第五章金属材料的热处理与表面改性
再生铝合金铸造工艺中的热处理与表面改性技术
再生铝合金铸造工艺中的热处理与表面改性技术在现代工业制造中，铝合金是一种广泛应用的材料，其具有良好的强度、导电性和导热性等特性，成为许多行业的首选材料之一。
然而，在铝合金生产过程中，往往需要通过热处理和表面改性技术来提高其性能和应用领域。
本文将就再生铝合金铸造工艺中的热处理与表面改性技术进行探讨。
一、再生铝合金铸造工艺再生铝合金铸造工艺是指利用废旧铝材料进行加工，经过熔炼与铸造等过程，再生为新的铝合金制品的一种生产方式。
再生铝合金铸造工艺具有环保、节能、资源循环利用等优点，因而备受关注。
二、热处理技术热处理技术是指通过加热和冷却等过程，改变铝合金的组织结构和性能的一种方法。
再生铝合金铸造工艺中，热处理技术常用于优化铝合金的力学性能和耐腐蚀性能，提高其塑性和强度。
1. 固溶处理固溶处理是再生铝合金铸造工艺中常用的热处理技术之一。
在该工艺中，铝合金经过加热至固溶温度，使合金元素溶解在基体中，然后通过快速冷却固定组织结构，以达到强化合金的目的。
固溶处理可以显著提高铝合金的强度和硬度，同时改善其耐腐蚀性能。
在再生铝合金铸造工艺中，固溶处理可通过合理控制加热和冷却速度，实现理想的组织结构和性能。
2. 淬火处理淬火处理是再生铝合金铸造工艺中另一重要的热处理技术。
该技术通过将铝合金迅速冷却至室温，使其组织结构发生相变，从而使铝合金获得更高的强度和硬度。
淬火处理不仅可以改善铝合金的力学性能，还可以提高其耐腐蚀性能和磨损性能。
在实际应用中，再生铝合金铸造工艺中的淬火处理通常与固溶处理相结合，以达到最佳效果。
三、表面改性技术除了热处理技术外，表面改性技术也是再生铝合金铸造工艺中不可忽视的一环。
通过改变铝合金表面的物理、化学性质，可以增强其耐腐蚀性、耐磨性和装饰性，提高其使用寿命和颜值。
1. 防腐蚀处理铝合金容易受到氧化、腐蚀等影响，因此在再生铝合金铸造工艺中，防腐蚀处理是必不可少的。
常见的防腐蚀处理方法包括阳极氧化、电镀和化学处理等。
金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升
金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升金属材料在工业和制造领域中广泛应用，其表面性能对材料整体性能和使用寿命起着至关重要的作用。
为了提高金属材料的表面性能，表面改性和热处理技术被广泛采用。
本文将介绍金属材料表面改性的常用方法和热处理对材料表面性能提升的作用。
一、金属材料的表面改性1.化学表面改性化学表面改性是通过在金属材料表面形成一层化学活性的物质或化合物，从而改变其表面性能。
常用的化学表面改性方法包括电化学处理、溶液浸渍和化学沉积等。
通过这些方法，可以实现金属材料表面的腐蚀耐久性、摩擦性能、润滑性能等的提高。
2.物理表面改性物理表面改性是通过物理手段对金属材料表面进行改良，包括机械处理、喷涂涂层和磁场处理等。
其中，机械处理如切削、打磨和抛光可以提高金属材料的光洁度和平滑度，从而降低表面粗糙度并增加强度。
喷涂涂层技术可以在金属表面形成一层保护性膜，提高耐磨性和耐腐蚀性。
磁场处理可以通过调控磁场对金属表面进行改性，改善其力学性能和磁性能。
二、金属材料的热处理热处理是一种通过对金属材料进行加热和冷却的工艺，以改变材料的组织结构和性能。
常用的热处理方法包括退火、淬火、回火和固溶处理等。
1.退火退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却的过程。
退火可以消除金属材料中的应力和缺陷，提高其塑性和可加工性。
此外，退火还可以改变材料的晶粒结构，从而调节材料的硬度和强度。
2.淬火淬火是将金属材料加热至临界温度，然后迅速冷却至常温的过程。
淬火可以使金属材料形成超饱和固溶体或马氏体组织，从而提高材料的硬度、强度和耐磨性。
淬火还可以产生残余应力，使材料表面形成压应力层，提高抗拉应力的能力。
3.回火回火是将淬火后的金属材料加热至较低温度，然后适当冷却的过程。
回火可以降低金属材料的脆性和残余应力，提高其韧性和可靠性。
回火还可以调节材料的硬度，使其适应不同的工作条件。
4.固溶处理固溶处理是将合金的固溶元素加热至高温区，然后迅速冷却的过程。
材料表面改性技术
离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。 原理：在0.1~10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极， 在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹 灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被 电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作 用等进行氮化处理。
3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层 位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将 产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并 使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的 淬火方法。
• 当感应圈中通过一定频率交流电时， 在其内外将产生与电流变化频率相同 的交变磁场。将工件放入感应圈内， 在交变磁场作用下，工件内就会产生 与感应圈频率相同而方向相反的感应 电流。感应电流沿工件表面形成封闭 回路，通常称之为涡流。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在 固溶体、化合物的多相深层
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。 要满足这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、 晶体结构的差异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件
（2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条 件来实现
第5章 模具钢料的热处理-模具表面处理技术
第二节模具表面处理工艺概述模具是现代工业之母。
随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天、食品医疗等产业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。
如何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本，成为各模具厂及注塑厂当前迫切需要解决的问题。
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。
这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。
这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果；模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。
从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。
在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
◆提高模具的表面的硬度、耐磨性、摩擦性、脱模性、隔热性、耐腐蚀性；◆提高表面的高温抗氧化性；◆提高型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能；减少冷却液的使用；◆提高模具质量，数倍、几十倍地提高模具使用寿命。
减少停机时间；◆大幅度降低生产成本与采购成本，提高生产效率和充分发挥模具材料的潜能。
◆减少润滑剂的使用；◆涂层磨损后，还退掉涂层后，再抛光模具表面，可重新涂层。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，从表面处理的方式上，主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法。
模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD化学气相淀积、PVD物理气相沉积、PACVD离子加强化学气相沉积、CVA铝化化学气相沉积、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。
下面综述模具表面处理中常用的表面处理技术：一、物理表面处理法：表面淬火是表面热处理中最常用方法，是强化材料表面的重要手段，分高频加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火。
金属材料表面处理与改性技术
金属材料表面处理与改性技术随着工业技术的不断发展，金属材料的应用范围已经涵盖了各行各业。
但是，金属材料表面的缺陷和不足也成为了使用中的限制因素。
为了改善金属材料表面的性能，人们开展了各种金属材料表面处理与改性技术的研究。
一、金属材料表面处理技术1.化学镀层化学镀层这种表面处理技术是通过制定特定的溶液体系，将一层或多层的金属材料化学吸附到被处理材料上，从而在金属材料表面形成一层具有一定厚度和均匀及密度的金属化合物覆盖。
化学镀层技术不仅能够提高金属材料的耐蚀性及机械性能，而且能够增强金属材料表面的装饰性能。
另外，化学镀层技术还可以减轻被处理材料的重量，以及对环境的影响很小。
2.物理镀层物理镀层是给金属材料表面通过物理方式使金属在目标材料上形成一层薄薄的金属覆盖层的方法。
物理镀层的形成是通过高真空、离子束溅射或电子束溅射等方式，直接在金属材料表面形成一层具有一定厚度、均匀及密度的金属覆盖层。
物理镀层的优点在于其具有非常高的耐磨性和平滑度，不会改变被处理材料的机械性质，还有很好的风险控制能力和环境控制能力。
另外，物理镀层还可以减轻被处理材料的重量。
3. 气相沉积气相沉积技术可以在金属材料表面形成具有很好特性的膜，这种表面膜是由气体在室温下生成而形成的。
该技术具有制备快速，膜形成均匀一致等优点。
其在金属材料表面的化学性质稳定，具有很好的耐蒸发和防腐蚀性能，且可以在夹具、机械及汽车零部件等多种行业应用。
二、金属材料改性技术1.表面机械处理技术表面机械处理技术是远古的一种表面改性技术。
其主要通过机械压力和热处理等方式来改善金属材料表面的机械性能、耐热性和防止金属结构形变等缺陷。
常见的机械处理方法包括淬火与回火、冷、热拔、酸洗等。
2.表面合金化技术表面合金化技术主要是将固体、液体或气体中的一种或多种高温凝固物质等合金化材料部分通入金属材料表面，以改变金属材料表面的物理性能和化学性质。
表面合金化技术有许多优点，如能够改进和集成材料的物理性质和热力学特性，提高材料的强度和寿命等等。
金属热处理及表面改性
钢加热(冷却)时各临界点的位置
由于过冷和过热现象的存在
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1.奥氏体的形成(共析钢)
四个阶段：
奥氏体形核
晶核的长大 残留渗碳体的溶解
P(F+Fe3C)→A
两相→单相的过程 晶格改组和铁原子扩散的 过程
奥氏体的均匀化
2. 奥氏体晶粒大小及影响因素
3.1 钢的热处理原理
钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的 组织，从而获得所需性能的工艺方法。
45钢 退火 正火 淬火 σb（MPa） 650～700 700～800 1500～1700 δ（％） 15～20 15～20 1～ 2 αk（J/cm2） 40～60 50～80 15～20
钢的热处理分类
3.2.1 钢的退火与正火
一、钢的退火 将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷 却的热处理工艺。 根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退 火和去应力退火。 1、完全退火 定义：将钢加热Ac3以上30~50º C，完全奥氏体后，保温 一定时间随之缓慢冷却到500º C以下，出炉空冷。 目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加 工。 适用范围：亚共析钢型材。
起始晶粒
是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时的晶粒。一般很细小。
实际晶粒
是指钢在某个具体热处理或热加工条件下所获得的奥氏体晶粒。直接 影响热处理后“小晶粒→大晶粒”将使合金总的晶界面积减少， 从而减少了界面能，使合金的总能量下降，因此 高温下A晶粒的长大是一个自发的过程。 钢的成分和冶炼条件：C和难溶第二相微粒 加热温度和保温时间
临界冷却速度
金属材料改性
金属材料改性
金属材料改性是指通过一系列的工艺和手段，对金属材料的性能、结构和形态
进行改变，以满足特定的使用要求。
金属材料改性的方法有很多种，包括热处理、表面处理、合金化等。
在工程领域中，金属材料改性是非常重要的，可以大大提高金属材料的使用性能和寿命。
首先，热处理是金属材料改性中常用的一种方法。
热处理是通过加热和冷却的
方式，改变金属材料的晶体结构和性能。
常见的热处理方法包括退火、正火、淬火和回火等。
通过热处理，可以提高金属材料的硬度、强度、韧性和耐磨性，同时也可以改善金属材料的加工性能和耐腐蚀性能。
其次，表面处理也是金属材料改性的重要手段之一。
金属材料在使用过程中，
常常需要具有特定的表面性能，比如耐磨、耐蚀、导热等。
表面处理可以通过镀层、喷涂、氮化、氧化等方法，对金属材料的表面进行改性，以满足特定的使用要求。
另外，合金化也是金属材料改性中的重要手段。
合金是由两种或两种以上的金
属元素或非金属元素组成的固溶体，通过合金化可以改变金属材料的组织结构和性能。
合金化可以提高金属材料的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，同时也可以改善金属材料的导电性、导热性和磁性。
总的来说，金属材料改性是通过一系列的工艺和手段，对金属材料的性能、结
构和形态进行改变，以满足特定的使用要求。
热处理、表面处理和合金化是金属材料改性中常用的方法，它们可以提高金属材料的使用性能和寿命，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等领域。
随着科技的不断进步，金属材料改性的方法也在不断创新和发展，为各行各业提供了更加优质的材料选择。
金属热处理和金属表面处理的区别和联系【详解】
金属热处理和金属表面处理的区别和联系内容来源网络，由深圳机械展收集整理！金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。
金属材料表面处理技术与金属热处理和表面热处理不是一个类型的慨念。
一般把金属表面防护和改性称之为金属材料表面处理，改变金属材料表面组织结构和力学性能指标称为金属表面热处理。
表面防护的内容：电镀、涂装、化学处理层；电镀包括（镀锌、铜、铬、铅、银、镍、锡、镉等）；涂装包括（油漆涂装、静电喷粉、喷塑工艺）；化学处理包括（发黑处理、磷化处理）。
另一方面是金属的表面改性,也称表面优化,就是借助离子束、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，从而获得用传统的冶金和表面处理技术无法得到的新薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。
现代先进的表面改性技术主要有物理气相沉积（简称PVD）、化学气相沉积（简称CVD）、等离子体化学气相沉积（简称PCVD）、离子注入和离子束沉积。
至于工艺步骤的确是太多了，电镀有挂镀和滚镀、油漆涂层分类更多，有刷涂、浸漆、烤漆、电泳、静电喷涂等，不同的要求，工艺方法区别也大。
热处理主要包括：淬火、回火、退火、调质等等；目的是改变金属材料的机械性能；都与加热有关；表面处理包括的内容太多：涂覆（涂漆，喷塑）、热浸镀、电镀、氧化、发蓝、着色、磷化、钝化、酸洗、化学抛光、电解抛光、电铸、抛丸、磨沙、拉丝、振光、火焰喷涂、渗碳、渗氮....表面处理的目的最多的是防腐蚀，其次是改善外观质量；但渗碳、渗氮是为了改变金属材料的机械性能；表面处理大多与加热无关。
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。
金属材料的改性处理
金属材料的改性处理引言金属材料的改性处理是指通过对金属材料进行一系列的物理、化学或机械处理，以改变其性能和性质的方法。
这种改性处理可以使金属材料具有更好的强度、韧性、耐腐蚀性和耐磨性等特性，以满足特定的工业需求。
在本文中，我们将详细介绍几种常见的金属材料改性处理方法。
1. 加热处理加热处理是一种常用的金属材料改性处理方法。
通过控制金属材料的加热温度和冷却速度，在固溶体、时效、固溶强化等过程中对金属结构进行调整和优化。
加热处理可以改变金属材料的晶体结构和相组成，从而改变其硬度、强度和韧性等性能。
加热处理通常包括以下几个步骤：固溶处理是将金属材料加热至合金元素完全溶解的温度，保持一定的时间后迅速冷却。
这种处理方法可以增强合金的韧性和可加工性，同时减少内部应力和晶粒尺寸。
1.2 时效处理时效处理是指将固溶处理后的金属材料迅速冷却至室温，并在室温下放置一段时间。
这种处理方法可以使金属材料的强度和硬度得到提高，同时改善其抗热、抗腐蚀性能。
1.3 固溶强化固溶强化是通过在固溶处理过程中加入一些合金元素，使其在晶界和金属内部形成固溶物。
这种处理方法可以增加金属材料的强度、硬度和耐蚀性。
表面处理是通过对金属材料表面进行一系列的物理、化学或电化学处理，以改变其表面的化学组成和物理性质。
表面处理可以提高金属材料的耐腐蚀性、耐磨性和粘接性，同时改善其外观和润滑性。
常见的金属材料表面处理方法包括：2.1 镀层镀层是将金属材料浸泡在溶液中，利用化学反应使金属材料表面形成一层附着牢固的金属或合金层。
这种处理方法可以改善金属材料的防腐蚀性、耐磨性和抗氧化性。
2.2 化学镀化学镀是利用电化学原理在金属材料表面沉积一层金属或合金。
通过控制镀层的成分和厚度，可以改善金属材料表面的耐腐蚀性、硬度和外观。
2.3 高能表面处理高能表面处理是通过使用高能束流（如离子束、激光束等），对金属材料表面进行物理冲击和改性。
这种处理方法可以增加金属材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
材料改性方法与表面热处理方法
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b. 火焰加热法
用于处理大型、异型 或特大型工件，淬透层厚 度一般为3～6毫米，
所用设备简单，但加 热温度不易控制，容易过 热，淬火效果不稳定。
材料改性方法和表面的热处理方法
(2) 化学热处理
化学热处理是将钢件放入一定的化学介质 中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件 表层，使表面化学成份发生变化，从而改变金 属的表面组织和性能的工艺过程
材料改性方法和表面的热处理方法
c. 获得复合组织 在钢的淬火组织中若存在一定量的细小
铁素体或残余奥氏体晶粒，可在不降低强度 的情况下显著提高钢的韧性。
材料改性方法和表面的热处理方法
d. 形变热处理 形变热处理是把淬火和变形强化相结合，
以提高钢的强韧性的工艺。
T℃ A
高温形变热处理可以
700
正 常
大大提高钢的韧性，同时 600
钢的强度和疲劳强度也有 500
明显提高。
400 A过冷
低温形变热处理可大 300
大提高钢的强度和耐磨性。 200 M+A残
氮化、离子氮化等。
气体渗氮剂：氨 渗 氮 温 度：500～560℃
材料改性方法和表面的热处理方法
2. 渗氮(氮化)
性 能 特 点：
井式氮化炉
硬度、耐磨性较高 HRC≈70，化学稳定性抗 蚀性高，硬度可以维持 到500℃（渗碳层硬度 HRC≈60，在200℃以上 明显下降）。引起的变 形很小。
材料改性方法和表面的热处理方法
材料改性方法和表面的热处理方法
3. 碳氮共渗(氰化) 钢件表面同时渗入碳和氮原子，形成碳氮共
渗层，以提高工件的硬度，耐磨性和疲劳强度的 处理方法。
钢的热处理和表面改性资料.pptx
(a)光学显微照片 1300×
(b) 电子显微照片 5000×
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<=中温转变区
下贝氏体
• 组织特点是渗碳体以细 小颗粒分布于针状铁素 体的内部，显微镜下的 整体形貌呈针状组织
• 铁素体针状细小，没有 方向性，位错密度大， 碳化物分布均匀
• 具有较好的综合机械性 能，热处理中常常用等
钢在加热时的组织转变
• 实际转变温度与相图有所区别
加热时相变温度=>
• 相图只是平衡状态的情况，就是在及其缓慢的冷却或者加热过程中才能达到的状态，在实际钢铁生产 和热冷加工过程中的温度变化较快的条件下
• 实际加热温度都偏高、冷却温度都偏低，加热和冷却速度越大，这种差别越大，这使得钢在热处理时 的临界点偏离了相图中的临界点
• 淬硬性指钢淬火能够达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量
• “鼻尖”离纵坐标越远，淬透性越好
• 合金元素
• 含碳量
• 加热温度
淬火温度
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冷却介质
淬透性及影响因素
温 度
时间
(a)完全淬透; (b)淬透较大厚度; (c)淬透较小厚度
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钢的回火
• 钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然 后冷却到室温 • 低温回火（150～250℃） • 中温回火（350～500℃） • 高温回火（500～650℃）
• 影响奥氏体形成速度的因素
• 加热速度与加热温度：温度；速度 温
奥氏体化越快
度
• 含碳量和合金元素：C 转变
• 合金元素不影响基本过程，但影响转变速 度
机械制造基础12_金属的热处理及材料改性
机械制造基础12_金属的热处理及材料改性金属的热处理是指通过控制金属的温度和加热和冷却速率来改善其物理和机械性能的过程。
金属的热处理可以通过改变金属的晶体结构、颗粒结构和相变来实现。
金属的热处理主要包括退火、正火、淬火、回火和低温处理等过程。
退火是将金属加热至恰当的温度，然后在适当的速率下冷却，以使金属的晶体结构发生变化，消除应力和硬化。
退火可以提高金属的塑性和韧性。
正火是将金属加热至适当温度，然后在空气中冷却。
正火可以提高金属的硬度和强度。
淬火是将金属加热到一定温度，然后迅速以较快的速度冷却至室温。
淬火可以使金属产生硬脆性，提高金属的硬度和强度，但会减少其韧性。
回火是将金属在淬火后加热至一定温度，然后在适当速率下冷却。
回火可以消除金属的内应力，改善其硬度和韧性的平衡。
低温处理是将金属在低于室温的温度下处理一段时间。
低温处理可以提高金属的硬度和强度，改善金属的耐磨和耐腐蚀性。
金属的热处理可以在一定程度上改变其物理、化学和机械性能。
例如，通过退火处理，过热退火可以使金属的晶体粗大化，提高金属的塑性和韧性；通过正火处理，可以使金属的组织细化，提高金属的硬度和强度；通过淬火处理，可以使金属产生马氏体，提高金属的硬度和强度，但会降低其韧性；通过回火处理，可以消除金属的内应力，提高金属的韧性和抗冲击性。
材料改性是指利用各种物理和化学方法，通过改变材料的结构和组织，使其获得更好的性能和适应特定应用的过程。
材料改性主要包括合金化、快速凝固、化学改性等方法。
合金化是将两种或两种以上的金属或非金属元素混合在一起，并经过一系列的加热、冷却和处理工序，形成合金。
合金化可以改变金属的晶体结构、晶粒大小和相变，以提高金属的硬度、强度和耐腐蚀性。
快速凝固是将金属液体迅速冷却至较低温度，使其形成非晶态结构或细小的晶体结构。
快速凝固可以提高金属的硬度、韧性和磁、电等性能。
化学改性是通过在材料表面形成化学层或化学反应，使材料获得新的性能。
金属材料的表面改性技术研究
金属材料的表面改性技术研究金属材料一直是重要的结构材料，在各行各业都有广泛的应用。
然而，由于金属材料在使用过程中可能面临腐蚀、磨损、疲劳等问题，因此需要对金属材料进行表面改性处理，以提高其性能和延长使用寿命。
本文将对金属材料表面改性技术的研究进行探讨。
一、金属材料表面改性技术1.1 热处理技术热处理是一种常用的金属材料改性技术，它通过加热和冷却过程改变金属材料的晶体结构和性能。
常见的热处理技术包括退火、淬火、正火等。
热处理可以使金属材料获得更好的强度、硬度和耐磨性，提高其耐腐蚀能力。
1.2 表面合金化技术表面合金化是一种通过在金属材料表面形成合金层来改善其性能的技术。
常见的表面合金化技术有化学气相沉积、电镀、扩散合金化等。
这些技术可以在金属材料表面形成均匀、致密的合金层，提高金属材料的抗磨损、耐腐蚀和耐高温性能。
1.3 表面涂层技术表面涂层技术是一种将覆盖物涂覆在金属材料表面的改性技术。
常用的表面涂层技术包括喷涂、电泳涂覆、物理气相沉积等。
涂层可以提供额外的保护层，防止金属材料与外界环境接触，延缓金属材料的腐蚀、磨损过程。
1.4 表面纳米结构化技术表面纳米结构化技术是一种通过控制金属材料表面的纳米结构来改性的技术。
这种技术可以形成纳米级的颗粒、膜层或纳米结构单元，改变金属材料的表面形貌和力学性能。
常用的表面纳米结构化技术有电化学刻蚀、溅射、离子束处理等。
二、金属材料表面改性技术的研究进展2.1 研究现状在金属材料表面改性技术的研究领域，国内外学者取得了许多重要进展。
他们通过优化改性工艺参数、开发新的改性材料和方法，不断提高金属材料的表面性能。
例如，应用化学气相沉积技术制备了高性能的硬质涂层，提高了金属材料的硬度和耐磨性能。
另外，表面纳米结构化技术也被广泛应用于金属材料的改性研究中，通过调控纳米结构单元的尺寸和形貌，进一步提高了金属材料的力学性能。
2.2 发展趋势随着科学技术的不断进步，金属材料表面改性技术也在不断发展。
金属热处理及表面改性优秀课件
钢坯加热
第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向
和Fe3C方向长大。
第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于 奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继 续溶解直至消失。
金属热处理及表面改性优秀课件
3.1 钢的热处理原理
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却， 以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
为简明表示热处理 的基本工艺过程， 通常用温度—时间 坐标绘出热处理工 艺曲线。
热处理是一种重要的加工工艺. 在机床制造中约60-70%的零
件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需
热处理的零件达70-80%。
模具、滚动轴承100%需经过 热处理。
总之，重要零件都需适当热处 理后才能使用。
2、热处理特点: 热处理区 别于其他加工工艺如铸造、 压力加工等的特点是只通
过改变工件的组织来改变
性能，而不改变其形状。
铸造
3、热处理适用范围: 只适用于固态下发生
相变的材料，不发生
两线之间及Ms 与Mf之间为转 变区。
温 度
A1
A
过
A→P
冷
P
奥
转变终了线
氏
B
体
A→B
转变开始线
MS
A→M
Mf
M 时间
2、C 曲线的分析 ⑴ 转变开始线与纵
坐标之间的距离为 孕育期。
孕育期越小，过冷 奥氏体稳定性越小.
孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。 碳钢鼻尖处的温度 为550℃。
在鼻尖以上, 温度较 高，相变驱动力小.
第五章金属材料的热处理与表面改性
3～9
需要
渗氮 500～600 20～50
不需要
三、碳、氮共渗 1、中温碳、氮共渗（氰化） 目的：提高表面硬度、疲劳强度和抗蚀性(表面 硬度和抗蚀性高于渗碳层)。 适用钢：中、低碳钢 氰化温度：800～860℃ 渗层厚度：0.1～0.75毫米 共渗时间：1～3小时 渗后热处理：淬火 + 低温回火
2、低温气体 碳、氮共渗（氮、碳共渗） 目的：以渗氮为主、渗碳为辅，提高工件表面
（1）低温回火（150～250℃）
回火组织：回火马氏体：碳过饱和度降低了的马
氏体 + 析出碳化物
力学性能：残余应力消除，
高硬度、高强度，较
低的塑性和韧性 回
火 马 氏 体
主要适用
高碳钢制造的各类工模具、机械零件（如轴承）
如锉刀 T12
160-180 ℃ ∽64HRC
渗C及CN共渗淬火后的零件
表面含C量和一定C浓度梯度
应用最广泛的一种化学热处理工艺。
目的： 高的表面硬度（HRC58~63），耐磨性 高的接触σ-１，弯曲σ-1 高的冲击韧性等。
应用： 适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲
应力和冲击载荷的机器零件 如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴既表面要
求高硬度，心部要求足够强度和韧性。 汽车、拖拉机、起重、坦克等设备中零件
面产生一层致密保护膜
一、氧化处理
1、钢的氧化处理（发蓝、发黑） 基本方法：使钢表层在化学溶液中氧化形成Fe3O4
致密氧化膜。 作用：达到提高耐磨、耐蚀和装饰目的。
2、铝的氧化处理
基本方法：使铝在化学溶液中表层氧化形成Al2O3 致密氧化膜。
作用：提高耐磨、耐蚀性。
二、磷化处理 基本方法：使钢在磷酸盐溶液中表层形成磷酸盐
【材料课件】第5章 金属材料的改性处理
(2) 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能
C曲线上方一条水平线为A1线，在A1线以上 区域奥氏体能稳定存在。在C曲线中，左边 一条曲线为转变开始线，在A 1线以下和转 变开始线以左为过冷奥氏体区。由纵坐标 轴到转变开始线之间的水平距离表示过冷 奥氏体等温转变前所经历的时间，称为孕 育期。
据冶金部标准规定，本质晶粒度是将钢加 热到930±10℃、保温3～8小时冷却后，在 显微镜下放大100倍测定的奥氏体晶粒的大 小
本质细晶粒钢在加热到临界点Ac1以上直到 930℃晶粒并无明显长大，超过此温度后,由 于阻止晶粒长大的氧化铝等不熔质点消失， 晶粒随即迅速长大
本质粗晶粒钢，由于没有氧化物等阻止晶 粒长大的因素，加热到临界点Acl以上，晶 粒开始不断长大
另一种是将奥氏体以一 定的速度冷却，如水冷、 油冷、空冷、炉冷等， 称为“连续冷却”, 见 图2-1-4中曲线2
钢在高温时形成的奥氏体，过冷至Ar1以下， 成为热力学上不稳定状态的过冷奥氏体。 现以共析钢为例，讨论过冷奥氏体在不同 冷却条件下的转变形式及其转变产物的组 织和性能。
1.过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)
C曲线下方的两条水平线：
➢ Ms(230℃)为马氏体转变的开始线 ➢ Mf(-50℃)为马氏体转变的结束线
由C曲线图可知，奥氏体在不同的过冷度有 不同的等温转变过程，相应有不同的转变产
物，以共析钢为例，根据转变产物的不同特 点，可划分为三个转变区
①珠光体类型组织转变区 过冷温度在A1～550℃之间的转 变产物为珠光体类型组织
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5.9 热处理新技术 一、形变热处理 基本方法：将塑性变形与热处理相结合，借助塑
性变形细化组织 主要作用：提高钢的强度，改善钢韧性的热处理。
二、真空热处理 主要作用：防氧化、净化表面、脱脂、脱气、减小
变形
三、离子轰击热处理 基本方法：利用带电离子轰击进入工件表层 主要作用：提高工效，改变材料表层成分，改
0.04mm 马氏体
0.08mm
回火马 氏体
回火时组织变化
马氏体
回火马氏体
碳原子以ε-碳化物形式从马氏体中析出
2、回火时力学性能变化 随回火温度升高
l 硬度下降；塑Βιβλιοθήκη 、韧性上升。 l屈服强度先升后降，
最高值在200℃左右出现； l弹性极限先升后降，
最高值在350℃左右出现；
3、回火工艺
根据回火温度分
碳原子以ε-碳化物形式从马氏体中逐渐析出。 （2）残余奥氏体分解（200～300℃）：
残余奥氏体转变为回火马氏体或下贝氏体。 （3）渗碳体形成（250～400℃）：
ε-碳化物转变为极细小的渗碳体。 （4）铁素体的回复和再结晶，碳化物颗粒聚集长 大（400℃以上）
回火时组织变化
碳化物的 析出； 残余奥氏 体的分解； 铁素体的 回复和再 结晶。
硬度、疲劳强度和耐蚀性。 适用钢：各种钢 渗氮温度：560～570℃ 渗氮时间：1～3小时 渗层厚度：0.01～0.02mm 渗氮前热处理：调质
20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织
1
2
3
1.针状M + 残余A ; 2.混合M + 残余A ; 3.板条M + 针状M
四、渗硼 目的：提高工件表面硬度（高于其他化学热处
如20CrMnTi，18Cr2Ni4W
2、渗碳工艺参数 渗碳温度：900～950℃ 渗层厚度：1～2毫米 渗碳时间：7小时左右
典型滴注剂 ①甲醇-煤油滴注剂：国内许 多厂家采用。 ②甲醇-乙酸乙脂 ③甲醇-丙酮
气体渗碳示意图
示例：滴注式气体渗C 工艺
如20钢，齿轮，
要求渗层厚度为 0.3mm
工艺：930℃，煤油 20D/ min，3h。 炉冷，后淬火
性能：表HRC：58～63 心 HRC40以下
4、渗碳工序安排
下料
锻造
正火
机加工（粗）
渗碳
淬火
低温回火 磨削
低C钢渗C与中C钢表淬比较。
①性能上：中C钢表淬HRC低（HRC50～58），
心部冲击韧性，耐磨性也较低。 低C钢渗C (HRC58～63)
②渗C层易获沿零件轮廓均匀分布，表淬层分布 不易控制，小模数齿轮常有淬透可能。 但渗碳工艺复杂，变形较大，成本较高。
的稳定性与临界淬火冷却速度有关
淬透性影响因素：
A1
（1）奥氏体中含碳量
T
P （2）奥氏体中合金元素的种
A
类和含量
B （3）未溶碳化物和奥氏体晶
M t
粒大小
工件淬硬层与冷却速度的关系
二、淬透性的表示方法
通常用用标准试 样在一定条件下 淬火能够淬硬的 深度H或全部淬透 的最大直径D表示。
测定结构钢 的淬透深度规定 以体积分数为50% 淬火M的硬度作为 基准。
5.4 钢的回火 回火：淬火钢件加热至AC1以下某温度保温一定
时间，而后冷却的热处理工艺。 一、回火目的
（1） 减小或消除淬火应力，防零件变形和开裂。
（2） 稳定组织，防止组织转变引起的零件形状、
尺寸和性能变化。
淬火
（3） 获得所需力学性能。
回火
二、回火时组织转变及力学性能变化 1、回火时组织转变 以碳钢为例： （1）马氏体开始分解（100～200℃）：
表面含C量和一定C浓度梯度
应用最广泛的一种化学热处理工艺。
目的： 高的表面硬度（HRC58~63），耐磨性 高的接触σ-１，弯曲σ-1 高的冲击韧性等。
应用： 适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲
应力和冲击载荷的机器零件 如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴既表面要
求高硬度，心部要求足够强度和韧性。 汽车、拖拉机、起重、坦克等设备中零件
80%以上
分类 依渗C剂 聚集状态 渗C方法可分为： 固体渗C、 液体渗C、 气体渗C（和特殊渗C）。
固体渗碳法示意图
泥封
盖
渗碳箱
试棒
零件 渗碳剂
液体渗C 盐浴 特点：加热速度快，加热均匀 缺点：多数盐浴有毒，
盐 浴 ： NaCN ， KCN ， （ 氯 化 物 ， 剧 毒 ） ， 用于小批量生产。
回火托氏体
（3）高温回火（500～650℃） 回火组织：回火索氏体：铁素体+细粒状渗碳体 力学性能：高的塑性、韧性，较低的屈服强度和
硬度。
回 火 索 氏 体
适用：① 主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构 钢制造的各种机械结构零部件
★结构钢淬火+高温回火，以获得良好的综合力学性 能为目的，称为调质处理，如发动机曲轴、连杆、 螺栓，机床主轴等要求综合机械性能零件。 40Cr
面产生一层致密保护膜
一、氧化处理
1、钢的氧化处理（发蓝、发黑） 基本方法：使钢表层在化学溶液中氧化形成Fe3O4
致密氧化膜。 作用：达到提高耐磨、耐蚀和装饰目的。
2、铝的氧化处理
基本方法：使铝在化学溶液中表层氧化形成Al2O3 致密氧化膜。
作用：提高耐磨、耐蚀性。
二、磷化处理 基本方法：使钢在磷酸盐溶液中表层形成磷酸盐
时效工艺分为： 人工时效：时效温度高、时间短，硬度低。 自然时效：时效温度低、时间长，硬度低。
屈 服 强 度 Mpa
时效时间 小时
Al-Cu合金的时效
5.7 钢的化学热处理
化学热处理：通过活性元素原子的吸收和扩散改 变钢的表层化学成分而改变钢的表层组织与性能 的热处理工艺。
常用：（1）提高硬度：渗碳、渗氮、渗硼等 （2）提高抗高温氧化性：渗铝、渗铬等 （3）提高抗腐蚀性：渗硅、渗氮等
0.5mm/20～50h ）
3、渗氮前热处理及组织 渗氮前热处理：调质 渗氮后组织：渗氮层：合金氮化物+回火索氏体
心部：回火索氏体 4、渗氮工序安排
下料→锻造→正火或回火→机加工（粗）→ 调质→渗氮 → 磨削
渗碳与渗氮的工艺特点
名称 渗碳
处理温度 (℃)
900～950
处理时 处理后是否需 间 ( h ) 要热处理
气体渗C 渗C气体可用碳氢化合物有机液体，
如：煤油、丙酮等直接滴入炉内汽化而得。 优点：生产率高，可机械化、自动化生产、
渗C层浓度可控制，渗C质量高。
气体渗碳法示意图
渗C用钢
含C量：0.15～0.25%，若心部要求强度较高，
含C可为0.30%。 低碳钢：要求不高时可用。 如：20钢 低碳合金钢：截面较大、形状复杂、表面耐磨性、 疲劳强度、心部机械性能要求高的零件
化学热处理三个过程： （1）活性原子产生 （2）活性原子被钢表面吸收 （3）活性原子由钢表面向心部扩散
含活性原 子的渗剂
钢
钢
渗剂分解释 放活性原子
活性原子在工 件表面吸附
活性原子由表 面向心部扩散
一、 钢的渗C（carburizing）
1、渗C的目的、分类及应用
定义—钢件
渗C介质 加热和保温，
膜。 作用：达到提高耐磨、耐蚀性。
第二节 电镀 基本方法：利用电化学反应，使工件表面在化学
溶液中镀上一层金属或金属复合膜。 作用：提高耐磨、耐蚀性，修复磨损零件，实现
表面装饰及其他目的。
第三节 气相沉积
基本方法：借助化学或物理的过程，使选定的金属、 或金属化合物等在工件表面沉积形成一层膜。 作用：提高耐磨、耐蚀性，实现表面装饰及其他目
φ12.5 冷却水
12.5 喷水管
样品台 试样 喷水
淬透性测试试验结果
试样上磨出一个平面 测出从底部到顶部的洛氏硬度值
洛 氏 硬 度 绘制出这样一张图
到试样底端的距离
钢的淬透性以 J HRC
d
来表示，如 J 42 ，表示距水冷端
5
5mm处，试样的硬度值为HRC42。
三、淬透性意义与选材 l 重要零件选高淬透性材料，保证表面和
二、渗氮
1、目的与用钢
目的：保持工件心部良好综合力学性能 （较高的强度和好的塑、韧性）的同时， 使工件具有高的表面耐磨性、红硬性（高 温硬度）、抗蚀性和疲劳强度。
适用钢：中碳合金钢
2、渗氮方法及参数 方法：气体、液体或固体渗氮 渗氮温度：500～600℃ 渗层厚度：0.15～0.7毫米 渗氮时间：10～100小时左右（ 0.3～
（1）低温回火（150～250℃）
回火组织：回火马氏体：碳过饱和度降低了的马
氏体 + 析出碳化物
力学性能：残余应力消除，
高硬度、高强度，较
低的塑性和韧性 回
火 马 氏 体
主要适用
高碳钢制造的各类工模具、机械零件（如轴承）
如锉刀 T12
160-180 ℃ ∽64HRC
渗C及CN共渗淬火后的零件
②高C高合金钢（如高速钢、 高铬钢）的回火T的高达 HRC
500～600℃，在这个T区
间里将发生二次硬化作 用。
560
T/ ℃
4、回火脆性
低温回火脆性：（第一类回火脆性）
250～350℃回火时韧性降低。
不可逆。 预防方法：回避在该温度回火
钢的韧性与回 火温度的关系
高温回火脆性：（第二类回火脆性）
3～9
需要
渗氮 500～600 20～50
不需要
三、碳、氮共渗 1、中温碳、氮共渗（氰化） 目的：提高表面硬度、疲劳强度和抗蚀性(表面 硬度和抗蚀性高于渗碳层)。 适用钢：中、低碳钢 氰化温度：800～860℃ 渗层厚度：0.1～0.75毫米 共渗时间：1～3小时 渗后热处理：淬火 + 低温回火