08第六章第三节 金属表面化学热处理
第六章 热处理简答题
第六章钢的热处理1、什么是钢的热处理？钢的热处理的特点和目的是什么？答：钢的热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却,以获得所需的组织结构和性能的工艺。
钢的热处理的特点是在固态下，通过加热、保温和冷却，来改变零件或毛坯的内部组织,而不改变其形状和尺寸的热加工工艺.钢的热处理的目的是改善零件或毛坯的使用性能及工艺性能.2、从相图上看，怎样的合金才能通过热处理强化?答：通过热处理能强化的材料必须是加热和冷却过程中组织结构能够发生变化的材料，通常是指:（1)有固态相变的材料;(2）经受冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态的材料；(3）表面能被活性介质的原子渗入.从而改变表面化学成分的材料.3、什么是退火？其目的是什么？答：退火是将金属或合金加热到适当温度,保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
其目的可概括为“四化”,即软化(降低硬度适应切削加工和冷冲压要求）；均匀化(消除偏析使成分和组织均匀化)；稳定化（消除内应力、稳定组织保证零件的形状和尺寸）；细化（细化晶粒、提高力学性能）。
4、亚共析钢热处理时,快速加热可显著提高屈服强度和冲击韧性，为什么？答:快速加热可获得较大的过热度，使奥氏体形核率增加,得到细小的奥氏体晶粒，冷却后的组织晶粒也细小。
细晶粒组织可显著提高钢的屈服强度和韧性。
5、热轧空冷的45钢在正常加热超过临界点A c3后再冷却下来,组织为什么能细化？答:热轧空冷的45钢室温组织为F+P，碳化物弥散度较大,重新加热超过临界点A c3后,奥氏体形核率大,起始晶粒细小，冷却后的组织可获得细化。
7、确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的及退火后的组织。
（1）经冷轧后的15钢钢板,要求降低硬度；(2）ZG35的铸造齿轮；（3)改善T12钢的切削加工性能; (4）锻造过热的60钢坯.答:（1)再结晶退火,消除加工硬化及内应力，退火组织为P+F.（2)去应力退火，消除铸造内应力，组织为P+F。
]金属学与热处理-第六章-热处理原理
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—下临界冷却速度
冷却速度对转变产物类型的影响：
可用VC、VC′判断。
当 V > VC 时， A过冷→M ；
当V<VC′时，
A过冷→P ；
当 VC′< V <VC 时， A过冷→P +M
**
实际中由于CCT曲线测量难，可 用TTT曲线代替CCT曲线作定性分析， 判断获得M的难易程度。
**
连续冷却的VC值是等温冷却C曲 线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故可用 等温冷却C曲线中VC代替或估算.
2 奥氏体组织： 愈细，成分及组织愈不均匀， 未溶第二相愈多——左移。 T↑、t↑，晶粒粗大，成分、组 织均匀，A 稳定性↑ ——右移。
其它： 应力和塑性变形 1） 拉应力 压应力 奥氏体体积变化 2） 塑性变形
三 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 ( Continous Cooling Transformation ---CCT )
第八章 钢的热处理原理
本章目的： 1 阐明钢的热处理的基本原理； 2 揭示钢在热处理过程中工艺－组织－ 性能的变化规律；
本章重点：
（1）C曲线的实质、分析和应用； （2）过冷奥氏体冷却转变及回火转变的 各种组织的本质、形态和性能特点； (3) 马氏体高强度高硬度的本质
§ 8-1 热处理概述
一 热处理的定义及作用
2 中温转变产物
——Fe不扩散，C部分扩散
α(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物
┗ 贝氏体类型( B)
化学成分的变化靠扩散实现
晶格类型的转变非扩散性
——半扩散性
3 低温转变产物 Fe、C均不扩散——非扩散型
得 C 在α-Fe 中的过饱和固溶体
┗ 马氏体
表面化学热处理技术
化学热处理渗碳：为了获得高硬度、高耐磨的表面及强韧的心部，渗碳后必须进行淬火加低温回火处理。
按渗碳介质可分为：气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳。
渗氮：①渗氮层具有高硬度、高耐磨性；②渗氮层比热容打，在钢件表面形成压应力层可显著提高耐疲劳性能，渗氮层的耐疲劳性优于渗碳层；③渗氮层表面有化学稳定性高的ε相，能显著提高耐腐蚀性。
渗氮能形成性能优越的渗氮层，但由于工艺时间太长，使得生产率太低，成本高，应尽量少采用。
渗氮一般用在强烈磨损、耐疲劳性要求非常高的零件，有的场合是除要求机械性能外还要求耐腐蚀的零件。
碳氮共渗（俗称“氰化”）：按工艺温度分：低温碳氮共渗（520-580℃），工艺温度低，共渗过程是以氮原子为主、碳原子为辅的渗入过程，俗称“软氮化”；中温碳氮共渗（780-880℃）；高温碳氮共渗（880-930℃）。
优点：①与渗碳相比处理温度低，渗后可直接淬火，工艺简单，晶粒不易长大，变形裂倾向小，能源消耗少，共渗层的疲劳性和抗回火稳定性好；②与渗氮相比，生产周期大大缩短，对材料适用广。
氮碳共渗：氮碳共渗起源于西德，是在液体渗氮基础上发展起来的。
早期氮碳共渗是在含氰化物的盐浴中进行的。
由于处理温度低，一般在500-600℃，过程以渗氮为主，渗碳为辅，所以又称为“软氮化”。
氮碳共渗工艺的优点如下：①氮碳共渗有优良的性能：渗层硬度高，碳钢氮碳共渗处理后渗层硬度可达HV570-680；渗氮钢、高速钢、模具钢共渗后硬度可达HV850-1200；脆性低，有优良的耐磨性、耐疲劳性、抗咬合性和耐腐蚀性。
②工艺温度低，且不淬火，工件变形小。
③处理时间短，经济性好。
④设备简单，工艺易掌握。
存在问题是：渗层浅，承受重载荷零件不宜采用。
渗硼：渗硼是一种有效地表面硬化工艺。
将工件置于能产生活性硼的介质中，经过加热、保温，使硼原子渗入工件表面形成硼化物层的过程称为渗硼。
金属零件渗硼后，表面形成的硼化物（FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2、VB2、CrB2）及碳化硼等化合物的硬度极高，热稳定性。
金属表面热处理
浓硫酸 30
重铬酸钠 7.5 水 62.5
在室温下浸渍 1min ，水洗，干燥。
二、镁及镁合金表面处理方法 [方法 1] 脱脂处理。常用溶剂为：三氯乙烯、丙酮、醋酸乙酯和丁酮等。
[方法 2]
脱脂后在下述溶液中于 70-75°C 下浸渍 5min ：
氢氧化钠 12
水 100
用冷水冲洗，再于下述溶液中在 20°C 浸渍 5min ：
常用的表面处理方法主要有脱脂处理法、机械处理法和化学处理法三大类。选择表面处 理法应考虑多种因素，其中主要包括：
（1）表面污染物的种类。如动物油、植物油、矿物油、润滑油、脏土、流体、无机盐、 水份、指纹等。
（2）污染物的物理特性。如污染物的厚度、紧密或疏松程度等。、 （3）胶接材料的种类。如钢材料可用碱溶液，而处理黄铜、铝材料时应考虑选用腐蚀 性较小的温和溶液。 （4）需要清洁的程度。 （5）清洗液的清洁能力和设备情况。 （6）危险性和价格成本等。 金属表面处理方法 金属表面在各种热处理、机械加工、运输及保管过程中，不可避免地会被氧化，产生 一层厚薄不均的氧化层。同时，也容易受到各种油类污染和吸附一些其他的杂质。 油污及某些吸附物，较薄的氧化层可先后用溶剂清洗、化学处理和机械处理，或直接用化学 处理。对于严重氧化的金属表面，氧化层较厚，就不能直接用溶剂清洗和化学处理，而最好 先进行机械处理。 通常经过处理后的金属表面具有高度活性，更容易再度受到灰尘、湿气等的污染。为此，处 理后的金属表面应尽可能快地进行胶接。 塑料表面处理方法 塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。在通常情况下，热固性塑料要比热塑性 塑料容易胶接。但它们的表面能量均低于玻璃、陶瓷、金属等亲水性材料，而且它们表面常 会粘附脱模剂或逸出增塑剂，因此不易为胶粘剂所浸润，从而影响胶接强度。因此，一般均 需对塑料进行表面处理。由于塑料的品种众多，各种性能差别很大，因此表面处理的方法也 就很不相同。以下介绍几种常见的塑料表面处理方法。 橡胶表面处理方法 一般的橡胶材料表面都比较光滑，需要经机械处理或化学处理增加其粗糙度，才能达
简述金属材料表面主要的处理方法
简述金属材料表面主要的处理方法金属材料表面的处理方法主要有物理处理和化学处理两种，具体如下：一、物理处理方法1.机械加工机械加工是一种常用的金属表面处理方法，它可以去除金属表面的毛刺、氧化物、氧化层等杂质，使表面变得光滑并达到可加工的状态。
机械加工的方法包括抛光、喷砂、磨削、焊接等。
2.电化学加工电化学加工是利用电能来加工金属表面的方法，根据需求可以进行降解、沉积、氧化、还原等操作，达到改变金属表面性质的目的。
电化学加工的方法包括电解抛光、电解抛锈、电镀、阳极氧化等。
3.热处理热处理是将金属材料置于高温环境下，使其晶体结构发生变化，从而改变材料的性质和结构。
常用的热处理方法有淬火、退火、正火等。
1.酸洗酸洗是通过酸性溶液进行化学反应，去除金属表面的氧化铁、锈层等脏污，并让金属表面变得更加光滑。
酸洗可以使用稀盐酸、盐酸、硫酸等。
2.碱洗碱洗利用碱性溶液反应的原理，去除金属表面的油污、脂肪、氧化铁等物质，使其表面变得干净、平整。
常见的碱洗液有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等。
3.电解抛光电解抛光是将金属材料置于电解液中，通过电化学反应，去除表面毛刺和氧化物，使表面平整而亮。
电解抛光的电解液有硝酸、磷酸等。
4.阳极氧化阳极氧化是将金属材料置于电解液中，通过电接触，形成一层硬质的氧化层，从而保护金属表面。
阳极氧化的电解液有硫酸、氧化铝溶液等。
综上所述，金属材料表面的处理方法主要包括机械加工、电化学加工、热处理、酸洗、碱洗、电解抛光和阳极氧化等方面。
这些处理方法既能够使金属表面变得漂亮、光滑，也能够改变其各项物理和化学性质，提高金属的质量和使用寿命。
第六章 电镀、化学镀及化学热处理
缺点：
劳动强度大，消耗镀液较多，消耗阳极包缠材料。
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电刷镀应用
修复 表面强化 表面改性处理 与其他技术复合
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一、基本原理
图 电刷镀工作原理示意图
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二、电刷镀设备
设备特点
多为便携式或可移动式，体积小、重量轻，便于拿到现 场使用或进行野外抢修。 既不需要镀槽，也不需要挂具，设备数量大大减少。 占用场地也小，设备对场地设施的要求大大降低。 一套设备可以完成多种镀层的刷镀。 镀笔（阳极）材料主要采用高纯细石墨，是不溶性阳极。 石墨的形状可根据需要制成各种样式，以适应被镀工件 表面形状。 刷镀某些镀液时，也可以采用金属材料作阳极。 设备的用电量、用水量比槽镀少得多，可以节约能源、 资源。
搅拌的影响
搅拌可降低阴极极化，使晶粒变粗，但可提高电 流密度，从而提高生产率。此外，搅拌还可增强整平剂的 效果。
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二、镀前预处理和镀后处理
电镀工艺过程一般包括电镀前预处理、电 镀及镀后处理三个阶段。
镀前处理
第一步 使表面粗糙度达到一定要求，磨光、抛光； 第二步 去油脱脂，溶剂溶解、化学、电化学； 第三步 除锈，机械、酸洗、电化学； 第四步 活化处理，弱酸中侵蚀。
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三、电刷镀溶液
镀液特点
电刷镀溶液大多数是金属有机络合物水溶液，络合物在水中有相 当大的溶解度，并且有很好的稳定性。 镀液中金属离子的含量通常比槽镀高几倍到几十倍。 不同镀液呈不同的颜色，透明清晰，没有浑浊或沉淀现象，便于 鉴别。 性能稳定，能在较宽的电流密度和温度范围内使用、使用过程中 不必调整金属离子浓度。 不燃、不爆、无毒性，大多数镀液接近中性，腐蚀性小 ．因而能 保证手工操作的安全，也便于运输和储存。 除金、银等个别镀液外，均不采用有毒的络合剂和添加剂。现无 氰金镀液已经研制出来。 镀液固化技术和固体制剂的研制成功，给镀液的运输、保管带来 了极大的方便。
金属学及热处理课后习题答案解析第六章
⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。
答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。
当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。
cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。
当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。
答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。
1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。
在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。
2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。
3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。
金属材料表面处理工艺有哪些
金属表面处理工艺是利用现代物理、化学、金属学和热处理等学科的技术来改变零件表面的状况和性质，使之与心部材料作优化组合，以达到预定性能要求的工艺方法。
具体有以下几种处理工艺：
一、QPQ工艺处理
它是一种先进的表面处理工艺。
具有良好的耐磨性、良好的耐腐蚀性、良好的耐疲劳性、极小的变形、低碳环保、可替代多道工序，降低时间成本。
二、表面淬火
是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。
三、化学表面热处理
表面合金化技术的典型工艺就是化学表面热处理。
是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。
四、喷丸
是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，犹如无数个小锤锤击金属表面，使零件表层和次表层发生一定的塑性变形而实现强化的一种技术。
焦作汇鑫恒机械制造有限公司成立于2011年，公司采用新的工艺和新的环保设备，对现有的金属表面梳理材料进行研发、改进，是表面加硬处理的专业性技术公司，主要采用QPQ处理工艺。
金属热处理及表面处理
（2）钢的磷化处理Phosphating
钢铁零件在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中，进 行化学处理，使其表面生成一层难溶于水的磷酸 盐保护膜的方法，叫做磷化处理。
（3）静电喷漆 electrostatic spray paining
此法是使已雾化的油漆微粒在直 流高压电场中带电，而在静电场 的作用下，带电油漆微粒迅速地 向异极性的工件表面结集成膜。
（1）钢的氧化处理Black oxide
钢在加热的硝酸钠、氢氧化钠水溶液中氧化处理。 钢氧化处理后零件表面上能生成保护性磁性氧化
保温 临界温度
淬火
回火 时间
图3-14 热处理工艺曲线示意图
1、常用热处理工艺
常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理 两大类:
a.普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。 b.表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮
共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处 理。
1）退火
退火是将钢件加热，保温后以极缓慢的 速度冷却的一种热处理工艺。
金属涂层是与被保护金属不同的材 料，其作用是把介质与金属隔开， 达到防腐的目的。形成金属涂层的 工艺主要有电镀、化学镀、喷镀、 热镀等。其中电镀是目前我国应用 最广的一种价廉而有效的防护方法。
（2）电泳涂装
电泳涂装是一种水溶性漆液施工方法。其 原理是在外加电场的影响下，漆液中的带 电胶体粒子在水溶性分散介质中作定向移 动，沉积到作为阳极工件的表面上，形成 涂层。水溶性漆用树脂，有环氧酯、丙烯 酸、聚氨酯、酚醛和醇酸等水溶性漆品种。
第六章 表面改性技术解读
（二）中、高频感应加热表面热处理
是一种用途极广的热处理加热方法，可用于退火、
正火、淬火、各种温度范围的回火以及各种化学热
处理。
加热方式有同时加热和连续加热。 用同时加热方式淬火时，零件需要淬火的区域整个 被感应器包围，冷却淬火时可直接从感应器的喷水 孔中喷水冷却，也可将工件移出感应器迅速浸入淬 火槽中冷却。
高碳钢的表面硬度和耐磨性。
1、气体渗钛
（1）气相渗钛
工业纯铁在TiCl4蒸气和纯氩气中发生置换反应，产 生活性钛原子，高温下向工件表面吸附与扩散：
却速度。
（四）双频感应加热淬火和超音频感应加热淬火
1、双频感应加热淬火
对于凹凸不平的工件如齿轮等，当间距较小时，无
论用什么形状的感应器，都不能保持工件与感应器 的施感导体之间的间隙一致，因而难获得均匀的硬 化层。 双频感应加热淬火就是采用两种频率交替加热，较 高频率加热时，凸出部温度较高；较低频率加热时， 则低凹处温度较高。
优点。
（一）渗金属方法 1、气相渗金属法
（ 1 ）在适当温度下，从可挥发的金属化合物中析出
活性原子，并沉积在金属表面上与碳形成化合物。
一般使用金属卤化物作为活性原子的来源。
工艺过程：将工件置于含有渗入金属卤化物的容器 中，通入 H 2 或 Cl 2 进行置换还原反应，使之析出活 性原子，然后进行渗金属操作。
2、超音频感应加热淬火
频率大于20KHz的波称为超音频波。
对于低淬透性钢，高、中频淬火都难以获得凹
凸零部件均匀分布的硬化层。 采用的20KHz~50KHz频率可实现中小模数齿轮 表面的均匀硬化层。
（五）表面淬火用材料
金属热处理详解.pptx
材料成形基础－HT
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§3 淬火和正火
一、 淬火 淬火是将钢件加热到 或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的速度冷却 获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。 目的：提高钢件的硬度和耐磨性，淬火＋不同回火，获得各种需要的性能，是强化 钢的主要方法。
材料成形基础－HT
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淬火介质：淬火冷却时所用的介质。 钢的种类不同，淬火介质不同，常用介质：水、油。 水便宜，冷却能力较强，碳素钢件用的多。 油冷却能力较水低、成本高，但是，可以防止工件产生裂纹等缺陷，主要用于合金 钢淬火的场合。
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二 、回火
回 火 是 钢 件 淬 硬 后 ， 再 加 热 至 Ac1以 下 的 某 一 温 度 ， 保 温 一 定 时 间 ， 然 后 冷 却 到 室 温的热处理工艺。
材料成形基础－HT
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二、正火
正火是将钢材或钢件加热到或Accm以上30～50℃，保温适当的时间后，在静止空气 中冷却的热处理工艺。
把钢件加热到以上100～150℃的正火则称为高温正火。 与退火类似，冷却速度比退火快。钢件正火后的强度和硬度比退火稍高，但消除残 余应力不彻底。又操作简便、生产率高，所以，正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。
刃具、量具、 冷冲模等
58～65
弹簧、钢丝绳 等
35～50
连杆、齿轮及 轴类
20～30
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§4 表面热处理和化学热处理
一、表面淬火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。 目的：为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，提高工件的硬度和耐磨性。 表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触加热、激光加热等。
金属表面化学热处理
第三节金属表面化学热处理1、什么叫金属表面化学热处理？表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。
金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。
2、工艺过程首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。
3、化学热处理的基本过程化学热处理包括三个基本过程，即①化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；②活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程；③被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。
4、金属表面化学热处理的特点？和表面淬火不同，化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。
5、金属表面化学热处理的目的？一、提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。
如渗氮、渗硼等. 渗氮硬度可达950HV~~1200HV,渗硼硬度可达1400HV~~2000HV.常用的硬度单位有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等.什么叫渗氮？渗氮，就是把工件置于含有氮原子的介质中加热到一定温度，保温一段时间后，在工件表面形成一层坚硬的渗氮层。
说白了就是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层。
二、提高材料疲劳强度。
如渗氮、渗硼、渗铬。
三、使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数。
如渗硫等。
四、提高金属表面的耐蚀性。
如渗氮、渗铝等。
5、金属表面化学热处理的性能？化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度；心部在具有塑性和韧性的同时，还可获得较高的强度。
6、化学热处理的种类i.固体法。
（粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层扩散法）ii.液体法（包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等）iii.气体法（固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法）iv.等离子法。
金属热处理及表面处理
400MPa (100HB)
0
ak
0.4
0.8
C%
y
d 1.2
20% 8J/cm2
4、常用热处理工艺
常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理 两大类:
a.普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。 b.表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮
共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处 理。
1）退火
退火是将钢件加热，保温后以极缓慢的 速度冷却的一种热处理工艺。
3.2 金属的表面处理
3.2.1表面防护
为防止金属腐蚀而采用各种方法叫金属表 面防护。常用的金属表面防护方法有表面 涂层和表面转化膜工艺。
3.2.2 金属的表面改性 金属的表面改性也称表面优化，就是借助 于离子束、激光、等离子体等新技术手段， 改变材料表面及近表面的组分、结构与性 质，
（1）电镀Electroplate
1. 物理气相沉积（PVD)
（1）蒸发镀膜 （2）溅射 （3）离子镀
2. 化学气相沉积（CVD)
（1）蒸发镀膜
蒸发镀膜通常是在真空 中进行，例如图3-21所 示的真空蒸镀。将零件 和涂层材料同时放在钟 罩形的真空室内，涂层 材料受热蒸发，蒸发出 的分子或原子在自由行 程内与受镀零件表面相 遇，不断凝结成膜。
（1）钢的氧化处理Black oxide
钢在加热的硝酸钠、氢氧化钠水溶液中氧化处理。 钢氧化处理后零件表面上能生成保护性磁性氧化
铁（Fe3O4）和氧化亚铁 膜。膜的颜色一般呈黑 色和蓝黑色。又称发兰或发黑。膜层的厚度约为 0.6～1.5 微米，因此氧化处理不影响零件的精 度。发兰后的零件再进行浸油和其他填充处理， 能进一步提高膜层的耐蚀性和润滑能力。
金属表面氮化处理工艺
金属表面氮化处理工艺
金属表面氮化处理是一种化学热处理工艺，它通过在金属表面渗入氮原子，形成一层氮化物膜，以提高金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等性能。
以下是金属表面氮化处理的一般工艺流程：
1. 清洗：对金属表面进行清洗，去除表面的油污、锈蚀等杂质。
2. 预热：将金属放入炉中进行预热，以去除表面水分和油污，并提高氮化层的结合力。
3. 氮化：将氮气通入炉中，使其与金属表面接触，发生氮化反应，形成氮化物膜。
4. 冷却：氮化处理后，将金属从炉中取出，进行自然冷却或淬火冷却。
5. 后处理：对氮化处理后的金属表面进行清洗、抛光等后处理，以获得更好的表面质量。
需要注意的是，不同的金属材料和氮化工艺参数会对氮化层的性能产生影响，因此在实际应用中需要根据具体情况进行选择和调整。
金属热处理课件.
钢的分类
按化学成分分类 可分为碳素钢和合金钢 碳素钢按含碳量多少可分为 低碳钢、中碳钢和高碳钢 合金钢按合金元素的含量又可分为 低合金钢 、中合金钢和高合金钢 合金钢按合金元素的种类可分为 锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等
按冶金质量分类 按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分 为： 普通钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%） 优质钢（S%、P%≤0.040%） 高级优质钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%） 按冶炼时脱氧程度，可将钢分为： 沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较 完全）和半镇静钢三类。
碳钢分类
按钢中含碳量多少分： 低碳钢 Wc < 0.25% 中碳钢 Wc = 0.25%—0.6% 高碳钢 Wc > 0.6%
低碳钢
特点： 塑性好、韧性好、硬度强度低（软刚）、耐 磨性差。 热处理： 通常情况下将其进行渗碳，然后淬火，再低 温回火后使用。
中碳钢
特点： 热加工及切削性能良好，强度硬度比低碳钢 高，韧性塑性低于低碳钢，焊接性能较差。 热处理： 通常采用完全（加热到单相奥氏体区得到单 相均匀奥氏体）淬火加中温或高温回火的热 处理工艺。
2. 正火
正火是将金属制件加热到高于或低于这种金属 的临界温度，经保温一定时间，随后在空气中冷 却，以获得更细组织的一种热处理工艺。 正火的作用与退火相似，与退火不同之处是：
a. 正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获 得的组织更细。 b. 正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而 塑性、韧性则稍低。 c. 不占用设备；生产率高。
调质
淬火+回火
获得一定的强度和韧性
表面热处理和化学热处理
一、表面淬火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。 目的：为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布， 提高工件的硬度和耐磨性。 表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接 触加热、激光加热等。 二、化学热处理 化学热处理是将金属和合金工件置于一定温度的活性介质 中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学 成分、组织和性能的热处理工艺。 常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属元素等。
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②熔烧法
熔烧法是把渗镀金属或合金粉末加粘结 剂后制成料浆，再将料浆均匀涂敷于工 件表面上，干燥后在惰性气体或真空环 境中以稍高于料浆熔点的温度加热烧 结．通过液固界面扩散而形成合金层。 与热浸法相比，该法能获得成分和厚度 都很均匀的渗层，同时具有热传递性好、 渗速快等特点。
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③盐浴法
盐浴法是目前世界上采用的较新的热 渗镀技术，其基本原理是在金属盐熔融 液体中加入 V ， Nb ， Cr ， Ti ， Ta 等铁合 金粉末，然后把含有较高C，N的钢件浸 入（可预先进行渗碳、氮化或碳、氮共 渗 ） ， 在 800—1250℃ 温 度 下 ， 经 过 0.5—10h 的时间后，可在表面上形成一 极硬的金属的碳氮化合物薄层，从而赋 予工件表面高的耐磨性。
以NH4Cl为例，加热时发生下 列反应：
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粉末包渗法的优点: 设备简单，操作容易，适用于形 状复杂的工件的渗镀； 缺点: 效率低，尺寸受限制，温度高， 时间长，基体金属的强度有一定降 低。
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②流化床法
与粉末包渗法相似，不同之处是将工 件放于带有固体渗剂的流化床内，然后 加热，同时通入卤气和运载气体（H2 ， Ar ），使之与流体粒子反应产生欲渗金 属的活性原子渗入工件。 特点：传热性好，渗速快，渗层质量高 并有利于机械化和自动化； 缺点：流化床设备装置成本极高，运转 费用大，因此这种方法尚未推广使用。
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处理方法
如需镀覆NbC、CrxCy,则在盐浴中加入 Fe－Nb， Nb2O5，Fe-Cr，Cr2O3合金粉末或金属氧化物粉 末。 若采用金属氧化物，还需在盐浴中添加Al，Ca， Ti， Fe-Ti， Fe-Al等物质，以保持盐浴的活性， 使金属原子得以在盐浴中被还原出来。碳的来 源完全依靠钢中自身的碳向外扩散。
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在这四个步骤中，最值得注意的是进行最 慢的步骤，或者说是控制步骤。
一般说来 步骤①速度快，不会对整个过程产生阻碍作用。 步骤②虽然是一个扩散过程，但此扩散是在气 态或液态下进行，扩散速率要远远大于元素在 固态内的扩散，因而也不可能成为控制步骤。 实践证明后两个步骤都有可能成为过程中的控 制步骤。 实践中可根据渗层深度和时间的关系来判定 究竟是步骤③还是④是控制步骤。
镀层性能
X射线分析发现，TD法所得镀层几乎全由纯碳 化物组成，碳化物层的成分不受基体金属的影 响，不存在Fe，O，P，S等成分。 典型的 VC 镀层无微孔，在显微镜下呈白亮色， 基体金属与碳化物层之间有清晰的界面。 不过，如在1050℃处理，则碳化物形成元素将 扩散到基体金属中，这对改善镀层与基体之间 的粘结强度十分有利。
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处理方法
将 70 ％～ 90 ％的硼砂放入耐热钢坩埚中 熔融后，向坩埚中加入可形成欲镀覆的 碳化物的物质。 例如欲镀 VC时，加入Fe－V的合金粉末 或 V2O5粉末，将含碳的钢件浸入此盐浴 中，在 800 ～ 1200℃保温 1 ～ 10h ，便得 到了仅由碳化物镀覆的表面层。
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1．硬度
TD法所得镀层硬度大大高于淬火、镀铬 或氮化的硬度； VC和TiC的硬度约为HV3000，NbC约为 HV2500，VC，CrxCy，NbC在800℃以 上仍有HV800以上的高硬度。
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31Biblioteka 2．耐磨性快速磨损试验机研究了以SCM15为配对材料、 几种钢经TD处理或其它处理的磨损量，发现: 镀覆VC，NbC， TiC的耐磨性显然比氮化、渗 硼、镀铬、放电硬化等其它表面处理优越，而 与硬质合金的耐磨性相同或更好，与用CVD和 PVD法镀覆的TiC层耐磨性相同。
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2．液渗法
①热浸法 将工件直接浸入某一液态金属中，经较短 时间即形成合金镀层。 当浸渍时间极短时，所形成的镀层只是附着层 而不是扩散层，因而与基体金属结合不牢固， 因此一般在热浸后还要加热使镀层进行扩散， 以形成合金层。 优点：设备简单，操作容易，因而被广泛采用。 这种方法多用于钢铁制品的镀锌、镀铝、镀锡 等。
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（三）化学热处理渗层的基本组织类型
（ 1 ）形成单相固溶体。如渗碳层中的 α 铁素体相等。
（2）形成化合物。如渗氮层中的ε相 （F2-3N），渗硼层中Fe2B等。 （3）化学热处理后，一般可同时存在固 溶体、化合物的多相渗层。
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（四）化学热处理种类
根据渗入元素的介质所处状态不同，化学热处 理可分以下几类： （ 1 ）固体法：包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电 热旋流法、覆盖层（电镀层、喷镀层等）扩散法等。 （ 2 ）液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液 电解法等。 （ 3 ）气体法：包括固体气体法、间接气体法、流 动粒子炉法等。 （4）等离子法：
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TD法的优点
①设备简单，价格便宜； ②操作简便； ③工件冷却方法任意选择； ④镀层成分、性能不受处理温度的影响； ⑤易于作局部镀覆； ③可作重复处理，便于返修。
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渗碳过程
以水煤气的渗碳过程为例，其四个过程 可示意性地表示于图中
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渗层的形成条件
渗层是基体金属和渗入元素原子混合或化合组成 的薄合金层，所以，渗镀的条件是： 1）渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金 属间化合物； 2）渗入元素与基体金属必须保持紧密的接触， 或者说渗入元素可以在界面被吸附； 3）必须保持一定的温度，即使原子获得足够的 扩散动力； 4）生成活性原子的化学反应必须满足一定的热 力学条件。
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4．离子轰击渗镀法
离子轰击渗镀法是利用物质的第四态 —— 等离子体进行渗镀。 等离子体是利用低真空下气体辉光放电 获得的，因为离子活性比原子高，加上 电场的作用，因此渗速较高，质量较好。 但是该法除离子氮化已经成熟，包括渗 碳在内的离子渗金属尚在开发之中。
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第三节 金属表面化学热处理
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一、概述
（一）金属表面化学热处理过程 金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金 元素渗入金属表层的一种热处理工艺。 其基本工艺过程是： 首先将工件臵于含有渗入元素的活性介质中加热到 一定温度， 使活性介质通过分解，并释放出欲渗入元素的活性 原子， 活性原子被表面吸附并溶入表面、 溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度 的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。
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影响镀层厚度的因素
影响镀层厚度的主要因素是盐浴温度、 处理时间和钢中的含碳量。 镀层成长的速率主要取决于碳原子的 扩散速率。
按A的不同，若要在钢的表面形成5～10μm厚的碳化物，约 需30分钟到数小时。显然钢中的含碳量越高，温度越高，镀层 增厚越快。
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（二）金属表面化学热处理的目的
（1）提高金属表面的强度、硬度和耐磨 性。
如渗氮可使金属表面硬度达到950HV～ 1200HV； 渗硼可使金属表面硬度达到1400HV～ 2000HV等，因而工件表面具有极高的耐 磨性。
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（2）提高材料疲劳强度。 如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相 变使体积发生变化，导致表层产生很大的残 余压应力，从而提高疲劳强度。 （ 3 ）使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬 合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。 （ 4 ）提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗 铝等。
5．复合渗
复合渗实际上是固渗的发展，即采用各种镀 层手段先在工件表面制造一固相涂层，然后 把工件连同涂层一起加热。 加热的方法很多，诸如普通加热炉加热、高 频感应加热、通电加热、辉光放电加热，以 及电子束、离子束加热等。 ①电泳渗 、②料浆渗（或称膏剂渗） 、③ 喷镀渗 、④电镀渗 、⑤化学镀渗 、⑥真空 渗镀
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热渗镀→化学热处理
用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基 体金属的表面，可得到一扩散合金层，但有 时表面上还会残留一薄的覆层。因此被称为 热渗镀。
突出特点：表面强化层的形成主要依靠加热扩散的 作用，因而不存在结合力不足的问题。 热渗镀材料的选择范围很宽，渗入不同元素可得到 不同组织和性能的表面，这些性能包括耐腐蚀性、 耐磨性、耐高温氧化性等。
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按复合手段划分有 电泳渗、 料浆渗（或膏剂渗）、 喷涂渗、 电镀渗、 化学镀渗等。
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热渗镀---化学热处理
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1．固渗法
①粉末包渗法
在粉末中加入了防粘结粉末（如 Al2O3 ） 和活化剂（助渗剂）。活化剂一般为卤化 物，如 NH4CI ， NH4Br ， NH4I 等。包渗 示意图见图4-2。
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6．韧脆性
软氮化或渗碳处理会使材料的韧性降 低，而TD处理的材料进行艾氏冲击试验 或缺口三点弯曲试验，发现其韧性与淬 火回火钢大体处于同一水平。
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TRD处理的应用及与PVD和 CVD镀层性能的比较
TD处理已经在几乎所有需要耐磨的领域 中得到成功的应用。在冲压模、冷锻模、 铸模等方面的应用也是比较多的。 用CVD，PVD和TD法都可以得到薄的碳 化物层，但比较起来TD法有许多优点。 诸如：
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TRD渗镀法
TRD（Surface Coating by Thermo-Reactive Deposition and Diffusion）称为热反应沉积和 扩散的表面覆层法，简称为TRD渗镀法或TD 法。 该工艺是日本丰田中央研究所开发的。具体工 艺有熔盐浸镀法、电解法及粉末法。 应用最广泛的是用熔盐浸镀法在工件表面上涂 覆VC，NbC，CrxCy等碳化物。该工艺于 1971年开始投入应用。。