第2章 金属热处理

第2章金属热处理和表面改性学习目标了解金属热处理和表面改性的目的掌握整体热处理中退火、正火、淬火和回火的工艺方法和应用了解常用表面热处理的方法了解常用表面改性的技术方法内容提要本章重点介绍了退火、正火、淬火和回火的工艺原理和应用，简要介绍了表面淬火和化学热处理的工艺方法和应用，探讨了表面改性技术的基本知识。

2.1 概述热处理是将金属材料在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。

在机械制造中，热处理起着十分重要的作用，是零件的制造工艺中一道重要的工序，如在汽车、拖拉机制造中有70%-80%的零件需经热处理。

运用热处理工艺可进一步提高金属材料的性能，保证产品的质量，延长产品的使用寿命，充分挖掘钢材的潜力。

钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。

虽然热处理方法较多，但其过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。

它们都可以通过热处理工艺曲线表示，见图2.1。

图2.1 钢热处理工艺规范曲线2.2 退火与正火2.2.1 退火退火是将工件加热到一定温度，保持一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。

退火的目的是：降低硬度，改善切削加工性能；细化晶粒、改善组织，提高力学性能；消除内应力，并为后续热处理作好组织准备。

在生产中，退火工艺根据退火目的的不同，常用的有以下三种：完全退火、球化退火和去应力退火。

退火最常用的是电阻炉，电阻炉有箱式电阻炉和井式电阻炉，见图2.2和图2.3。

实际操作时必须注意以下几点：（１）退火时加热温度要准确。

因为温度过高会造成过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷；温度过低，达不到退火的目的。

（２）工件装炉时要注意工件的放置方法。

如对于细长工件的稳定尺寸退火，一定要在井式炉中垂直吊置，以防工件由于自身重量所引起的变形。

（３）装炉和出炉时注意不要触碰电阻丝，以免短路。

图2.2 箱式电阻炉图2.3 井式电阻炉1-热电偶 2-炉壳 3-炉门 4-电热元件 1-升降机构 2-炉盖 3-风扇 4-工件 5-炉体5-炉膛 6-耐火砖 6-炉膛 7-电热元件 8-装料筐2.2.2 正火正火是将工件加热到一定温度(780—920℃)，保温后空气中冷却的热处理工艺。

正火的冷却速度要比退火快，所获得的组织比退火更细，因此强度和硬度有所提高。

对于低碳钢工件，正火可以提高硬度，使其具有良好的切削加工性能；而对于中碳钢和高碳钢，因正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺，但对于中碳钢小型工件用正火代替退火可以节能；对于比较重要的零件，正火可以作为淬火前的预备热处理；对于性能要求不高的碳钢工件，正火也可作为最终热处理。

示范和实践内容：（1）正火的装炉方式、加热速度、保温时间的选择与控制与退火同，但加热温度和冷却方式不同。

（2）正火除空冷外，还可采用风冷(如风扇吹)、喷雾冷却等。

2.3 淬火与回火2.3.1 淬火淬火是将工件加热到某一温度，保温一定时间，然后在水或油中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。

淬火的主要目的是提高钢的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火后获得高硬度与一定韧性相结合的性能。

淬火的冷却速度主要取决于淬火剂，常用的淬火剂有水、油等。

淬火后，一般要经回火后才能使用。

示范和实践内容：（１）热处理操作前，有些工件需要进行正确捆扎，错误的捆扎会使加热后的工件因自重将孔拉长变形，见图2.4。

（２）加热时温度必须选择恰当，选择时依据不同的工件材料而定。

（３）根据工件的技术要求，选择合适的加热设备。

常用的加热设备有电阻炉、盐浴炉等。

（4）根据工件几何形状和尺寸大小，装炉方式、加热设备，选择适当的加热保温时间。

（５）选择适当的淬火剂，水作为淬火剂，适用于一般碳钢的淬火，向水中加入少量盐，还可进一步提高其冷却能力；油作为淬火剂，适用于合金钢淬火或双液淬火。

（６）要注意工件浸入淬火剂的方式，若浸入方式不正确，可能会造成极大内应力，甚至使工件发生变形和开裂，或产生局部淬不硬等缺陷。

例如，厚薄不匀的工件，厚的部分应先浸入淬火剂中；细长的工件应垂直地浸入淬火剂中；薄而平的工件必须立着放入淬火剂中；薄壁环状工件，浸入淬火剂时，它的轴线必须垂直于液面；截面不匀的工件应斜着放下去，使工件各部分的冷却速度趋于一致等。

各种不同形状的工件在淬火时浸入的方式见图2.5。

图2. 4 热处理工件捆扎法图2. 5 工件浸入淬火剂的正确方法2.3.2回火将淬火后的工件重新加热到某一温度，经保温后在油中或空气中冷却的操作称回火。

回火的目的是减少或消除工件在淬火时所形成的内应力，降低淬火钢的脆性，调整工件的力学性能，稳定工件尺寸。

回火操作主要是控制回火温度，回火温度越高，工件的韧性愈好，内应力愈小，但硬度和强度下降得愈多。

根据回火时加热温度不同，可分为以下三种：１.低温回火回火温度150—250℃，其主要目的是为了减少工件淬火后的内应力和脆性，而保持钢在淬火后得到的高硬度和高耐磨性。

低温回火适用于刃具、量具、冷冲模具和滚动轴承等。

２. 中温回火回火温度为350—500℃，其主要的目的是提高钢的弹性屈服极限，大大减少工件的内应力，同时又具有一定的韧性和硬度。

它一般适用于热锻模、弹簧等热处理。

３. 高温回火回火温度为500—650℃，习惯上把淬火加高温回火称为调质，其主要目的是为了获得既有一定的强度和硬度，又有良好的塑性和韧性相配合的综合力学性能。

它广泛用于中碳钢、合金钢制造的重要结构零件如轴、齿轮、连杆等的热处理。

示范和实践内容：（１）回火时加热温度要选择适当，保温时间的确定，其基本原则是保证热透并且组织充分转变，但不得少于半小时。

（２）回火后冷却一般对性能影响不大，大多采用空冷，但重要的工件，为了防止产生应力可缓冷，特别是某些含有硅、锰、鉻等元素的合金钢，为了避免回火脆性，往往要求快冷(水冷或油冷)，为消除内应力再补充低温回火。

2.4 表面热处理某些零件的使用要求是表面应具有高硬度、高强度、高耐磨性和抗疲劳性能，而心部保持一定的强度、硬度条件下应具有足够的塑性和韧性，这就需要采用表面热处理的方法。

表面热处理在生产实践中应用较广泛的是表面淬火和化学热处理。

2.4.1 表面淬火钢的表面淬火是通过快速加热，将钢件表面层迅速加热到淬火温度，然后快速冷却下来的热处理工艺。

表面淬火主要适用于中碳钢和中碳低合金钢如45、40Cr等。

通常，工件在表面淬火前均须进行正火或调质处理。

这样，不仅可以保证其表面的高硬度和高耐磨性，而且可以保证心部的强度和韧性。

表面淬火通常采用电感应加热和火焰加热两种，实际生产中最常用的是电感应加热。

感应加热表面淬火见图2. 6所示。

图2.6 感应加热表面淬火示意图示范和实践内容：（１）感应加热淬火前须进行调质处理。

（２）根据工件的形状和大小选择一个合适的感应圈。

（３）淬火后工件要及时回火。

2.4.2 化学热处理化学热处理是将工件置于某种化学活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表面，改变其化学成分，达到改变表面组织和性能的热处理工艺。

根据渗入元素的不同，化学热处理的种类有渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。

目前，工业生产上最常用的是渗碳、氮化和碳氮共渗这三种。

渗碳是将低碳钢制工件放入高碳介质中加热、保温，以获得高碳表层的化学热处理工艺。

钢件渗碳后，尚需进行淬火和低温回火，使表面具有高硬度、高耐磨性，而心部却保持良好的塑性和韧性。

渗碳适用于高速齿轮、凸轮等。

常用的渗碳材料有15、20、20Cr、20CrMnTi 等。

气体渗碳炉见图2. 7。

渗氮是将工件放入高氮介质中加热、保温以获得高氮表层的化学热处理工艺，又称氮化。

氮化后，零件表面形成一层氮化物，不需淬火便具有高的硬度、耐磨性、抗疲劳性和一定的耐蚀性，而且变形很小。

氮化广泛用于精密量具、高精度镗床主轴等。

最常用的氮化钢是38CrMoAl.。

碳氮共渗是使工件表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺，又称氰化。

目前应用较多的是气体碳氮共渗，它包括高温碳氮共渗和低温碳氮共渗。

高温碳氮共渗以渗碳为主，处理后再进行淬火和低温回火；低温碳氮共渗以渗氮为主。

碳氮共渗用的主要产品是渗碳钢如20CrMnTi等。

图2. 7 气体渗碳炉示意图1-风扇 2-炉盖升降机构 3-滴量器 4-废气引出管 5-炉盖6-炉罐 7-炉膛 8-工件挂具 9-工件 10-电热元件 11-炉体示范和实践内容：（１）装炉前工件表面上的油污、污物、氧化皮、锈斑等有害物质要清理干净。

（２）装炉时，工件之间的距离要保持适当，以保证气氛流通和温度均匀。

（３）严格按照工艺要求控制温度、时间、渗剂流量。

（４）要及时检查试样处理情况。

（５）一炉工件处理完毕要抽查工件的硬度、金相组织和渗层深度。

2.5 金属表面改性表面改性是利用各种物理、化学或机械的方法，使金属获得特殊的成分、组织结构和性能的表面，以提高金属的使用寿命的技术2.5.1 零件的表面氧化处理零件的氧化处理是指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理,使其表面生成一层均匀的蓝黑色或黑色膜层的过程,也称钢铁的“发蓝”或“发黑”。

发黑方法采用含有亚硝酸钠的浓碱性处理液,在140℃左右的温度下处理15min～90min,高温化学氧化得到的是以磁性氧化铁（Fe3O4）为主的氧化膜，膜厚一般只有0.5µm～1.5µm，最厚可达2.5µm。

氧化膜具有较好的吸附性，将氧化膜浸油或作其他处理，其耐蚀性可大大提高。

由于氧化膜很薄，对零件尺寸和精度几乎沒有影响，因此在精密仪器、光学仪器、武器及机械制造业中得到广泛应用。

钢铁零件的表面氧化处理工艺见表2.1。

表2.1 钢铁零件表面氧化工艺2.5.2 零件的表面镀镍处理用还原剂将镀液中的镍离子还原为金属镍并沉积到钢铁零件上面的方法称为镀镍。

以次磷酸盐为还原剂的表面镀镍溶液有两种类型：酸性镀液和碱性镀液。

酸性镀液的特点是溶液比较稳定易于控制，沉积速度较快，镀层中磷的质量分数较高（２％－11％）。

碱性镀液中的PH值范围比较宽，镀层中磷的质量分数较低（3％－7％），但镀液对杂质比较敏感，稳定性较差，难维护，所以这类镀液不常用。

表2.2列出了这两种镀液的典型工艺规范。

表2.2 次磷酸钠镀镍工艺规范2.5.3 零件的表面磷化处理把金属放入含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护层的方法，称为金属的磷酸盐处理，简称磷化。

磷化膜层为微孔结构，与基体结合牢固，具有良好的吸附性、润滑性、耐蚀性、不粘附熔融金属（Sn、Al、Zn）性及较高的电绝缘性等。

磷化膜主要用在涂料的底层，金属加工的润滑层、金属表面保护层以及用作电机硅钢片的绝缘处理，压铸模具的防粘处理等。

磷化膜厚度一般为5μm～20μm。

磷化处理所需设备简单，操作方便，成本低，生产效率高，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、机械制造及家电等工业生产中。