一定的硬度和適宜的硬度梯度分布。

二、稀土或形變促滲

稀土是中國的特色資源，中國的稀土資源豐富而且很多稀土元素是戰略資源，因此應該充分發揮我國稀土資源的優勢和特色，在國際熱處理和表面改性領域占有自己的一席之地和具有自己的研究特色。

對于金屬表面的改性處理，通過稀土的加入能夠顯著提高元素滲入速度，改善滲層組織，提高滲層性能，表現出很好的催滲效果，在鋼鐵熱處理領域具有良好的應用前景。

1.稀土催滲取決因素

稀土的催滲效應除了和待滲材料密切相關外，還取決于以下因素：

（1）稀土元素的化學活性。通常稀土元素與O、H及N均可發生強烈的化學反應，尤其與O的親和力較強。因此，爐內氣氛中含有稀土元素，有利于煤油等高分子斷鍵，使爐氣得到活化，對滲劑的分解過程起促進作用；加速分解動力學過程，并促使熱分解更完全。

（2）稀土元素滲入金屬表面形成的晶格畸變。由于稀土元素的原子半徑比Fe原子半徑大得多，它的存在會引起它周圍的原子晶格畸變。這種晶格畸變一方面由于C、N間隙原子在畸變區的偏聚導致表面C、N濃度增高，加快C、N原子的擴散；另一方面由于晶體缺陷對原子擴散的通道作用，促使間隙原子沿著位錯等缺陷快速擴散。

2.稀土的催滲效果

稀土的催滲作用目前已在工程中應用于滲碳、滲氮、滲硼、滲釩及各種復合共滲。下面舉例說明其促滲效果。

（1）稀土滲碳。稀土催滲碳在汽車變速箱齒輪、減速器齒輪、內燃機活塞銷、機床摩擦片等零件上已得到廣泛運用，在活塞銷零件的應用上也取得明顯效果。稀土催滲碳的效果主要表現在：①能降低滲碳溫度，縮短滲碳周期。②減少工件變形，減少工件表面積碳。③細化滲層組織晶粒，改善碳化物形態。④使滲層硬度的變化較為平緩。加稀土可提高滲碳速度20%~30%，節電70%，熱處理成本下降60%。

（2）稀土滲氮。稀土催滲氮可有效提高滲氮速度，在同樣溫度下稀土滲氮可提高滲速15%~20%；當滲氮溫度高出傳統溫度10~20℃，則可使滲氮速度提高60%以上。稀土也可使碳氮共滲的滲速提高20%~50%。稀土催滲氮可使氮化物的分布變得細小彌散，避免氮化物沿晶界的偏聚及脈狀組織的產生，能有效提高表面硬度。稀土催滲氮不僅有催滲和改善滲氮層硬度和滲層組織的效果，還有一定的離子轟擊效應，使鋼鐵表層內的空位與位錯密度增加，加快氮原子的擴散；同時，稀土原子也沿晶界、位錯等特殊通道以較快速度向內部擴散，具有一定的微合金化作用。

（3）稀土滲硼。加稀土的滲硼劑顯示出較好的催滲效果，滲速提高幅度在20%~30%，特別是對低碳材料的效果更明顯。研究表明，稀土的加入可抑制FeB的生長，有利于Fe2B的形成，所形成的Fe2B形如針齒細密直長，能減少硼化層脆性，提高滲層與基體的結合力。

（4）稀土滲釩。滲釩技術所形成的碳化釩覆層在常溫下具有良好的穩定性和優異的抗磨損能力，但傳統的鹽浴滲釩方法一直存在著設備腐蝕嚴重、工件變形大以及表面粘鹽難以清理等技術難點。采用稀土催滲釩技術，能加速活性原子的產生，加速滲劑的分解，提高鹽浴中的釩勢，從而提高滲釩的速度，增加滲層厚度。

此外，除了稀土可以促進滲氮或滲碳進程外，機械形變由于引入的位錯或晶粒細化所貯存的能量也可以降低擴散激活能，促進擴散過程，減少熱處理時間，提高生產效率和產品質量。國內學者卻力克、葛繼平、戚正風等較早系統研究了室溫形變對45鋼、45VS鋼促進滲氮的效果。此后陸續不斷有人進行相關的研究，但效果比較顯著的是材料表面納米化后的促滲效果，它可以實現低溫滲或深層滲。

3.稀土催滲工藝技術特點

充分發揮中國稀土資源優勢和形變研究特色，提高了熱處理生產效率和產品質量，投入少、收效大，研究具有很強的中國特色。

4.稀土催滲現狀

稀土促滲結果多年的研究在工程上已經有所應用，尤其是在汽車行業得以推廣；形變促滲雖然研究多年，但在工程上還缺少應用，而且效果也因零件形狀、尺寸和熱處理爐子不同而不同性能顯得不穩定。

5.未來發展趨勢與應用前景

稀土促滲工藝技術有待在組織優化和滲層深度、硬度梯度等精確控制的研究基礎上，加大在工業上的推廣應用；形變促滲工藝技術尚需進一步開展深入系統的研究，以挖掘工藝技術的潛力，形成成熟的形變促滲工藝特色和獨特的技術優勢，加強形變能與擴散激活能等應用基礎理論方面的研究，實現科學理論上的重大突破，將為工程實踐上的應用奠定基礎。

三、真空熱處理

真空熱處理具有無氧化、不脫碳、工件表面光亮、變形小、無污染、節能、自動化程度高、適用范圍廣等優點，是近年來發展較快的熱處理新技術之一，特別是在進行航空材料表面改性方面獲得了很大的進展。

許多新近開發的先進熱處理技術，如真空高壓氣淬、真空化學熱處理等，也需在真空下方能實施。采用真空熱處理技術可使結構材料、工模具的質量和使用壽命得到大幅度的提高，尤其適合于一些精密零件的熱處理。

1.真空熱處理發展

隨著真空熱處理技術的發展，真空熱處理設備如真空退火爐、真空淬火爐、真空回火爐、真空滲碳爐、真空釬焊爐、真空燒結爐等在國內得以研制成功，在工業上真空爐的制備技術和裝備水平不斷提升，真空度也逐漸達到了國外水平，但在自動化控制和器件的精細加工上與國外還有一定差距，尤其是在超高真空爐性能的穩定上有待精密器件制備水平的提高。此外，測試技術和測量儀器的發展也對真空設備有很大的影響，尤其是自動測試與控制技術。真空設備中極限真空度、工作真空度、空爐抽空時間、壓升率、爐溫均勻度、空爐升溫時間等參數的準確測量和性能指標是真空爐性能的主要體現。

在工業發達國家，真空熱處理的比例已達到20%左右，而我國目前約有真空熱處理爐1200臺，占熱處理爐總數的1%左右，與國外的差距很大。預計今后隨著熱處理行業的技術進步和對熱處理工件質量要求的越來越高，真空熱處理將會有較大的發展。

2.真空熱處理特點

設備一次性投入大，但產品質量好、變形小、無污染、節能環保，對工人操作的技術水平要求略高，生產效率由于真空度要求抽真空時間比較長而略低。

3.真空熱處理現狀

真空熱處理在國內發展已有十余年的歷史，但目前還只是應用在高端高質量的零件上，如航空航天等軍工產品的關鍵部件采用真空熱處理，對于民用還是較少。一方面是因為設備價格高，另一方面是國內零件采用真空熱處理將增加費用除非是高附加值產品，一般不愿意進行真空熱處理。

4.未來發展趨勢與應用前景

精密零部件和較高質量要求的零件未來都將采用真空熱處理來確保表面質量和完整性，真空熱處理具有從航空航天高端產品走向民用高端產品的趨勢，并且隨著環保無污染國家政策的嚴格要求和執行也將得以推廣應用。

四、激光熱處理

激光熱處理功率高、加熱和冷卻率快、定位精確，可解決傳統金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術難題。同時激光熱處理又是一種表面熱處理技術，即利用激光加熱金屬材料表面實現表面熱處理改性。

1.激光熱處理原理及應用

激光加熱具有極高的功率密度，即激光的照射區域的單位面積上集中極高的功率。由于功率密度極高，工件傳導散熱無法及時將熱量傳走，結果使得工件被激光照射區迅速升溫到奧氏體化溫度實現快速加熱。當激光加熱結束，因為快速加熱時工件基體大體積中仍保持較低的溫度，被加熱區域可以通過工件本身的熱傳導迅速冷卻，從而實現淬火等熱處理效果。激光淬火技術可對各種導軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥、滾輪零件進行表面強化。適用材料為中、高碳鋼，鑄鐵。激光淬火強化的鑄鐵發動機汽缸，其硬度提高230HBW提高到680HBW，使用壽命提高2~3倍。

2.激光熱處理特點

激光相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性處理，可產生用常規表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的改變。經激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達到60HRC以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達70HRC以上，從而提高抗磨損、抗疲勞、耐腐蝕、抗氧化等性能，延長使用壽命。激光熱處理技術與其它熱處理如高頻淬火、滲碳、滲氮等傳統工藝相比，具有以下特點：

（1）無需使用外加材料，僅改變被處理材料表面的組織結構，處理后的改性層具有足夠的厚度，可根據需要調整深淺一般可達0.1～0.8mm。

（2）處理層和基體結合強度高。激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結合，而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性。

（3）被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時間很短（2～10s），故零件的熱變形區和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。

（4）加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導光系統可隨意將激光導向處理部分，從而可方便地處理深孔、內孔、盲孔和凹槽等，可進行選擇性的局部處理。

3.其他激光表面改性技術

激光熱表處理改性技術還包括激光熔覆技術、激光表面合金化技術、激光退火技術、激光沖擊強化技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術，這些技術對改變材料的力學性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。

（1）激光熔覆技術是在工業中獲得廣泛應用的激光表面改性技術之一，具有很好的經濟性，可大大提高產品的抗腐蝕性。

（2）激光表面合金化技術是材料表面局部改性處理的新方法，是未來應用潛力最大的表面改性技術之一，適用于航空、航天、兵器、核工業、汽車制造業中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。

（3）激光退火技術是半導體加工的一種新工藝，效果比常規熱退火好得多。激光退火后，雜質的替位率可達到98%～99%，可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/3～1/2，還可大大提高集成電路的集成度，使電路元件間的間隔縮小到0.5μm。

（4）激光沖擊強化技術能改善金屬材料的機械性能，可阻止裂紋的產生和擴展，提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度，改善其抗疲勞性能。在航空發動機葉片維修上得以應用來提高其抗外來物破壞和疲勞使用性能。

（5）激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度，速度比無激光照射快1000倍，對微型開關、精密儀器零件、微電子器件和大規模集成電路的生產和修補具有重大意義。使用該技術可使電鍍層的結合力大大提高。

（6）激光上釉技術對于材料改性很有發展前途，其成本低，容易控制和復制，有利于發展新材料。激光上釉結合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技術，在控制組織、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應用前景。電子材料、電磁材料和其他電氣材料經激光上釉后用于測量儀表極為理想。

4.激光熱處理特點

高功率、高速率加熱和冷卻、定位精確，可獲得常規熱處理難以獲得的組織結構、硬度和使用性能，具有很高的性能，很大的發展前景和市場潛力。

5.激光熱處理現狀

由于設備一次性投入大、操作技術要求高等問題制約了激光熱處理在工程中的推廣應用；由于材料對激光能量的吸收率有待提高和設備研發技術水平尚需提升，國內激光熱處理工藝技術和設備裝備都還處于研發階段，只有少數成熟的工藝技術在工業上得到了應用，但也有待推廣。

6.未來發展趨勢與應用前景

需要加強材料對激光能量利用率的研究以提高激光能量的吸收率；對于鋁合金、鈦合金等材料制品還需要研究不同氣氛保護下的熱處理效果以及生產效率。此外，加大高功率、高精度、高性能的設備研發也是推動激光熱處理技術在工業上應用的關鍵，尤其是高功率、高頻率、高穩定性的固體激光器沖擊強化設備的研制，已嚴重限制和影響了我國裝備的實力水平。

五、電子束熱處理

電子束照射到金屬表面時，電子能深入金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發生相互作用。能量傳遞主要是通過電子束與金屬表層電子碰撞而完成的，所傳遞的能量立即以熱的形式傳與金屬表層原子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。與激光加熱有所不同，電子束加熱時，其入射電子束的動能大約有75％可以直接轉化為熱能；而激光束僅有少量可被金屬表面直接吸收而轉化為熱能，其余部分基本上被完全反射掉了。目前，電子束加速電壓達125kV，輸出功率達150kW，能量密度達103MW/m2。因此，電子束加熱的深度和尺寸比激光大。

1.電子束熱處理分類

與激光束改性相似，電子束熱處理也有電子束退火、電子束相變硬化、電子束熔化/粉注、激光熔敷、電子束表面合金化、電子束非晶化和細晶化等。

（1）電子束表面硬化是利用電子束轟擊金屬工件表面，使表面被加熱到相變溫度以上，高速冷卻產生馬氏體相變強化。電子束表面硬化比較適合于碳鋼、中碳低合金鋼、鑄鐵等材料的表面強化。

（2）電子束表面熔凝是用高能量密度的電子束轟擊工件表面，使表面產生局部的重新熔化，并在冷基體的作用下快速凝固，從而使組織細化，實現硬度和韌性的最佳結合。電子束表面熔凝最適用于鑄鐵、高碳高合金鋼。

（3）電子束表面合金化是預先將具有特殊性能的合金粉末涂敷在基體金屬表面，再用電子束轟擊加熱，使特殊的合金粉末熔融在基體材料的表面上，從而在工件表面形成一層具有耐磨、耐蝕、耐熱等性能的新合金表面層。

（4）電子束熔敷是按需要在基體材料表面預先涂敷一層特殊性能的合金粉，并用電子束加熱將其熔化，在基體表面形成具有某些特性的覆層。

（5）電子束表面非晶化是利用聚焦的電子束高能量密度以及作用時間短的特點，使工件表面在極短的時間內迅速形成小熔池，并在基體與熔化的表層間產生很大的溫度梯度，使表層的冷卻速度高達104~108℃/s。致使表層幾乎保留了熔化時液態金屬的均勻性，經高速冷卻，在材料的表面形成良好的非晶層。

近年來筆者開展了航空鈦合金的脈沖電子束改性系統研究，獲得了一系列的研究成果。主要的突破是：①采用脈沖電子束在TA2、TA15、TB6和TC4等鈦合金表面進行表面納米化處理，獲得了10～50μm的納米改性層，使得表層強度和硬度得到明顯提高和耐磨性與抗疲勞性得以改善。②采用脈沖電子束使表面粗糙度得到顯著改善，可以用來拋光金屬零部件使之表面達到鏡面效果。③脈沖電子束可凈化表面，改善相結構或微觀組織，提高耐蝕性。④對制備的納米材料表層進行復合強化可進一步提高表層的硬度和韌性，這方面的研究只是剛剛開展探索，還需要深入系統開展研究。有興趣的讀者可進一步閱讀筆者發表的相關文章。

2.電子束熱處理特點

（1）加熱、冷卻速度快。

（2）設備結構簡單。

（3）能量控制簡便。

（4）電子束與金屬表面作用耦合性好，能量利用率高。

（5）處理中工件不被污染，質量好。

（6）電子束加熱的深度和尺寸范圍比激光束大。

（7）電子束因易激發X射線，在使用中應注意輻射防護。

3.電子束熱處理現狀

電子束具有獨特的高能、高脈沖特性，而且能量的利用率高、無污染、環保，在國外工業上應用較多，國內主要用于金屬的焊接和合金化，對于電子束熔敷技術和非晶化處理剛剛起步，很多高新技術方面有待投入人力、物力和財力進行基礎研究，以推廣電子束熱處理改性技術的工程應用。

4.未來發展趨勢與應用前景

在技術研發進步和設備裝備水平提升的技術上，通過對材料與電子束相互作用機理的系統研究，開發高能高效清潔電子束熱處理設備是非常必要的，也是有很大應用市場和發展空間的。

六、離子束熱處理

離子束熱處理改性技術近年來發展較慢，前幾年主要應用于離子注入、離子束熔敷、離子束合金化和離子束淬火等。離子束改性與激光束和電子束改性基本相同，多數是利用離子束的熱作用，使材料表面發生物理化學變化或冶金反應，得到組織再造、表層改性的目的。

1.離子束熱處理特點

（1）加熱、冷卻速度快。

（2）能量控制簡便。

（3）離子束與金屬表面作用耦合性好，能量利用率高。

（4）處理中工件在保護氣氛下不易被污染，表面質量高。

2.離子束熱處理現狀

離子束具有獨特的高能、高脈沖特性，而且能量的利用率高，在國外工業上應用較多，國內主要用于離子注入表面改性，對于離子束熱處理的研究也是剛剛起步，很多高新技術方面有待加強基礎研究，以推廣離子束熱處理改性技術的工程應用。

3.未來發展趨勢與應用前景

在技術研發進步和設備裝備水平提升的技術上，通過對材料與離子束相互作用機理的系統研究，開發高能高效清潔離子束熱處理設備是非常必要的，同樣離子束熱處理工藝技術在中國有很大應用市場和發展空間。

七、結語

本文在綜合國內外大量文獻的基礎上，尤其是網絡上很多新技術方面的資料，結合自己的理解，對感應淬火、稀土促滲、形變促滲、真空熱處理、激光熱處理、電子束熱處理和離子束熱處理等新技術的特點進行了簡要介紹，并展望了金屬熱處理新技術的應用前景和發展趨勢，希望達到宣傳新技術和推動新工藝發展的目的，以提升中國熱處理的技術水平，提高我們熱處理裝備的能力和產品質量。