热处理(氧化)
热处理知识
球化退火球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。
将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。
球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。
这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。
而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。
另外对于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。
球化退火加热温度为Ac1+(20～40)℃或Acm-(20～30)℃，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。
在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。
因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。
球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。
普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。
等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。
等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。
和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
要知道 AC1线是什么，就一定要弄懂铁碳合金状态图。
见图。
因为A1线和A3线是铁碳合金状态图中的特性线。
AC1线和AC3线是略比A1线和A3线上移的类似特性线。
铁碳合金状态图表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。
钢件热处理后氧化皮_概述及解释说明
钢件热处理后氧化皮概述及解释说明1. 引言1.1 概述钢件热处理是一种重要的工艺方法，可通过调整钢材的结构和性能来满足不同的使用要求。
然而，在热处理过程中，钢件表面往往会形成一层氧化皮，这对于钢件的质量和使用效果会产生一定影响。
因此，了解钢件热处理后氧化皮的形成原因及特征对于优化热处理工艺、提高产品质量具有重要意义。
1.2 文章结构本文将系统介绍钢件热处理后氧化皮的概况以及相关解释说明。
首先，我们将探讨钢件热处理后氧化皮的形成原因，包括温度和时间因素、氧气和水蒸气的作用以及材料成分对氧化皮形成的影响。
接着，我们将详细描述钢件热处理后氧化皮的特征和组成，包括外观特征变化、化学成分变化以及结构性质变化。
在此基础上，我们将介绍降低钢件热处理中氧化皮生成的方法和措施，包括气氛控制技术、表面处理技术以及工艺参数优化方法。
最后，我们将对整篇文章进行总结，并归纳影响因素和解决方法，展望钢件热处理后氧化皮未来的发展方向与挑战。
1.3 目的本文旨在全面了解钢件热处理后氧化皮的形成原因、特征和组成，并提供降低氧化皮生成的方法和措施。
通过深入研究，我们希望能为优化钢件热处理工艺、提高产品质量以及指导相关行业的生产实践提供有益信息和建议。
2. 钢件热处理后氧化皮的形成原因钢件在经过热处理后，常常会产生一层称为氧化皮的物质，这是因为多种因素综合作用的结果。
下面将详细介绍钢件热处理后氧化皮形成的主要原因。
2.1 温度和时间因素在钢件进行热处理时，温度和时间是两个非常重要的因素。
当温度较高且保持时间较长时，钢件表面往往更容易形成厚而均匀的氧化皮。
这是由于高温下金属表面上的氧与空气中的氧发生反应，生成了一种氧化物薄层。
2.2 氧气和水蒸气的作用在热处理过程中存在着空气中的氧气以及来自加热设备和工艺环境中的水蒸汽。
这些气体参与了钢件表面氧化反应，并促使了氧化皮形成。
特别是水蒸汽，在高温条件下可以直接与金属表面反应生成金属氢氧化物或金属酸。
热处理基础知识
一、热处理1、正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。
2、退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却(或埋在砂中或石灰中冷却)至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。
3、固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。
4、时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。
5、固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型。
6、时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度。
7、淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。
8、回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。
9、钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。
习惯上碳氮共渗又称为氰化，以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。
中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。
低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。
10、调质处理(quenching and tempering)：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。
调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。
调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织更优。
它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。
11、钎焊：用钎料将两种工件加热融化粘合在一起的热处理工艺。
第三章氧化及热处理
25
2.1 2.1热氧化方法
1.干氧氧化： 1.干氧氧化：氧分子与硅直接反应生成二氧化硅 干氧氧化
Si （固态） + O（气态） → SiO （固态） 2 2
∆
温度：900-1200℃， 温度：900-1200℃，氧化速度慢 2.水汽氧化： 2.水汽氧化：高温下水汽与硅生成二氧化硅 水汽氧化
Si（固态） H 2O（气态） SiO2 + + 2 → （固态） 2H（气态）
18
Shallow Trench Isolation (STI)
STI
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绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来 绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来 一层足够厚的氧化层 防止从金属层产生的感应，这时的SiO 称为场氧化 防止从金属层产生的感应 ， 这时的 SiO2 称为 场氧化 物。 如图所示。 如图所示。
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无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消 无论是干氧或者湿氧工艺， 耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.44， 耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的 ， 这就意味着每生长 每生长1µm的氧化物，就有 的氧化物， 这就意味着每生长 的氧化物 就有0.44µm的硅 的硅 消耗（ 湿氧化略有差别）。 消耗（干、湿氧化略有差别）。
17
4.电容介质 电容介质
二氧化硅介电常数大， 二氧化硅介电常数大，为3～4，击穿耐压教 ～ ， 高，电容温度系数小
5.器件隔离 器件隔离
集成电路的隔离有PN结隔离和介质隔离两种 结隔离和 两种,SiO2用于 集成电路的隔离有 结隔离 介质隔离两种 隔离 用于 介质隔离. 介质隔离 漏电流小,岛与岛之间的隔离电压大 岛与岛之间的隔离电压大,寄生电容小 漏电流小 岛与岛之间的隔离电压大 寄生电容小
热处理基本知识及工艺原理
将淬火后的金属材料加热到适当温度，保温一定时间后冷 却至室温。回火可以消除淬火产生的内应力，提高金属材 料的韧性和塑性。
02
热处理工艺原理
加热与冷却
加热
热处理过程中，将金属材料加热至所 需温度，以实现所需的相变和组织转 变。加热方式包括电热、燃气热、微 波加热等。
冷却
热处理过程中，金属材料在加热后需 进行冷却，以控制相变和组织转变的 过程。根据冷却速度的不同，可分为 缓慢冷却和快速冷却。
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热处理的分类
1. 退火
将金属材料加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却至 室温。退火可以提高金属材料的塑性和韧性，消除内应力 。
3. 淬火
将金属材料加热到适当温度，保温一定时间后快速冷却至 室温。淬火可以提高金属材料的硬度和耐磨性，但可能导 致内应力增大。
2. 正火
将金属材料加热到适当温度，保温一定时间后在空气中自 然冷却。正火可以提高金属材料的强度和韧性，细化组织 结构。
离子注入技术
将具有特定能量的离子注 入材料表面，改变其物理 和化学性质，提高耐磨、 耐腐蚀等性能。
提高热处理效率与节能减排
高效加热方式
采用电磁感应、微波加热 等高效加热方式，缩短加 热时间，提高热处理效率。
余热回收利用
对热处理过程中的余热进 行回收和再利用，减少能 源浪费，降低碳排放。
环保材料与工艺
热处理基本知识及工艺艺原理 • 常见热处理工艺 • 热处理的应用 • 热处理的发展趋势与挑战
01
热处理基本概念
热处理的定义
热处理：通过加热、保温和冷却等工 艺手段，改变金属材料的内部组织结 构，以达到改善其性能、满足使用要 求的一种工艺方法。
热处理的基本知识
过烧与欠烧的预防与控制
总结词
过烧和欠烧是热处理中常见的问题，它们会 影响材料的性能和热处理的可靠性。
详细描述
过烧是指加热温度过高或保温时间过长，导 致材料内部晶粒长大、氧化或融化。欠烧则 是加热温度或保温时间不足，导致材料未完 全奥氏体化或淬火不完全。为了预防和控制 过烧和欠烧，需要精确控制加热温度和时间 ，以及选择适当的加热和冷却速度。
气氛
热处理过程中所选择的气氛（如空 气、保护气体等）会影响金属的氧 化、脱碳等化学变化。
03
CATALOGUE
热处理工艺分类
退火
退火是将金属加热到适当温度，保持一定时 间，然后缓慢冷却的过程。其目的是消除内 应力、降低硬度、提高塑性和韧性。
退火工艺可分为完全退火、等温退火和球化 退火等。完全退火是将金属加热到临界点以 上，使组织完全奥氏体化，然后随炉缓慢冷 却；等温退火是将金属加热到临界点以上某 一温度，保持一定时间后快速冷却至室温； 球化退火则是将金属加热到略低于临界点温
05
CATALOGUE
热处理中的问题与解决方案
裂纹的产生与预防
总结词
裂纹是热处理中常见的问题，其产生与 多种因素有关，如冷却速度、加热温度 等。
VS
详细描述
裂纹的产生通常是由于热处理过程中材料 内部应力的集中和超过材料的断裂强度所 引起的。为了预防裂纹的产生，需要控制 加热和冷却速度，选择适当的加热温度和 时间，以及采用适当的热处理工艺。
THANKS
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04
CATALOGUE
热处理的应用
钢铁工业
01
钢铁是热处理应用最广泛的材料 之一，通过不同的热处理工艺， 可以改变钢铁的内部结构和性能 ，以满足各种不同的需求。
热处理防氧化简易方法
热处理防氧化简易方法
株洲南方航空工业有限公司 （湖南４１２００２）潘明孙世伟
对于一些淬火热处理后加工余量不大、表面质
量要求较高的零件，防止或减轻零件在加热及保温
时的氧化、脱碳是非常重要的。
现在，不少热处理
厂家对于表面质量要求高的零件采用真空炉或气氛
保护炉（如热处理多用炉）进行热处理。
但是真空
热处理炉、气氛保护热处理炉（如热处理多用炉）
的价格高，生产成本也高，很多小型热处理厂出于
资金和生产成本因素的考虑，不会购买真空热处理
炉或气氛保护热处理炉。
但是对于表面质量要求较
高的零件，采取一些防氧化、脱碳的措施还是十分
必要的。
根据笔者多年的热处理生产经验，下面介
绍一些简易的淬火热处理防氧化的方法和措施。
钢的热处理
钢的热处理热处理是将固态金属或合金采用适当的方式加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。
热处理工艺它能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命，此外，热处理还可改善工件的工艺性能﹑提高加工质量﹑减小刀具磨损。
钢的热处理方法可分为：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。
热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的，因此，热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，如下图所示，这种曲线称为热处理工艺曲线。
退火与正火一、退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然後缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺称为退火。
退火的主要目的是：（1）降低钢的硬度，提高塑性，以利於切削加工及冷变形加工。
（2）细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以後的热处理作准备。
（3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。
常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。
（1）完全退火完全退火是将钢加热到完全奥氏体化（AC3以上30～50℃），随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。
在完全退火加热过程中，钢的组织全部转变为奥氏体，在冷却过程中，奥氏体变为细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体），从而达到降低钢的硬度、细化晶粒、充分消除内应力的目的。
完全退火主要用於中碳钢及低、中碳合金结构钢的铸件、锻件、热轧型材等，有时也用於焊接结构件，过共析钢不宜采用完全退火，因过共析钢完全退火需加热到AC CM以上，在缓慢冷却时，钢中将析出网状渗碳体，使钢的力学性能变坏。
（2）球化退火是将钢加热到AC1以上20～30℃，保温一定时间，以不大於50℃/H的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。
球化退火适用於共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。
这些钢在锻造加工後进行球化退火，一方面有利於切削加工，同时为最後的淬火处理作好组织准备。
热处理知识介绍
球化退火应用
球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳 素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经 轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体 与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切 削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开 裂。
球化退火应用
而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中 的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体 上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切 削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易 长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对 于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等） 的亚共析钢有时也可采用球化退火。
热处理分类——回火
钢的回火是将淬火钢加热至A1以下的某一温 度，保温一段时间，然后冷却到室温的一种热 处理工艺。
消除钢淬火时产生的亚稳定组织。
二、退火热处理
退火热处理是将金属或合金加热到适当的温度， 保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体； 共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火 组织是接近平衡状态的组织。
Fe＋H2O→FeO＋H2 FeC＋CO2→Fe＋2CO 还原： FeO＋H2→Fe＋H2O
FeO＋CO→Fe＋CO2
对策
所以我们必须做到： 1.减少盘圆料自身带的FeO（盘圆料的酸洗可 以减少FeO）； 2.降低炉内的CO、H2在适当的比值和线材来 减少O2、H2O脱碳性气体（加氮气降低炉内 CO、H2的体积百分比），加瓦斯,丙烯可以分 解成甲烷与炉内的H2O、O2反应成CO作为保 护气氛。
CH3OH
CO+2H2
中性气体
氮气在高温加热时和钢铁不发生任何作用，即 不氧化。不脱碳、也无还原和增碳作用，故为 中性气体。
氧化案例
化学热处理技术
化学热处理技术一、概述1.化学热处理的概念化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、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。
由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表层的性能尤为重要。
经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。
工件心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。
心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面防护技术所获得的心部、表面的结合要强得多。
2.化学热处理的分类化学热处理的方法繁多，多以渗入元素或形成的化合物来命名，例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗，还有碳、氮、硫、氧、硼五元共渗及碳（氮）化钛覆盖等。
3.化学热处理的基本过程化学热处理包括三个基本过程：化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程；被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。
（1）分解过程化学渗剂是含有被渗元素的物质。
被渗元素以分子状态存在，它必须分解为活性原子或离子才可能被钢件表面吸收及固溶，很难分解为活性原子或离子的物质不能作渗剂使用。
例如，普通渗氮时不用氮而用氨，因为氨极易分解出活性氮原子。
根据化学反应热力学，分解反应产物的自由能必须低于反应物的自由能，分解反应才可能发生。
但仅满足热力学条件是不够的，在实际生产中应用还必须考虑动力学条件，即反应速度；提高反应物的浓度和反应温度，虽然均可加速渗剂的分解，但受材料或工艺等因素的限制。
在实际生产中，使用催化剂以降低反应过程的激活能，可使一个高激活能的单一反应过程变为有若干个低激活能的中间过渡性反应过程，从而加速分解反应。
铁、镍、钴、铂等金属都是使氨或有机碳氢化合物分解的有效催化剂，所以钢件表面本身就是良好的催化剂，渗剂在钢件表面的分解速率比其单独存在时的分解速率可以提高好几倍。
热处理(氧化)
2014-3-22 14
器件介质层
• MOS器件的栅氧介质层和电容介质层
硅栅下的极薄的氧化层作为栅和源、漏间的介 电质材料，形成栅氧结构；用来让氧化层下面的栅 极区产生感应电荷，从而控制器件中的电流；
二氧化硅介电常数大，击穿耐压较高，电容温度 系数小，故热氧化法生成的氧化层也可用作硅表面 和导电层表面之间形成的电容的介电层。
金属材料热处理工艺(详细工序及操作手法)
金属材料热处理工艺（详细工序及操作手法）一、热处理的定义热处理是指金属在固态下经加热、保温和冷却，以改变金属的内部组织和结构，从而获得所需性能的一种工艺过程。
热处理的三大要素:①加热（ Heating）目的是获得均匀细小的奥氏体组织。
②保温（Holding）目的是保证工件烧透，并防止脱碳和氧化等。
③冷却（Cooling）目的是使奥氏体转变为不同的组织。
热处理后的组织加热、保温后的奥氏体在随后的冷却过程中，根据冷却速度的不同将转变成不同的组织。
不同的组织具有不同的性能。
二、热处理工艺1.退火操作方法：将钢件加热到Ac3+30-50度或Ac1+30-50度或Ac1以下的温度（可以查阅有关资料）后，一般随炉温缓慢冷却。
目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。
应用要点：1.适用于合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢的锻件、焊接件以及供应状态不合格的原材料；2.一般在毛坯状态进行退火。
2.正火操作方法：将钢件加热到Ac3或Acm 以上30-50度，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却。
目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。
应用要点：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。
对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。
对于一般中、高合金钢，空冷可导致完全或局部淬火，因此不能作为最后热处理工序。
3.淬火操作方法：将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上，保温一段时间，然后在水、硝盐、油、或空气中快速冷却。
目的：淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，有时对某些高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体组织，以提高耐磨性和耐蚀性。
应用要点：1.一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢；2.淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但同时会造成很大的内应力，降低钢的塑性和冲击韧度，故要进行回火以得到较好的综合力学性能。
热处理工艺详解
热处理工艺热处理是将材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的组织结构,来控制其性能的一种综合工艺过程。
热处理名词：金属：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。
金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。
合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。
相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。
固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。
机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。
铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。
奥氏体：碳在g-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。
渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。
珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
热处理的4种方法
钢铁热处理的四种基本工艺什么是退火钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
退火是将金属或合金加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
退火的目的：退火所能达到的目的主在是：消除锻件及焊接结构的应力，消除冷加工后的加工应力，避免零件在加热和使用过程中产生变形及开裂；消除铸件和锻件的不均匀组织和粗大晶粒，消除合金钢硬而脆的特性，改善其切削加工的性能，胀管时的管头，胀接前也要进行退火。
(1) 降低硬度，改善切削加工性；(2)消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；(3)细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。
在生产中，退火工艺应用很广泛。
根据工件要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多种，常用的有完全退火、球化退火、和去应力退火等。
正火与退火的区别，处理温度正火的冷却速度比退火快，得到的组织较细，工件的强度和硬度比退火高。
对于高碳钢的工件，正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺。
从经济方面考虑，正火比退火的生产周期短，设备利用率高，生产效率高，节约能源、降低成本以及操作简便，所以在满足工作性能及加工要求的条件下，应尽量以正火代替退火。
退火和正火可在电阻炉或煤、油、煤气炉中进行，最常用的是电阻炉。
电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热工件，同时用热电偶等电热仪表控制温度，操作简单、温度准确。
在加热过程中，由于工件与外界介质在高温下发生化学反应，当加热温度和加热速度控制不当或装炉不合适时，会造成工件氧化、脱碳、过热、过烧及变形等缺陷。
因此要严格控制加热温度和加热速度等。
图2-2为退火和正火的加热温度范围。
什么样叫金属冷加工硬化现象？在工程中，有时需用对钢件进行冷加工，如锻打、压延、弯曲、冲压等。
当冷加工产生塑性变形时，不但其外形发生了变化，其内部的晶粒形状也会发生变化，晶粒沿受力方向被拉长。
冷加工塑性变形较大时，还会产生较大内应力。
这种现象称为冷加工硬化。
利用冷加工硬化对钢材使用强度的提高是有限的，而冷加工硬化引起的塑性降低及残存的内应力则是有害的。
热处理基础知识
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
加热是热处理的重要工序之一。
金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。
电的应用使加热易于控制，且无环境污染。
利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度,是保证热处理质量的主要问题。
加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。
采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。
一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。
但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。
根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。
同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。
钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。
整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。
化学热处理
化学热处理化学热处理的工艺过程一般：将工件置于含有特定介质的容器中，加热到适当温度后保温，使容器中的介质（渗剂）分解或电离，产生的能渗入元素的活性原子或离子，在保温过程中不断地被工件表面吸附，并向工件内部扩散渗入，以更改工件表层的化学成分。
通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的本领。
每一种化学热处理工艺都各有其特点，假如需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲乏性能，则依据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。
化学热处理是古老的工艺之一，在中可上溯到西汉时期。
已出土的西汉中山靖王刘胜的佩剑，表面含碳量达O.6～0.7%，而心部为O.15～O.4%，具有明显的渗碳特征。
明代宋应星撰《天工开物》一书中，就记载有用豆豉、动物骨炭等作为渗碳剂的软钢渗碳工艺。
明代方以智在《物理小识》“淬刀”一节中，还记载有“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”。
硝是含氮物质，当有肯定的渗氮作用。
说明渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理工艺，早在古代就已被劳动民所把握，并作为一种工艺广泛用于兵器和农具的制作。
随着化学热处理理论和工艺的渐渐完善，自二十世纪初开始，化学热处理已在工业中得到广泛应用。
随着机械制造和军事工业的快速进展，对产品的各种性能指标也提出了越来越高的要求。
除渗碳外，又讨论和完善了渗氮、碳氮和氮碳共渗、渗铝、渗铬、渗硼、渗硫、硫氮和硫氮碳共渗，以及其他多元共渗工艺。
电子计算机的问世，使化学热处理过程的掌控日臻完善，不仅生产过程的自动化程度越来越高，而且工艺数和处理质量也得到更加牢靠的掌控。
按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。
前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳（硫氰）共渗等；后者重要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素，二元、多元渗金属工艺，如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。
热处理基础知识
热处理基础知识热处理基础知识热处理的原理热处理就是通过将⼯件放于⼀定的⽓氛中进⾏适当的加热、保温及冷却，以改变⼯件的性能的过程。
热处理术语整体热处理：把⾦属或⼯件进⾏穿透加热的热处理⼯艺。
本车间使⽤的热处理⼯艺均为整体热处理，包括：渗碳、淬（回）⽕、调质、正⽕、渗碳直接淬⽕等。
局部热处理：仅对⼯件的某个部件或⼏个部位进⾏热处理的⼯艺，常⽤的有⾼频淬⽕、激光表⾯处理等。
化学热处理：把⾦属材料或⼯件放在适当的活性介质中加热、保持，使⼀种或⼏种化学元素渗⼊其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理⼯艺，渗碳是其中的⼀种。
可控⽓氛热处理：为达到⽆氧化、⽆脱碳、按要求增碳的⽬的，在成分可以控制的炉⽓中进⾏加热和冷却的热处理⼯艺。
本车间⽤的UBE渗碳⾃动⽣产线就是可控⽓氛热处理的⼀种。
真空热处理：在⼀定的真空度的加热炉中，可实现⼯件⽆氧化的热处理⼯艺。
热处理术语滴注式⽓氛：把含碳有机液体（⼀般⽤甲醇）定量滴⼊加热到⼀定温度（700℃以上）、密封良好的炉内，在炉内裂解形成的⽓氛。
甲醇裂解⽓可以⽤作渗碳载⽓、添加丙酮、异丙醇、煤油等可提⾼碳势，作为渗碳⽓氛。
淬⽕冷却介质：⼯件冷却淬⽕时使⽤的介质。
常⽤的有⽔，盐、碱、有机聚合物⽔溶液。
油、熔盐、流态床、空⽓、氢⽓、氮⽓和惰性⽓体等。
淬透性：以在规定条件下淬⽕所能达到的硬度分布表征的材料特性。
淬硬性：以钢在理想条件下所能达到的最⾼硬度表征的材料特性。
端淬试验：将标准端淬试样（φ25x100mm）奥⽒体化后，在专⽤的试验机上对其下端平⾯喷⽔冷却，然后沿试样圆柱表⾯轴向磨平带上测出硬度和⽔冷端距离的关系曲线。
此曲线被称为端淬曲线。
该试验⽅法被称做端淬试验，通过端淬试验可以⼤致确定⾦属材料的淬透性。
热处理术语奥⽒体化：将钢铁加热到Ac3或Ac1以上，使原始组织全部或部分转变为奥⽒体的⼯艺等温转变：钢和铸铁奥⽒体化后，冷却到Ar1或Ar3以下温度保持时的过冷奥⽒体发⽣的转变。
热处理知识大集合
一．退火的种类完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火、光亮退火等。
1． 完全退火和等温退火
完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。加热温度为Ac3+(30~50)℃1）目的 细化组织，降低硬度，改善切削加工性能，消除内应力。组织与性能完全退火后可获得接近平衡状态的组织，一般为铁素体加珠光体。用途 主要用于中碳非合金钢和中碳合金钢铸、焊、锻、轧制件等。也可用于高速钢、高合金钢淬火、返修前的退火
1850～1880年，对于应用各种气体(如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。
Байду номын сангаас
二十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。
表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。
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器件介质层
• MOS器件的栅氧介质层和电容介质层
硅栅下的极薄的氧化层作为栅和源、漏间的介 电质材料，形成栅氧结构；用来让氧化层下面的栅 极区产生感应电荷，从而控制器件中的电流；
二氧化硅介电常数大，击穿耐压较高，电容温度 系数小，故热氧化法生成的氧化层也可用作硅表面 和导电层表面之间形成的电容的介电层。
SiO2对杂质的掩蔽特性 • 对硼、磷、砷等有很好的屏蔽性，是理想的
扩散掩蔽层。 • 某些碱金属离子，尤其是钠离子，即使在低 温下也只需很短的时间就能扩散至整个SiO2 层，故氧化硅要尽量避免钠一类离子的沾污。 • 镓在氧化硅中的扩散系数很大，故对镓不起 屏蔽作用。
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SiO2作掩蔽层的基本要求
SiO2 4HF SiF4 2H 2O
SiF4 2HF H 2 (SiF6 )
SiO2 6HF H 2 (SiF6 ) 2H 2O
SiO2的主要作用
基于SiO2良好的介质特性，其作为介质 材料主要有以下作用： 掺杂阻挡层；
器件保护层；
表面钝化层； 电学隔离层； 器件介质层；
metal 2 metal 1
n-well n+ p+ p-type
淀积法
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§2.2
SiO2的掩蔽作用
SiO2的分类 非本征氧化硅中的杂质按其在SiO2网络 结构中的位置和作用可分为两类： 网络形成者 网络改变者
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网络形成者：
指可替代SiO2网格中硅的杂质，即替位式杂质， 能代替SiO2四面体中心的硅、并能与氧形成网络结构 的杂质，称之为网络形成者。 通常是和硅原子大小相近或更小的一类杂质，如硼、 磷、铝等。 对氧化层的影响： 网络形成者的价电子数与硅不同 网络的结构和性质发生变化: 应用：常被有意掺入SiO2中，用来改善其物理性质： 改变氧化层中有氧桥和无氧桥的比例，改变其密度、 硬度、流动性、熔点及扩散系数。 常用于淀积SiO2，而不用于热SiO2。
半导体中的SiO2
半导体工艺中用热氧化法生长的SiO2 是典型的无定形SiO2。 无定形SiO2的强度、密度等性质受其晶 体内有氧桥与无氧桥的数目之比的影响：
在无定形SiO2中，与无氧桥相比，有氧 桥的部分越大，氧化层的密度、黏合力就越 大，受损伤的趋向也就越小。
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无定形SiO2的结构特点
作为掺杂或注入 掺杂阻挡层 杂质到硅片中的 掩蔽材料
垫氧化层
注入屏蔽 氧化层 金属 间绝缘层
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用作氮化硅的缓 冲层以减小应力
用于减少注入沟 道和损伤
n-well p-type
Contact mask
热生长且非常薄 热生长
n-well n+ p+ p-type
用作金属连线间 的保护层
Via
产生方法
室温下自然生长
tox
栅氧化层
优选干热氧化法
Field oxide (FOX)
场氧化层
n-well
active area after LOCOS
优选湿氧化法
p-type
p+ poly
保护阻挡层
保护有源器件和 硅免受后续工艺 的影响。
Silicide
n+ poly Oxide spacer
n+
p-doping
♦ 很好地控制界面陷阱和固定电荷。
这些特点对MOS器件和其他器件都是至关重要的。
种类 机理 干氧 氧化 水汽 氧化
氧化开始时，是氧分子与硅片表面的 硅原子进行化学反应，形成初始氧化 层，之后的继续氧化是氧原子扩散穿 过氧化层到达SiO2-S界面进行反应 一开始是水汽在高温下与硅片表面的 硅原子作用，生成SiO2起始层，其后 的继续氧化反应首先是水分子与表面 的SiO2反应形成硅烷醇结构，生成的 硅烷醇再扩散穿过氧化层抵达SiSiO2界面处，与硅原子反应，生成硅 氧烷结构，同时产生氢气，氢气将迅 速离开Si-SiO2界面 让氧气在通入反应室前，先通过热的 高纯去离子水，使氧气中携带一定量 的水汽，然后再与硅片发生反应生 SiO2薄膜
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电学绝缘层
• 器件和电路中的绝缘层；
二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大，几乎 不存在漏电流。集成电路的隔离有PN结隔离和介质 隔离，SiO2用于介质隔离，因为漏电流小，岛与岛 之间的隔离电压大，寄生电容小。 常用作金属互连层之间的有效绝缘层，从而起到 金属连线保护层的作用。 绝大多数晶圆表面用足够厚的氧化层来避免金属层 感应导致的晶圆表面的电荷累积效应。
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§2.1 SiO2的结构、性质及用途
• 二氧化硅又名硅石，主要以石英砂形式存在。
结晶型(石英，水晶) 存在形式 无定形(硅石，石英砂)
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SiO2二维结构
结晶形SiO2
由Si-O四面体在空间规则排列构成 每个顶角的O原子与两个相邻四面 体中心的Si原子形成共价键
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掺杂阻挡层
主要原因： 硅技术中用到的所有掺杂剂在SiO2中的扩散 速度远低于在硅中的扩散速度； 二氧化硅的厚度足够厚； 其热膨涨系数与硅的热膨涨系数很接近； 因而在加热或冷却时，晶圆就不会产生弯曲。
dopant
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器件保护/牺牲/缓冲层
• 器件的保护层和隔离层
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网络改变者 是指存在于SiO2网络间隙中的杂质。主要是离子半 较大的一类杂质，如钾、钠、钡、铅、铝等在网络中 一般是以离子形式存在。 由于离子 半径较大，故不能取代网络中硅原子的位 置，而只能占据网络中的空隙处，称网络改变者。 对氧化层的影响： 1.氧化物在网络中离化后，使一部分桥键 氧变成 非桥键氧，造成网络结构弱化和疏松，且使氧化层 熔点降低； 2.杂质则在网络中的空隙处以微弱的键合力和非桥 键氧连接着，些微的温度和电场作用，就可使杂质 变成可动性的正离子，从而可引起器件不稳定和劣 化。 2014-3-22 21
含氯的干氧清洗石英管 干氧氧化（或含氯） 湿氧氧化或水汽氧化加快氧化速率 干氧氧化。
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氧化过程中硅的消耗
• 无论是干氧、水汽还是湿氧氧化，氧化层的
生长都要消耗硅。
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LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍
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2.3.2 SiO2的生长动力学过程
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氧化层厚度及主要用途
硅器件中的氧化层厚度的变化范围很大：
tox
( A ) 应 用
60 ~ 100 150 ~ 500 200 ~ 500 2000 ~ 5000 3000 ~ 10 000
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沟道栅极（栅氧） 栅极氧化、电容绝缘层 LOCOS氧化 掩膜氧化、表面钝化 场氧
SiO2密度很高，非常坚硬且无孔，因而：
一方面可避免环境中及后序过程中的沾污侵入 晶圆表面； 另一方面，其硬度可防止对晶圆表面的划伤或 损害，从而增强晶圆在生产过程中的耐用性。
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• 表面钝化作用
表面钝化层
有了这一层二氧化硅膜，就可以将硅片表面与外界 气氛隔开。降低了外界气氛对硅的影响，起到钝化 作用。主要作用： 减弱环境对器件表面的影响，防止器件的表面和内 部受到机械损失和杂质污染； 可将硅表面的沾污禁锢在SiO2膜中，有助于提高器 件的稳定性和可靠性; 有利于控制器件的漏电流和产生稳定栅氧化物，有 效地防止器件性能退化。
2.3.1 硅的热氧化
制 备SiO2的方法有很多，热分解淀积、溅射、真空蒸发。 阳极氧化法、化学气相淀积、热氧化法等。热生长法制备 的SiO2质量好，是集成电路的重要工艺之一。 热氧化法：Si与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应 生成SiO2 。热氧化法根据氧化气氛分为：干氧氧化、水气 氧化、湿氧氧化以及掺氯氧化、氢氧合成等。 热氧化法制备SiO2的特点： ♦ 具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质 不太受湿度和中等温度热处理的影响； ♦ 降低Si表面的悬挂键，使表面态密度减小；
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SiO2的主要性质
密度：
一般为2.20g/cm3（无定形，一般用称量法测量）； 折射率： 是波长的函数，5500Å左右时为1.46，密度较大则折射率 较大； 电阻率： 高温干氧氧化法制备的SiO2电阻率高达1016Ω·cm； 介电强度： 单位厚度的SiO2所能承受的最小击穿电压，与致密程度、 均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106-107V/cm ； 腐蚀： 氢氟酸；
无定形SiO2
Si-O四面体的空间排列没有规律 Si-O-Si键桥的角度不固定，在 110°-180°之间，峰值144 °。
• 顶角上的每个氧原子
桥氧
非桥联氧
都与相邻的两个Si-O 四面体中的硅原子键 合，为两个硅原子共 用，形成Si-O-Si的氧 桥，称为桥键氧。
• 氧原子只与一个四面
体中的硅原子联接， 即没有形成氧桥，称 为非桥键氧
• • •
热氧化过程中，氧化层的增厚包括三个过程： 氧化剂从气体内部以扩散形式输运到气体-氧化层界面 氧化剂以扩散穿过已生成的氧化层，抵达SiO2-Si界面； 氧化剂在硅—氧化硅界面发生氧化反应；
n+
p+
n-doping
p+ n-well
热生长
Shallow-trench isolation Source-drain extension
p-type substrate
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氧化硅的应用(2)
应用 目的 结构 产生方法