机械加工常见热处理工艺解读.docx

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机械加工常见热处理工艺解读

渗碳

渗碳热处理

渗碳：

是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。

相似的还有低温渗氮处理。

这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。

概述

渗碳（carburizing/carburization）是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。

也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢（含碳量小于0.25%）。

渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。

工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。

渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。

最早是用固体渗碳介质渗碳。

液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。

美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。

30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。

60年代高温（960～1100℃）气体渗碳得到发展。

至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。

分类

按含碳介质的不同﹐渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳﹑和碳氮共渗（氰化）。

气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。

固体渗碳是将工件和固体渗碳剂（木炭加促进剂组成）一起装在密闭的渗碳箱中，将箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一定时间，使活性碳原子渗人工件表面的一种最早的渗碳方法。

液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常用的液体渗碳介质有：

碳化硅，“603”渗碳剂等。

碳氮共渗（氰化）又分为气体碳氮共渗　、液体碳氮共渗、固体碳氮共渗。

原理

渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。

①分解

渗碳介质的分解产生活性碳原子。

②吸附

活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。

③扩散

表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。

碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。

渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢（含碳量小於0.25%）。

渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。

工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。

一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。

表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为HRC30～42。

渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。

因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。

渗碳工艺流程

1、直接淬火低温回火

组织及性能特点：

不能细化钢的晶粒。

工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低

适用范围：

操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。

2、预冷直接淬火、低温回火

淬火温度800-850℃。

组织及性能特点：

可以减少工件淬火变形，渗层中残余奥

氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。

适用范围：

操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。

3、一次加热淬火，低温回火

淬火温度820-850℃或780-810℃。

组织及性能特点：

对心部强度要求较高者，采用820-850℃淬火，心部为低碳M，表面要求硬度高者，采用780-810℃淬火可以细化晶粒。

适用范围：

适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。

4、渗碳高温回火，一次加热淬火，低温回火

淬火温度840-860℃。

组织及性能特点：

高温回火使M和残余A分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后残余A减少。

适用范围：

主要用于Cr—Ni合金渗碳工件

5、二次淬火低温回火

组织及性能特点：

第一次淬火（或正火），可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织（850-870℃），第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的Ac1—Ac3之间淬火，对心部性能要求高时要在Ac3以上淬火。

适用范围：

主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。

但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。

6、二次淬火冷处理低温回火

组织及性能特点：

高于Ac1或Ac3（心部）的温度淬火，高合金表层残余A较多，经冷处理（-70℃/-80℃）促使A转变从而提高表面硬度和耐磨性。

适用范围：

主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。

7、渗碳后感应加热淬火低温回火

组织及性能特点：

可以细化渗层及靠近渗层处的组织。

淬火变形小，不允许硬化的部位不需预先防渗。

适用范围：

各种齿轮和轴类

工艺新发展

渗碳工艺是一个十分古老的工艺，在中国，最早可上溯到2000年以前。

起先是用固体渗碳介质渗碳。

在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用。

后来又出现了真空渗碳和离子渗碳。

到现在，渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值，原因就在于它的合理的设计思想，即让钢材表层接受各类负荷（磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀）最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度及耐蚀性﹐而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。

这不仅能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的

高合金钢，而且能够保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。

因此，完全符合节能、降耗，可持续发展的方向。

近年来，出现了高浓度渗碳工艺，与传统工艺在完全奥氏体区（温度在900~950℃，渗碳后表面碳质量分数为0.85%~1.05%）进行渗碳不同，它是在Ac1～Accm之间的不均匀奥氏体状态下进行，其渗层表面碳浓度可高达2%～4%。

其结果可获得细小颗粒碳化物均匀、弥散分布的渗层。

其渗碳温度降至800℃～860℃温度范围，可实现一般钢材渗碳后直接淬火；由于高浓度渗碳层含有很高数量（20%～50%）的弥散分布的碳化物，故显示出比普通渗碳更优异的耐磨性、耐蚀性，更高的接触与弯曲疲劳强度，较高的冲击韧度、较低的脆性及较好的回火稳定性。

该工艺还具有适用性广、对设备无特殊要求等优点，具有较高的经济效益和实用价值，近年来在国内外获得竞相研究与开发。

为了防止渗碳过程中奥氏体晶粒的粗化，一般都在钢材中添加适量的钛，通过形成碳氮化钛粒子钉扎晶界而阻止晶粒长大。

国家标准规定渗碳钢中钛添加量为0.04～0.08wt%。

然而，最近有研究工作表明，当钛含量超过0.032%，就会在渗碳钢冶炼铸锭凝固时析出氮化钛。

这种氮化钛尺寸达到微米数量级，起不到阻止奥氏体晶粒长大的作用，反而由于这种呈立方体的粒子的尖角效应以及与基体组织的不连续性而成为微裂纹的策源地和裂纹扩展的中继站，严重损害钢材的韧塑性。

工作还表明，将钛含量降至0.02～0.032%，仍然能够同样有效地起到控制奥氏体晶粒长大的作用，而又可避免有害氮化钛粒子的形成，因此是值得推荐的合理的选择范围。

常见缺陷及其防止

（一）碳浓度过高

⒈产生原因及危害：

如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。

随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。

由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。

并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。

⒉防止的方法

①不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。

如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。

②严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。

③固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。

催渗剂最好采用4—7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催渗剂。

（二）碳浓度过低

⒈产生的原因及危害：

温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。

最理想的碳浓度为0.9—1.0%之间，低于0.8%C，零件容易磨损。

⒉防止的方法：

①渗碳温度一般采用920—940℃，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。

②催渗剂（BaCO3）的用量不应低于4%。

（三）渗碳后表面局部贫碳：

⒈产生的原因及危害：

固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。

工件表面的污物也可以引起贫碳。

⒉防止的方法

①固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。

②装炉的工件注意不要有接触。

固体渗碳时要将

渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。

③却除表面的污物。

（四）渗碳浓度加剧过渡

⒈产生的原因及危害：

渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。

产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈（如新配制的木炭，旧渗碳剂加得很少），同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。

产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。

⒉防止的方法：

渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。

用BaCO3作催渗剂较好，因为Na2CO3比较急剧。

（五）磨加工时产生回火及裂纹

⒈产生的原因：

渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。

这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都易产生此类缺陷。

这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。

磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。

表面产生六角形裂纹。

这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削，而发热所致。

也与热处理回火不足，残余内应力过大有关。

用酸浸蚀后，凡是有缺陷部位呈黑色，可与没有缺陷处区别开来。

这是磨削时产生热量回火。

使马使体转变为屈氏体组织的缘故。

其实，裂纹在磨削后肉眼即可看见。

⒉防止的方法：

①淬火后必须经过充分回火或多次回火，消除内应力。

②采用40~60粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不过大。

③磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却

渗碳钢的化学成分特点

（1）渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25%范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30%碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。

但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等.

（2）合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织.在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等.低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等.中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等.

固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w（碳）为0.8--1.2%,层深为0.5--2.0mm.

渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料.渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现.渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火.淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织.低温回火温度为150--200C.

渗碳零件注意事项

（1）渗碳前的预处理正火--目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织,使表面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态.正火工艺;用860--980C空冷、179--217HBS.

（2）渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC.

（3）对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件,薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工.

（4）不得用镀锌的方法防渗碳.

氮化处理

经氮化处理后的工件

氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。

常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。

氮化处理又称为扩散渗氮。

气体渗氮在1923年左右，由德国人Fry首度研究发展并加以工业化。

由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。

例如钻头、螺丝攻、挤压模、压铸模、鍜压机用鍜造模、螺杆、连杆、曲轴、吸气及排气活门及齿轮凸轮等均有使用。

二、氮化用钢简介

传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。

这些元素在渗氮温度中，与初生态的氮原子接触时，就生成安定的氮化物。

尤其是钼元素，不仅作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。

其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。

一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。

其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳。

在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。

但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。

一般常用的渗氮钢有六种如下：

（1）含铝元素的低合金钢（标准渗氮钢）

（2）含铬元素的中碳低合金钢SAE4100，4300，5100，6100，8600，8700，9800系。

（3）热作模具钢（含约5%之铬）SAEH11（SKD–61）H12，H13

（4）肥粒铁及麻田散铁系不锈钢SAE400系

（5）奥氏体系不锈钢SAE300系

（6）析出硬化型不锈钢17-4PH，17–7PH，A–286等

含铝的标准渗氮钢，在氮化后虽可得到很高的硬度及高耐磨的表层，但其硬化层亦很脆。

相反的，含铬的低合金钢硬度较低，但硬化层即比较有韧性，其表面亦有相当的耐磨性及耐束心性。

因此选用材料时，宜注意材料之特征，充分利用其优点，俾符合零件之功能。

至于工具钢如H11（SKD61）D2（SKD–11），即有高表面硬度及高心部强度。

三、氮化处理技术流程：

1、渗氮前的零件表面清洗

大部分零件，可以使用气体去油法去油后立刻渗氮。

部分零件也需要用汽油清洗比较好，但在渗氮前之最后加工方法若采用抛光、研磨、磨光等，即可能产生阻碍渗氮的表面层，致使渗氮后，氮化层不均匀或发生弯曲等缺陷。

此时宜采用下列二种方法之一去除表面层。

第一种方法在渗氮前首先以气体去油。

然后使用氧化铝粉将表面作abrasivecleaning。

第二种方法即将表面加以磷酸皮膜处理（phosphatecoating）。

2、渗氮炉的排除空气

将被处理零件置于渗氮炉中，并将炉盖密封后即可加热，但加热至150℃以前须作炉内排除空气工作。

排除炉内的主要功用是防止氨气分解时与空气接触而发生爆炸性气体，及防止被处理物及支架的表面氧化。

其所使用的气体即有氨气及氮气二种。

排除炉内空气的要领如下：

①被处理零件装妥后将炉盖封好，开始通无水氨气，其流量尽量可能多。

②将加热炉之自动温度控制设定在150℃并开始加热（注意炉温不能高于150℃）。

③炉中之空气排除至10%以下，或排出之气体含90%以上之NH3时，再将炉温升高至渗氮温度。

3、氨的分解率

渗氮是铺及其他合金元素与初生态的氮接触而进行，但初生态氮的产生，即因氨气与加热中的钢料接触时钢料本身成为触媒而促进氨之分解。

虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般皆采用15～30%的分解率，并按渗氮所需厚度至少保持4～10小时，处理温度即保持在520℃左右。

4、冷却

大部份的工业用渗氮炉皆具有热交换机，以期在渗氮工作完成后加以急速冷却加热炉及被处理零件。

即渗氮完成后，将加热电源关闭，使炉温降低约50℃，然后将氨的流量增加一倍后开始启开热交换机。

此时须注意观察接在排气管上玻璃瓶中，是否有气泡溢出，以确认炉内之正压。

等候导入炉中的氨气安定后，即可减少氨的流量至保持炉中正压为止。

当炉温下降至150℃以下时，即使用前面所述之排除炉内气体法，导入空气或氮气后方可启开炉盖。

四、气体氮化技术：

气体氮化系于1923年由德国AFry所发表，将工件置于炉内，利NH3气直接输进500～550℃的氮化炉内，保持20～100小时，使NH3气分解为原子状态的（N）气与（H）气而进行渗氮处理，在使钢的表面产生耐磨、耐腐蚀之化合物层为主要目的，其厚度约为0.02～0.02m/m，其性质极硬Hv1000～1200，又极脆，NH3之分解率视流量的大小与温度的高低而有所改变，流量愈大则分解度愈低，流量愈小则分解率愈高，温度愈高分解率愈高，温度愈低分解率亦愈低，NH3气在570℃时经热分解如下：

NH3→〔N〕Fe+3/2H2

经分解出来的N，随而扩散进入钢的表面形成。

相的Fe2-3N气体渗氮，一般缺点为硬化层薄而氮化处理时间长。

气体氮化因分解NH3进行渗氮效率低，故一般均固定选用适用于氮化之钢种，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否则氮化几无法进行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以强韧化处理又称调质因Al，Cr，Mo等皆为提高变态点温度之元素，故淬火温度高，回火温度亦较普通之构造用合金钢高，此乃在氮化温度长时间加热之间，发生回火脆性，故预先施以调质强韧化处理。

NH3气体氮化，因为时间长表面粗糙，硬而较脆不易研磨，而且时间长不经济，用于塑胶射出形机的送料管及螺旋杆的氮化。

五、液体氮化技术：

液体软氮化主要不同是在氮化层里之有Fe3Nε相，Fe4Nr相存在而不含Fe2Nξ相氮化物，ξ相化合物硬脆在氮化处理上是不良于韧性的氮化物，液体软氮化的方法是将被处理工件，先除锈，脱脂，预热后再置于氮化坩埚内，坩埚内是以TF–1为主盐剂，被加温到560～600℃处理数分至数小时，依工件所受外力负荷大小，而决定氮化层深度，在处理中，必须在坩埚底部通入一支空气管以一定量之空气氮化盐剂分解为CN或CNO，渗透扩散至工作表面，使工件表面最外层化合物8～9%wt的N及少量的C及扩散层，氮原子扩散入α–Fe基地中使钢件更具耐疲劳性，氮化期间由于CNO之分解消耗，所以不断要在6～8小时处理中化验盐剂成份，以便调整空气量或加入新的盐剂。

液体软氮化处理用的材料为铁金属，氮化后的表面硬度以含有Al，Cr，Mo，Ti元素者硬度较高，而其含金量愈多而氮化深度愈浅，如炭素钢Hv350～650，不锈钢Hv1000～1200，氮化钢Hv800～1100。

液体软氮化适用于耐磨及耐疲劳等汽车零件，缝衣机、照相机等如气缸套处理，气门阀处理、活塞筒处理及不易变形的模具处。

采用液体软氮化的国家，西欧各国、美国、苏俄、日本。

六、离子氮化技术：

此一方法为将一工件放置于氮化炉内，预先将炉内抽成真空达10-2～10-3Torr（㎜Hg）后导入N2气体或N2+H2之混合气体，调整炉内达1～10Torr，将炉体接上阳极，工件接上阴极，两极间通以数百伏之直流电压，此时炉内之N2气体则发生光辉放电成正离子，向工作表面移动，在瞬间阴极电压急剧下降，使正离子以高速冲向阴极表面，将动能转变为气能，使得工件表面温度得以上升，因氮离子的冲击后将工件表面打出Fe.C.O.等元素飞溅出来与氮离子结合成FeN，由此氮化铁逐渐被吸附在工件上而产生氮化作用，离子氮化在基本上是采用氮气，但若添加碳化氢系气体则可作离子软氮化处理，但一般统称离子氮化处理，工件表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体（N2+H2）的分压比调节得之，纯离子氮化时，在工作表面得单相的r′（Fe4N）组织含N量在5.7～6.1%wt，厚层在10μn以内，此化合物层强韧而非多孔质层，不易脱落，由于氮化铁不断的被工件吸附并扩散至内部，由表面至内部的组织即为FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N顺序变化，单相ε（Fe3N）含N量在5.7～11.0%wt，单相ξ（Fe2N）含N量在11.0～11.35%wt，离子氮化首先生成r相再添加碳化氢气系时使其变成ε相之化合物层与扩散层，由于扩散层的增加对疲劳强度的增加有很多助。

而蚀性以ε相最佳。

离子氮化处理的度可从350℃开始，由于考虑到材质及其相关机械性质的选用处理时间可由数分钟以致于长时间的处理，本法与过去利用热分解方化学反应而氮化的处理法不同，本法系利用高离子能之故，过去认为难处理的不锈钢、钛、钴等材料也能简单的施以优秀的表面硬化处理。