金属材料加工工艺

三、表面热处理
钢的化学热处理： 定义：把工件置于一定活性的介质中加热、保温，使介质分解 出活性元素渗入工件的表层，以改变表层的化学成分，从而使 表层与心部具有不同成分与组织性能的工艺方法，称为表面化 学热处理。 作用：a.强化表面，提高零件的某些机械性能， 如：表面硬度、耐磨性等； b.保护零件表面，提高某些零件的物理化学性能, 如：耐高温、耐腐蚀等。 分类：一般以渗入的元素来命名， 如：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硫、渗硼以及多元 共渗等；实际生产中常见：渗C、渗N、C-N共渗三种 基本原理： 分解→吸收→扩散 三个基本过程组成。
钢的表面热处理： 主要指钢的表面淬火。是通过对钢表面进行快速加热后，使 表层获得奥氏体组织，然后迅速冷却，使表层获得马氏体组织 而心部仍保持淬火前组织状态的一种热处理工艺方法。 常用方法： 感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬 火、电解加热表面淬火。生产中广泛应用的是感应加热表面淬 火和火焰加热表面淬火。 新发展起来的激光淬火、电子束淬火等。
2.4.1 概述
2.4.1 概述
钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。根据现行标准，各质量 等级钢的磷、硫含量如下：
2.4.1 概述
2.4.2 钢材的分类
工程中使用的钢铁材料，绝大多数都是经过轧制而得到的各 种形状和尺寸的 钢材。因为使用目的不同，钢材的种类很多， 一般按其外形分为型材、板材、管材、钢丝四大类。为了便于 生产、管理、订货和经销工作的进行，目前我国将上述四大类 钢材又具体分为十五大品种，详细说明见下表所列。
金属材料表面处理与装饰技术一般具有双重作用和功效。金 属材料表面处理及装饰的功效一方面是保护产品，即保护材质 表面所具有的光泽、色彩和肌理等而呈现出的外观美，并延长 产品的使用寿命，有效地利用材料资源；另一方面起到美化、 装饰产品的作用，使产品高雅含蓄，表面有更丰富的色彩、光 泽变化，更有节奏感和时代特征，从而有利于提高产品的商品 价值和竞争力。
气体渗碳（氮）示意图
碳氮共渗示意图
四、特殊热处理
随着工业及科学技术的发展，热处理工艺在不断改进，尤其 是近20多年发展了许多新的热处理工艺，如真空热处理、可控 气氛热处理、形变热处理、气相沉积和离子注如入等。 特殊热处理是利用一些特殊工艺方法进行热处理，通常有形 变热处理、磁场热处理等。
2.3.6 金属的表面处理技术
三、表面热处理
③ 碳氮共渗。碳氮共渗是向钢件表面同时渗入碳和氮原子 的化学热处理工艺，俗称氰化。目前生产上常用的方法有中温 气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗两种。中温气体碳氮共渗以 渗碳作用为主，还需进行淬火、低温回火处理；低温气体碳氮 共渗以渗氮作用为主。氰化处理，适于中、低碳钢或合金钢的 表面强化处理。
2.4.1 概述
⑵ 气体氢的影响 氢在钢中的严重危害是造成白点，这是一种银白色斑点，实 际上是一种微裂纹。它使钢的塑性、韧性急剧下降，导致钢件 淬火时开裂或使用时发生突然断裂，因此十分危险。 ⑶ 非金属夹杂物的影响 钢中非金属夹杂物的存在，将降低钢的塑性，且常为冲击破 坏和疲劳破坏的裂纹源。 为获得高质量的钢，可采用真空电弧炉、电渣重熔炉对钢进 行重熔，以进一步降低各种杂质的含量。
类别 钢坯、钢锭
品种 重轨 轻轨
说明 加工其他类型钢材的原材料 每米重量大于24公斤的钢轨 每米重量等于或小于24公斤的钢轨 包括大、中、小号的圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、角钢、门窗型钢等。 可根据需要轧制各种断面形状的薄壁、多角度弯曲的型钢，广泛用于大型构件和壳体的成 型或造型，制作骨架或加强筋。 直径在5～9mm的轧制圆钢 规格为宽500～1500mm，长500～4000mm，分冷轧或热轧特厚钢板（厚度大于60mm）、厚 钢板（厚4～60mm）、薄钢板（厚0.2～4mm）。 热轧钢带厚2～6mm，宽为20～300mm，长度不小于4000mm，成卷供应。 冷轧钢带厚0.05～3mm，宽为5～200mm，长度不小于4000mm，成卷供应。 表面镀覆锌、锡、铬、铝等金属保护层或涂敷有机涂层等非金属保护层的低碳钢钢板，具 有良好的深冲压性、耐腐蚀性和外观装饰性。 镀锌钢板-----俗称白铁皮，耐腐蚀 镀锡钢板-----俗称马口铁，金属表面光泽感强，耐腐蚀、易焊接，表面可进行彩色印刷。常 用来制造罐头盒，食品容器等。 镀铝钢板-----具有良好的抗高温氧化性，耐多种介质腐蚀。 有机涂层钢板-----既有钢板的强度，又有良好的耐腐蚀性、耐擦洗性及耐久性。表面可制成 不同色彩及花纹图案，装饰性极强，故称彩色钢板。 表面带有凹凸花纹的钢板，花纹主要起防滑及装饰作用。 强度比焊缝钢管好，成本高。 规格以外径×壁厚表示，断面形状有圆形、方 形、椭圆型、半圆形、六角内圆形等。 属主要经济钢材之一，具有较高的性价比。 分普通钢丝、电工钢丝、纺织业钢丝、弹簧钢丝、钢绳钢丝等。 钢丝绳、钢丝网、钢刺线等。
一、金属材料的表面装饰技术
金属材料表面装饰技术是保护和美化产品外观的手段，主要 分为表面着色工艺和肌理工艺。 金属表面着色工艺是采用化学、电解、物理、机械、热处理 等方法，使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。 ①化学着色：在特定的溶液中，通过金属表面与溶液发生化 学反应，在金属表面生成带色的基体金属化合物膜层曲方法。 ②电解着色：在特定的溶液中，通过电解处理方法，使金属
三、表面热处理
① 感应加热表面淬火 由于感应加热和相变的速度极快，与普通淬火相比，淬火后 晶粒细小、硬度高、脆性低、变形小，且加热温度和淬硬层厚 度便于调节控制，易于实现机械化和自动化，生产效率高。 ② 火焰加热表面淬火 和感应加热表面淬火相比，火焰加热表面淬火所用设备简单 ，投资少，但是加热时易产生过热，淬火质量不稳定。 适于用表面热处理方法进行表面强化的钢材为中碳钢和中碳 合金钢。
2.4.1 概述
因此硫和磷是钢中的有害元素，应予严格限制。生产上根据 钢中S、P含量，把钢分为普通钢(Ws≤0.055%、Wp≤0.045%)、 优质钢(Ws、Wp≤0.040%)、高级优质钢(Ws≤0.030%、 Wp≤0.035%)。 硫、磷虽是有害元素，但在某些情况下却有有益的一面，如 硫与锰同时加入钢中，形成的MnS会使切削时易于断屑，这种 钢称易切削钢。含磷和铜的低碳钢可以提高钢在大气中的耐蚀 性。
表面发生反应而生成带色 膜层。
③阳极氧化染色：在特定的溶液中，以化学或电解的方法对 金属进行处理，生成能吸附染料的膜层，在染料作用下着色，
或使金属与染料微粒共析形成复合带色镀层。
1、金属表面着色工艺
④镀覆着色：采用电镀、化学镀、真空蒸发沉积度和气相镀 等方法，在金属表面沉积金属、金属氧化物或合金等，形成均 匀膜层。 ⑤涂覆着色：采用浸涂、刷涂、喷涂等方法，在金属表面涂 覆有机涂层。 ⑥珐琅着色：在金属表面覆盖玻璃质材料，经高温烧制形成 膜层。 ⑦热处理着色：利用加热的方法，使金属表面形成带色氧化 膜。 ⑧传统着色技术：包括做假锈、汞齐镀、热浸镀锡、鎏金、 鎏银以及亮斑等。
三、表面热处理
对于承受弯曲、扭转、冲击等动载荷，同时又承受强烈摩擦 的零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等，一般要求表面具有高的强 度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则应具有良好的综合机 械性能。 为了满足这种要求，可采用表面强化技术，使材料表面得到 强化。
主要方法包括：a.表面热处理
b.化学热处理
三、表面热处理
2.4.1 概述
由于炼钢原料中存在许多杂质，虽然在炼钢时尽力设法去除， 但仍不可避免会有一些物质从炉壁、炉渣、大气等混入钢液。 因此钢中总含有Mn、Si、S、P等杂质元素和气体(O2、H2等)、 非金属夹杂物(硅酸盐、A12O3等)，这必然会影响钢的质量。 ⑴ 杂质S、P的影响 钢中作为杂质存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。锰和硅 一般是为脱氧加入钢中的，它对钢的力学性能有提高作用，而 且锰还能脱硫，故为有益元素。 硫和磷是随炼钢原材料进入钢中的。硫与铁形成化合物FeS， FeS又与Fe形成低熔点共晶，当钢进行加热时，会因共晶体熔化 而脆化开裂，这称“热脆”。磷溶于铁素体会导致钢在低温时 的塑性、韧性急剧下降，这称“冷脆”。
表面蚀刻处理的餐具 具体方法如下： 首先在金属表面涂上一层沥青，接着将设计好的纹饰在沥青的表面 刻画，将需腐蚀部分的金属露出。下面就可以进行腐蚀了，腐蚀可以视 作品的大小，选择进入化学酸溶液内腐蚀和喷刷溶液腐蚀。一般来说， 小型作品选择浸入式腐蚀。化学酸具有极强的腐蚀性，在进行腐蚀操作 时一定要注意安全保护。
1、金属表面肌理工艺
金属表面肌理工艺是通过锻打、刻划、打磨、腐蚀等工艺在 金属表面制作出肌理效果。 ①表面锻打：使用不同形状的锤头在金属表面进行锻打，从 而形成不同形状的点状肌理，层层叠叠，十分具有装饰性。 ②表面抛光：利用机械或手工以研磨材料将金属表面磨光的 方法。表面抛光又有磨光、镜面、丝光、喷砂等效果。 ③表面镶嵌：在金属表面刻画出阴纹，嵌入金银丝或金银片 等质地较软的金属材料，然后打磨平整。呈现纤巧华美的装 饰 效果。 ④表面蚀刻：是使用化学酸进行腐蚀而得到的一种斑驳、沧 桑的装饰效果。
型材
型钢 冷弯型钢 线材 钢板 钢带
板材 覆层钢板
花纹钢板 无缝钢管 管材 钢丝及其制 品 焊缝钢管 钢丝 钢丝制品
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4.2 钢材的分类（型材）
型材是钢材中型、板、管、丝四类中极重要的一类，也是数 量最大的一类，它包括十五大品种中的重轨、轻轨、普通大、 中、小型型钢、线材、优质型钢和其它钢材等八个大品种，其 具体规格更为繁多。 ⑴ 普通型钢 普通型钢的品种规格很多，按其断面形状，可分为圆钢、方 钢、扁钢、六角和八角钢、工字钢、槽钢、等边和不等边角钢 等。各种型钢的规格，通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸 来表示。异型型钢无统一的规格表示方法，有的用型号表示， 有的用断面面积表示。普通型钢的用量最大，用途也最广，它 们主要用于制造各种建筑结构、桥梁、车辆、船舶以及一般的 机械零件和壳体零件的骨架等。
一、金属材料的表面前处理
在对金属材料或制品进行表面处理之前，应有前处理或预处 理工序，以使金属材料或制品的表面达到可以进行表面处理的 状态。 金属制品表面的前处理工艺和方法很多，其中主要包括有金 属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。 机械处理：通过切削、研磨、喷砂等加工清理制品表面的锈 蚀及氧化皮等，将表面加工成平滑或具有凹凸模样； 化学处理：主要是清理制品表面的油污、锈蚀及氧化皮等； 电化学处理：主要用以强化化学除油和浸蚀的过程，有时也 可用于弱浸蚀时活化金属制品的表面状态。
2.4 常用的黑色金属
金属种类繁多，通常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。 黑色金属包括铁、锰、铬及它们的合金。工业产品设计中，应 用最广泛的金属材料主要是钢铁材料。钢是以铁碳合金为主要 构成，它包括碳素钢及合金钢两大类。
2.4.1 概述
自然界中，铁很少以纯铁状态出现，而是以称为铁矿石的化 合物形式出现。因此，钢的制取较复杂：先要将铁矿石在高炉 中用碳或一氧化碳还原得到生铁(C>2.11%)，这一过程称铁的 冶炼。然后将生铁与废钢在炼钢炉中炼成钢，这一过程称钢的 冶炼。常用的炼钢炉有平炉、转炉、电弧炉、电渣重熔炉等。 钢按脱氧程度不同，可分为镇静钢和沸腾钢。脱氧相当完全 的钢称镇静钢。这种钢组织致密，成分均匀，力学性能较好， 因此合金钢和许多碳钢是镇静钢。脱氧不完全的钢称沸腾钢。 这种钢凝固前将发生氧-碳反应，生成大量的CO气泡，引起钢水 沸腾。与镇静钢相比，其成分、性能不均匀，强度也较低，不 适于制造重要零件。
三、表面热处理
① 渗碳。渗碳是目前机械制造业中应用最广泛的一种化学 热处理方法。其工艺特点就是把钢件置于渗碳介质中去，加热 到900～950℃高温，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的 活性碳原子渗入到钢件表层，从而获得表层高碳、心部仍保持 原有成分的热处理工艺，按渗碳介质的不同，渗碳工艺分为固 体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。其中气体渗碳方法应用广 泛。 ② 渗氮。渗氮是把钢件置于渗氮介质中，加热到规定温度 ，保温足够时间后，渗氮介质中分解出的活性氮原子渗入到钢 件表层，从而提高工件表层的硬度、耐磨性、耐蚀性的一种化 学热处理方法。根据渗氮的目的不同，渗氮可分为耐磨渗氮和 耐蚀渗氮二种。一般耐磨渗氮的温度为500～570℃，渗氮层深 度为0.15～0.75mm；耐蚀渗氮的温度为590℃左右，渗氮层深度 极薄。与渗碳相比，渗氮温度低，工件变形小，但渗氮时间长 ，成本高，氮化层薄而脆。