热处理与表面处理

热处理与表面处理

1、概述

将原材料或半成品置于空气或特定介质中，用适当方式进行加热、保温和冷却，使之获得人们所需要的力学或工艺性能的工艺方法，称为热处理。按其特点，可分为一般热处理、化学热处理和表面热处理三种。 1.1热处理的工艺特点和处理目的 （1）一般热处理

1）工艺特点、处理目的和应用 类别 退 火 工艺特点 将工件加热到一定温度（相变或不相变)保温后缓冷下来,或通过相变以获得珠光体型组织,或不发生相变的消除应力降低硬度的一种热处理方法。 目的和应用 1、降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能或压力加工性能； 2、经相变退火提高成分和组织的均匀性、改善加工工艺性能，并为下道工序作准备； 3、消除铸、锻、焊、扎冷加工等所产生的内应力。 调整钢件的硬度、细化组织及消除网状碳化物，并为淬火作好组织准备。其主要应用如下： 1、用于含碳量低于0.25%的低碳钢工件,使得到量多且细小的珠光体组织,提高硬度,从而改善其切削加工性能; 2、消除过共析钢中网状渗碳体为球化退火作准备; 3、作为中碳钢合金结构钢淬火前的预先处理，以减少淬火缺陷; 4、作为要求不高的普通结构件的最终热处理; 5、用于淬火返修件消除内应力和细化组织以防重淬火时产生变形与开裂。 正 火 一般将钢件加热到临界温度Ac3或Accm＋40~60℃，保温一定时间，达到完全奥氏体化和均匀化，然后在自然流通的空气中均匀冷却。大件正火也可采用风冷、喷雾冷却等以获得正火均匀的效果。 淬 火 回 火 将工件加热至Ac3或Ac1＋1、提高硬度和耐磨性; 20~30℃，保温一定时间而后快速冷却，2、淬火后经中温或高温回火，可获获得均匀细小的马氏组织或均匀细小得良好的综合机械性能。 马氏体和粒状渗碳体混合组织。 将淬火后的工件重新加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，然后取出以一定方式冷却下来。 1、降低脆性，消除内应力，减少工件的变形和开裂。 2、调整硬度、提高塑性和韧性获得工件所要求的机械性能。 3、稳定工件尺寸。

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类别 回 火 低 温 回 火 中 温 回 火 高 温 回 火 工艺特点 目的和应用 回火温度为150℃~250℃ 降性脆性和内应力的同时，保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性。主要用于各种工具、模具、滚动轴承以及渗碳或表面淬火的零件。 回火温度为350℃~500℃ 在保持一定韧性的条件下提高弹性和屈服强度，主要用于各种弹簧、锻模、冲击工具和某些要求高强度的零件。 回火温度为500℃可获得强度、塑性、韧性都较好的综~650℃，回火后获得索氏体组合机械性能。广泛用于各种较为重要的结织。一般为惯称为调质处理。 构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴，不但可作为这些重要零件的最终处理，而且还常可作为某些精密零件如丝杆等的预先热处理，以减小最终热处理中的变形，并为获得较好的最终性能提供组织基础。 可提高工件硬度、抗拉强度和稳定工件尺寸。主要用于合金钢制成的精密刀具、量具和精密零件，如量块、量规、铰刀、样板、高精度丝杠、齿轮等，还可使磁钢更好地保持磁性。 冷 处 理 将淬火后的工件，在零度以下的低温介质中继续冷却，一般冷到零下60℃~80℃，待工件截面冷到温度均匀一致后，取出空冷。 2）具体材料的热处理温度和所得到的硬度，这里不一一例举，可参见有关热处理的专业手册，或机械加工工艺手册的热处理章节。 （2）化学热处理

将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面的工艺，称化学热处理。如：渗碳和渗氮。

类别 渗 碳 工艺特点 将低碳或中碳钢工件放入渗碳介质中加热及保温，使工件表面层增碳，经渗碳的工件必须进行淬火和低温回火，使工件表面渗碳层获得回火马氏体组织。 当渗碳件的某些部位不允许高硬度时，则可在渗碳前采取防渗措施，即在渗前对防渗部位进行镀铜或敷以防渗涂料，并根据需要在淬火后进行局部退火软化处理。 目的和应用 增加钢件表面硬度，提高其耐磨怀和疲劳强度，并同时保持心部原材料所具有的韧性，适用于中小型零件和大型重负荷、受冲击，要求耐磨的零件，如：齿轮、轴等。 第2页 共6页

类别 渗 氮 工艺特点 向工件表面渗入氮原子形成氮化层的过程。 为了保证工件心部获得必要的机械性能，需要在渗氮前进行调质处理，使心部获得索氏体组织，同时为了减少在渗氮中变形，在切削加工后，一般需要进行消除应力的高温回火。 渗氮分气体渗氮和液体渗氮，目前广泛应用气体渗氮。按用途还可分强化渗氮和抗蚀渗氮。 当工件只需要局部渗氮，可将不需要的部位预先镀锡（用于结构钢工件），或镀镍（用于不锈钢工件），或采用涂料法，或进行磷化处理。 目的和应用 提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度（实现这两个目的的为了强化渗氮）以及抗蚀能力（抗蚀渗氮）。 强化渗氮用钢通常是用含有A1、Cr、Mo等金属，如（38 CrMo A1A目前专用可渗氮的钢种），其他如40Cr、35CrMo、42CrMo、50CrV、12Cr2Ni4A等钢种，用Cr-AL-Mo钢渗氮得到的硬度比Cr-Mo-V钢渗碳的高，但其韧性不如后者。 抗蚀渗氮常用材料是碳钢和铸铁。 渗氮层厚度根据渗氮工艺性和使用性能，一般不超过0.6～0.7mm。 渗氮广泛用于各种高速传动精密齿轮、高精度机床主轴，如镗杆磨床主轴;在变向负荷工作条件下要求很高疲劳强度的零件，如高速柴油机轴及要求变形很高和一定抗热、耐蚀工作环境的耐磨零件，如发动机的气缸阀门等。 （3）表面热处理

快速加热工件，使表面组织迅速相变，转变成奥氏体，经淬火冷却，使表面淬硬而心部仍保持材料的原有性能，称表面热处理。 类别 感 应 加 工 型 工艺特点 目的和应用 将工件的整体或局部置入感应器中 ，由较大地提高零件的扭转和弯曲于高频电流的集肤效应，使零件相应部位由表疲劳强度和表面的耐磨性。 面向内加热、升温使表层一定深度组织转变成汽车拖拉机零件采用感应加热奥氏体然后再迅速淬硬的工艺。 淬火的范围很广，如曲轴、凸轮轴、根据零件材料的特性选择淬火冷却介质。 主轴、球销等。 感应加热淬火件变形小、节能、成本低、劳动生产率高、淬火机可放在冷加工生产线上，便于生产管理。 1.2热处理对钢铁材料地切削加工性能的影响 （1）复杂性：①工艺类别

②装备水平

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③刀具结构

④选择的工艺参数 ⑤冷却液性能

（2）规律性：降低材料硬度、均匀组织，提高切削脆性是改善材料加工性能的重要措施。 2、热处理变形

工件的热处理变形产生于外力的作用和内应力状态的变化。外力是指工件在热处理加热过程中由于自重、摆放方法不当或其他外部加载的力量。内应力是指工件在热处理过程中，由于热胀冷缩和组织转变不均匀性引起的工件内部应力。不同部位热胀冷缩的不均匀性所产生的内应力称为热应力，组织转变不均匀性产生的内应力称为组织应力。

无论是外力或是内应力，都要引起工件的变形。当应力超过材料的屈服点时，就会产生塑性变形或称永久变形。 2.1变形的类型

三种：即体积、形状和翘曲变形。而具体到一个工件上，往往显示出三种类型的综合交叉形式。

2.2影响工件热处理变形的主要因素、表现形式和解决措施。 类别 原 材 料 主要因素 热处理前材料的残余应力（加工应力）。 材料组织不均匀、成分偏析或局部脱碳。 表现形式 解决措施 热处理加热时由于采取热前消除应力的释放的不均衡产生变形。 措施。 淬火时由于成分不均造成相变不均衡，各部位胀缩不一致引起。 严格控制原材料（或半成品）的供货技术状态，减少材料缺陷。 高碳钢材料的带状碳化物。 热 处 理 工 艺 因 素 热 处 理 工 艺 因 素 加热时摆放不当，工件受外力或自重的影响。 淬火后与带状组织可通过锻造消除碳化相平行的方向容易伸长。 物，适当提高淬火加热温度，促使碳化物溶解。 沿受力方向变形或翘曲。 改善装料方法，减少热态受力。 矫直后进行消除应力处理。 工件经矫直，保留弹性由于弹后效应、矫直变形，内部存在残余应力。 后工件一段较长的时间内恢复到弹性变形前的状态形成变形。 淬火后回火不是，马氏体组织不稳定。 随时间变化碳从过淬火后应回火充分，使饱和的马氏体固溶体中马氏体稳定。 析出何种收缩造成变形。 随时间变化，残余奥氏体逐步转变成马氏体或贝氏体，比容增大，造成何种和尺寸加大工件失去精度。 对精度要求高的工件，热处理要严格控制，残余奥氏体数量，必要时进行冷处理。 淬火后材料的残余奥氏体数量过多。 第4页 共6页

类别 产 品 工 艺 性 主要因素 产品设计结构不利于热处理均匀加热和冷却，如相邻部位截面变化或形状不对称。 表现形式 解决措施 不均衡的热应力和1、根据可能改善产品组织应力造成工件变形。 设计结构的工艺性; 2、热后矫正变形; 3、精密件矫正后进行去除应力处理; 4、利用相变超塑化的特性进行加压淬火或加压回火，提高工件尺寸稳定性，保持较好的精度。 高精度工件采用淬选择淬透性较高、淬火透性底的快冷淬火材料、变形小的材料。 热处理时变形大。 尺寸的改变包括长度的伸缩、直径、角度、锥度的变化、距离的改变，螺距的变化、齿轮齿白、压力角、按能量及其其他各种规律性的变形。 大量投产之前应进行各种工艺和材料试验，找出热处理变化规律、提出热前加工尺寸的预补偿或热后修正。 产品结构、精度要求和选择的材料不适应。 产 品 与 材 料 特 性 对某种结构工件，按材料特性，经热处理都要产生各自的规律性尺寸变化。 3、金属表面处理

表面处理一般指化学处理、电化学处理、物理处理及机械处理等方法，通过使用金属表面生成一层金属或非金属覆盖层，用以提高金属工件的防蚀、装饰、耐磨或其他功能。 3.1电镀是一种在工件表面通过电沉积的方法生成金属覆盖层，使获得装饰、防腐及某些特殊性能的工艺方法。 3.2镀层的选择 镀层用途 防止火气腐蚀 基体材料 钢、铁 铝及其合金 镁及其合金 锌合金 铜及其合金 钢 钢 钢 钢 钢、铁 钢、铁、铜及其合金 提高减磨性能 提高反光性能 钢 钢、铜及其合金 镀铅、银、铟 镀银、铜-镍-铬 电镀类别 镀锌、磷化、氧气 阳极氧化 化学氧化 防护装饰镀铬 镀锡、镍 镀铬 镀铅 镀铜 镀锡 镀铬 镀铬、铁、镀铜 防止海水腐蚀 防止硫酸、硫酸盐、硫化物作用 防止渗碳 防止渗氮 防止磨擦表面的机械磨损 修复尺寸 第5页 共6页

提高导电性能 提高钎焊性 防腐装饰性 黄铜 钢、黄铜 钢、铁、铜、锌合金、铅及其合金 镀银 镀铜、镀锡 防护装饰镀铬阳极氧化处理 3.3化学镀

化学镀是借助于溶液中的还原剂使金属离子被还原成金属状态，并沉积在工件表面上的一种镀覆方法，其优点是任何外形复杂的工件都可获得厚度均匀的镀层、镀层改密、孔隙小，并有较高的硬度，常用的有化学镀铜和化学镀镍。

化学镀的类别和用途

类别 化学镀铜 用途 1．作为塑料制品装饰镀铬的化学金属化镀层； 2．作印刷线路板孔内表面的化学金属化镀层。 1．用于要求尺寸精确，均匀、良好防蚀性及良好耐磨性的零件； 2、用于塑料制品装饰镀铬的金属化镀层 厚度（um） 1~2 2~4 化学镀镍 30 2~4

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