表面热处理及化学热处理

第4章热处理工艺热处理工艺种类很多，大体上可分为普通热处理（或叫整体热处理），表面热处理，化学热处理，特殊热处理等。

4.1钢的普通热处理4.1.1退火将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），的热处理工艺叫做退火。

退火的实质是将钢加热到奥氏体化后进行珠光体转变，退火后的组织是接近平衡后的组织。

退火的目的：z降低钢的硬度，提高塑性，便于机加工和冷变形加工；z均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，改善钢的性能或为淬火作组织准备；z消除内应力和加工硬化，以防变形和开裂。

退火和正火主要用于预备热处理，对于受力不大、性能要求不高的零件，退火和正火也可作为最终热处理。

一、退火方法的分类常用的退火方法，按加热温度分为：临界温度（Ac1或Ac3）以上的相变重结晶退火：完全退火、扩散退火、不完全退火、球化退火临界温度（Ac1或Ac3）以下的退火：再结晶退火、去应力退火碳钢各种退火和正火工艺规范示意图：1、完全退火工艺：将钢加热到Ac3以上20~30℃℃，保温一段时间后缓慢冷却（随炉）以获得接近平衡组织的热处理工艺（完全A化）。

完全退火主要用于亚共析钢（w c=0.3~0.6%），一般是中碳钢及低、中碳合金钢铸件、锻件及热轧型材，有时也用于它们的焊接件。

低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工；过共析钢加热至Ac cm以上A状态缓慢冷却退火时，Fe3CⅡ会以网状沿A晶界析出，使钢的强度、硬度、塑性和韧性显著降低，给最终热处理留下隐患。

目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。

亚共析钢完全退火后的组织为F+P。

实际生产中，为提高生产率，退火冷却至500℃左右即出炉空冷。

2、等温退火完全退火需要的时间长，尤其是过冷A比较稳定的合金钢。

如将A化后的钢较快地冷至稍低于Ar1温度等温，是A转变为P，再空冷至室温，可大大缩短退火时间，这种退火方法叫等温退火。

工艺：将钢加热到高于Ac3(或Ac1)的温度，保温适当时间后，较快冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使AÆP然后空冷至室温的热处理工艺。

化学热处理方法
化学热处理是一种在工件表面涂覆化学物质并利用化学反应来
改善工件材料的热处理工艺。

以下是常见的化学热处理方法:
1. 渗碳:在工件表面涂覆碳素墨水,并在高温下加热,碳素墨水
会将碳元素渗入工件表面,形成渗碳层。

这种热处理方法可以用于制作高强度、高硬度的零部件。

2. 渗氮:在工件表面涂覆氮化墨水,并在高温下加热,氮化墨水
会使工件表面形成氮化层,提高工件的耐磨性和耐腐蚀性。

这种热处理方法可以用于制作耐磨、耐腐蚀的零部件。

3. 硬化:在工件表面涂覆硬化剂,并在高温下加热,硬化剂会在
工件表面形成坚硬的硬化层,提高工件的强度和硬度。

这种热处理方法可以用于制作高强度、高硬度的零部件。

4. 氧化:在工件表面涂覆氧化剂,并在高温下加热,氧化剂会在
工件表面形成氧化层,提高工件的耐腐蚀性。

这种热处理方法可以用于制作耐蚀的零部件。

5. 电镀:在工件表面涂覆电镀剂,并在高温下加热,电镀剂将工
件表面形成电镀层,提高工件的耐腐蚀性和耐磨性。

这种热处理方法可以用于制作需要耐腐蚀性和耐磨性的零部件。

化学热处理方法的应用范围非常广泛,可以用于制作各种零部件,如汽车发动机零件、航空航天部件、机械零件等。

时效1、概念：金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时，发生的力学和物理性能能随着时间而变化的现象，称为时效。

2、机械制造过程中常用的时效方法主要有自然时效、热时效、变形时效、振动时效和沉淀时效等。

3、自然时效在室温下发生性能随着时间而变化的现象。

利用自然时效可以部分消除工件内的部分残余应力，稳定工件的形状和尺寸。

，但工件的内部残余应力不能完全消除。

4、热时效是指随着温度的不同，a—Fe中碳的溶解度发生变化，从而使钢的性能发生改变的过程。

5、变形时效是指钢在冷变形后进行的时效。

6、振动时效是指通过机械振动的方式来消除、降低或均匀工件内残余应力的工艺。

（抗疲劳性能）表面热处理与化学热处理需要考虑对零件进行表面热处理或化学热处理，以满足上述“表里不一”的性能要求。

一、表面热处理1、概念：是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。

表面淬火是最常用的表面热处理工艺之一。

2、分类：按加热放法的不同：表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。

目前生产中最多的是感应加热表面淬火。

表面淬火不改变工件表面的化学成分。

3、根据交流电流频率不同，感应加热表面淬火可分为三类：高频感应加热表面淬火应用范围：中小型轴、销、套等圆柱形零件，小模数齿轮。

●中频感应加热表面淬火应用范围：尺寸较大的轴类零件，大、中模数齿轮。

●工频感应加热表面淬火应用范围：大型零件表面淬火或棒料穿透加热。

三、化学热处理1、概念：式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到它表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

2、特点：化学热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且还有化学成分的变化。

3、自身特点：由于渗入元素的不同，工件表面处理后获得的性能也不相同。

渗碳、渗氮、碳氮工渗的主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性；渗金属的主要目的是提高工件表面的耐腐蚀性和抗氧化性等。

钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类。

常用的整体热处理有退火，正火、淬火和回火；表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。

正火又称常化，是将工件加热至Ac3(Ac₃是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度)或Accm(Accm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 )以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。

其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。

正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。

另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

正火的主要应用范围有：①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。

②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。

③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。

④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。

⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。

⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。

⑦过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。

正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析钢为S+二次渗碳体，且为不连续。

正火主要用于钢铁工件。

一般钢铁正火与退火相似，但冷却速度稍大，组织较细。

有些临界冷却速度（见淬火）很小的钢，在空气中冷却就可以使奥氏体转变为马氏体，这种处理不属于正火性质，而称为空冷淬火。

与此相反，一些用临界冷却速度较大的钢制作的大截面工件，即使在水中淬火也不能得到马氏体，淬火的效果接近正火。

钢正火后的硬度比退火高。

正火时不必像退火那样使工件随炉冷却，占用炉子时间短，生产效率高，所以在生产中一般尽可能用正火代替退火。

热处理与外表处理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、化学热处理和外表热处理三种。

〔1〕一般热处理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外表的工艺，称化学热处理。

如：渗碳和渗氮。

〔3〕外表热处理快速加热工件，使外表组织迅速相变，转变成奥氏体，经淬火冷却，使外表淬硬而心部〔1〕复杂性：①工艺类别②装备水平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。

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。

3、金属外表处理外表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，通过使用金属外表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电镀是一种在工件外表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。

化学镀是借助于溶液中的复原剂使金属离子被复原成金属状态，并沉积在工件外表上的一种镀覆方法，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。

热处理的分类
热处理分类如下：
1、整体热处理：
整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。

2、表面热处理：
通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。

表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。

3、化学热处理：
化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。

热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。

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210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ACI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富化，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（quenchingandtempering）: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。

《机械制造技术基础》教案教学内容：钢的表面热处理与化学热处理教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．掌握钢的表面热处理的目的和方法；2．掌握钢的化学热处理方法及其应用；3．了解钢的热处理的新技术。

重点、难点：钢的表面热处理方法与目的钢的化学热处理方法及应用教学过程：6.5 钢的表面热处理与化学热处理一些在弯曲、扭转、冲击载荷、磨擦条件区工作的齿轮等机器零件，它们要求具有表面硬、耐磨，而心部韧，能抗冲击的特性，仅从选材方面去考虑是很难达到此要求的。

如用高碳钢，虽然硬度高，但心部韧性不足，若用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨，所以工业上广泛采用表面热处理来满足上述要求。

6.5.1 钢的表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺，称为表面淬火。

它是利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、正火或调质状态的组织。

表面淬火一般适用于中碳钢（W C=0.4～0.5%）和中碳低合金钢（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具钢，低合金工具钢（如T8、9Mn2V、GCr15等）。

以及球墨铸铁等。

目前应用最多的是感应加热和火焰加热表面淬火。

1、感应加热表面淬火它是工件中引入一定频率的感应电流（涡流），使工件表面层快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的方法。

（1）工作原理如图6-14所示，在一个线圈中通过一定频率的交流电时，在它周围便产生交变磁场。

若把工件放入线圈中，工件中就会产生与线圈频率相同而方向相反的感应电流。

这种感应电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层，愈靠近表面，电流密度愈大；频率愈高，电流集中的表面层愈薄。

这种现象称为“集肤效应”，它是感应电流能使工件表面层加热的基本依据。

（2）感应加热的分类根据电流频率的不同，感应加热可分为：高频感应加热（50～300kHz），适用于中小型零件，如小模数齿轮；中频感应加热（2.5～10kHz），适用于大中型零件，如直径较大的轴和大中型模数的齿轮；工频感应加热（50Hz），适用于大型零件，如直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。