3.10 蒸汽处理

蒸汽处理是很古老、也很实用的表面强化方法，直到现在国内外在高速工具钢丝锥、钻头等工具上应用仍然很普遍。有的单位长期使用氧氮化，从节能减排环保角度出发，应改氧氮化为蒸汽处理。蒸汽处理是使工具在过热的蒸汽中加热，表面形成1～5μm厚致密的蓝黑色Fe₃O₄氧化膜。此膜不仅使工具有了漂亮的商品外观，增加了表面的耐蚀能力，而且工具切削时还可以储存切削液，减少摩擦，延长了工具的使用寿命。通过蒸汽处理可以提高工具寿命20%～30%。

1.蒸汽处理的原理

因为蒸汽处理使刀具表面获得多孔性氧化膜，能储存润滑冷却液，这样不仅使刀具在切削时温度不易升高，而且也降低了刀具与被切削工件之间的摩擦因数，使切屑顺利地切下而离开刀体，故减少了咬合现象。

Fe₃O₄氧化膜的致密性要比Fe₂O₃或FeO高得多，而且还能起到防锈作用。蒸汽处理是一种物美价廉的表面强化工艺。

在水蒸气气氛中，铁制件也会发生氧化，因为水蒸气在铁的催化下发生分解：H₂O→H₂↑+[O]3Fe+4[O]→Fe₃O₄

活性氧原子被铁表面吸收，与铁发生氧化作用，首先生成一层氧化物薄膜，以后的过程即氧化膜的生长，则依赖氧、铁（或合金元素）原子的离子化及离子双向迁移而进行。膜-气界面的氧原子获得电子成为氧负离子，并通过膜向金属表面迁移（扩散）；膜-金属界面上的金属原子失去电子成为正离子而向外扩散。二者相遇即形成氧化物。氧化物的生长区，依氧、金属离子的相对扩散速度而定，并取决于原有氧化膜的电化学结构。一般认为氧化物的生长区在膜-气界面以下，临近此界面；但不排除发生在膜-气界面上（即在氧化物表面向外增厚）或膜-金属界面上的可能性。根据H₂O-H₂-Fe相图，100%的水蒸气气氛，从低温到900℃的温区内，与铁保持平衡的氧化物均为Fe₃O₄，即贴在金属表面的氧化物为致密的、牢固性和色泽性皆好的磁性氧化膜。

2.蒸汽处理操作及设备

高速工具钢刀具或热作模具的蒸汽处理可在由井式回火炉经改装的密封式炉内进行，市场上也有带蒸汽发生装置的蒸汽处理专用炉出售。进行处理时，必须在入炉前仔细清洗，去除表面油污及一切附着物，使其具有清洁、活性的表面，否则会影响色泽及均匀性。高速工具钢刀具蒸汽处理工艺如图3-7所示。在加热阶段必须加大通气量，快速驱赶炉内空气。当出口口径一定时，炉内压力反映通汽量的大小。排气阶段的压力应比正常氧化时的压力高1倍左右。氧化过程必须保持一定压力，一是为了防止空气进入，二是给表面发生的氧化过程提供足够的新鲜气源，并促使氧化产生的H₂气随蒸汽排除。氧化结束出炉后空冷，并于适当的温度浸入热油中，使氧化层微孔中充满油，更好地起到防腐蚀和美观的作用。经540～560℃×1～2h蒸汽处理后，一般可以获得2～4μm的氧化层。当氧化膜太薄时，色泽发淡，耐蚀性达不到要求，则可采取图3-7所示中间停蒸汽10～15min的办法，这是节省时间而有效的措施；也有的单位蒸汽处理时采用预热、加热两台炉子，大部分单位用一台炉子。

图3-7 高速工具钢刀具蒸汽处理工艺

蒸汽处理时氧化膜厚度与温度及时间的关系如图3-8和图3-9所示。

从图3-8和图3-9可知，在装炉量、气体流量良好的前提下，氧化速度相当快，在530℃，30min即可形成2μm左右的氧化层。在实际生产中，由于密集装料、料筐隔阻等原因，形成相同厚度的氧化膜要比图3-9中所示的时间长些，但也不会超过2h。

图3-8 氧化膜厚度与氧化温度的关系

注：氧化时间为30min。

图3-9 氧化膜厚度与处理时间的关系

注：氧化温度为530°C。