第四节 钢的热处理工艺选用
一、预先热处理
预先热处理是在零件制造加工过程中，为改善其加工工艺性或有目的的改善其组织状况而进行的热处理。
预先热处理包括退火、正火、调质等。经热加工的铸件、锻件等毛坯，一般都要进行退火或正火处理，以消除毛坯中的内应力，细化组织，改善切削性能，或为最终热处理作好组织准备。退火和正火一般安排在毛坯成形之后、切削加工之前进行。对精度要求高的零件，为了消除切削加工产生的内应力，在切削加工工序间还应适当安排去应力退火。
调质处理主要是为了提高零件的综合机械性能，或为以后的表面淬火和易变形精密零件
（要求精度高的零件）的整体淬火作好组织准备。调质处理一般安排在粗加工之后、半精加工或精加工之前进行。
在实际生产中，退火、正火或调质也常常作为铸铁件、铸钢件、轧钢件的最终热处理。
二、最终热处理
最终热处理是为保证零件使用性能而进行的热处理。
最终热处理包括淬火、回火、表面热处理等，一般安排在半精加工之后、精加工之前进行。
对于要求高硬度和高耐磨性的刀具、量具、夹具、冷冲模及滚动轴承等要进行淬火和低温回火；对要求弹性好的弹性元件及热作模具等进行淬火和中温回火；对要求综合机械性能好的轴、齿轮、连杆、曲轴等应进行调质处理。
对需要进行表面淬火的工件，为保证工件心部组织和性能，以及获得细小马氏体的表层淬火组织，在表面淬火前应先进行调质处理，表面淬火后进行低温回火。
渗碳分整体渗碳与局部渗碳两种情况，当工件表面只需局部渗碳时，在不需渗碳部位可以镀铜保护或采用多留切削余量，待渗碳后切除该部分渗碳层。
对需要进行表面氮化的工件，为提高心部机械性能和表面质量，一般在氮化前应先进行调质处理。由于渗氮层很浅，氮化应安排在精加工（磨削）或超精加工（精磨、抛光）之前进行。为消除氮化前切削加工产生的残余应力，氮化前还应进行去应力退火。当工件表面只需局部渗氮时，不需氮化的部位可进行镀锡保护，或留适当余量，待氮化后磨去。
对精密机床主轴、丝杠，以及量具等高精度工件，为充分消除内应力，稳定工件尺寸，在精加工或超精加工前还应进行去应力退火或时效处理。
综上所述，将几种典型零件的热处理在加工工艺过程中的安排归纳如下：
1. 要求硬度高、耐磨性好的工件（刃具钢、量具钢、冷模钢、轴承钢）：
下料→锻造→正火→球化退火→粗加工→淬火→低温回火→精加工
2. 要求弹性好和足够韧性的工件（弹簧钢、热模钢）：
下料→锻造→退火→粗加工→淬火→中温回火→精加工
3. 要求综合机械性能好的工件（调质钢）：
下料→锻造→正火（或退火）→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→精加工
4. 要求表面硬度高、心部综合机械性能好的工件（调质件）：
（1） 下料→锻造→正火（或退火）→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→表面淬火→低温回火→精加工
（2） 下料→锻造→正火（或退火）→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→氮化→精加工
5. 要求表面硬度高、心部韧性好的工件（渗碳钢）：
下料→锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工
合理选材和合理选择、安排热处理工艺，是保证零件内在质量的决定性因素。选用材料时还应注意其热处理工艺性能，包括淬硬性、淬透性、过热敏感性、回火脆性等。在选择刀具及冷作模具材料时，应特别注意材料的淬硬性与淬透性；在选择弹性元件材料时应特别注意材料的氧化脱碳倾向；在选择渗碳件材料时应注意材料的过热敏感性；在选择调质件材料时要注意材料的回火脆性。
在机械零件加工中，必须将铸、锻、焊、切削加工过程与热处理合理地安排，才能保证零件的加工质量，保证使用性能。正确选择和合理安排热处理在整个加工过程中的位置是一个非常重要的问题，必须给予足够的重视。
第五节金属的表面处理
一、表面处理
表面处理是指采用某种工艺方法，在金属材料或金属零件表面生成或覆盖上一层物质（金属、非金属或氧化物）的加工工艺方法，主要目的是对金属基体起防护作用，故又常称之为表面防护。
二、表面处理的主要作用
1. 提高材料表面的耐腐蚀能力，防止金属基体被腐蚀
金属材料和金属零件在储存、运输和使用过程中，与环境介质接触，发生化学作用或电化学作用而被腐蚀。由腐蚀而造成的金属材料损失非常惊人，统计资料表明，全世界每年因腐蚀而损耗或报废的金属占全世界全年金属总
产量的20%以上。另外，金属零件被腐蚀后，不仅失去金属光泽、表面起伏不平、引起外形和尺寸变化，而且强度、导电性和导热性也会大大降低，甚至导致构件失效，造成事故。因此，必须充分重视金属表面防护。
长期以来，人们不断深入研究金属腐蚀的发生与发展，分析它们变化的条件，采取适宜的防护措施。根据金属腐蚀产生的原理及腐蚀的破坏形式，可从以下几个方面进行防护：
⑴ 研制耐腐蚀金属和改善材料的组织状态，提高材料本身的抗腐蚀能力。
⑵ 改善机械产品的工作环境，减轻环境介质的腐蚀作用。
⑶ 采用表面覆盖防腐层或表面钝化，以及强化表面等方法提高金属的耐腐蚀能力。
2. 提高零件表面机械性能（硬度、耐磨性等）
零件失效的主要原因是腐蚀、磨损和断裂，尤其是对于一些挤压模具，磨损是其失效的最主要的原因。因此，采用一些表面处理的工艺方法来提高模具的工作表面的硬度和耐磨性，就能有效地延长模具的使用寿命，降低生产成本。例如，采用模具挤压5454铝合金管材，一套模具只能挤压几十公斤，而对模具进行硼碳氮渗处理后模具工作表面的硬度大大提高，可达2000HV，一套模具可以挤压型材1～2吨。
3. 调整工件的表面尺寸
许多工件在使用过程中，磨损到一定程度就要报废掉，对于这些报废的工件，如果我们采用一些表面处理工艺方法调整其表面尺寸，使之满足使用要求而重新加以利用，则可以降低生产成本、提高经济效益。例如，一套模具的价格一般在几千至几万元之间，而模具在使用过程中会发生磨损，工作表面一般磨损到10～20微米，模具就要报废。这时如果采用热喷镀或激光熔覆等表面处理工艺使模具尺寸恢复，就能重新加以利用，取得极好的经济效益。
4. 起装饰作用，使工件表面美观
随着人们生活水平的提高，对产品美观方面的要求越来越高，通过表面处理可以满足这些要求。例如，经过氧化着色处理，不仅可以在铝合金型材表层形成氧化层，提高其耐蚀性，而且可以改变其表面颜色，如银白、黑色、古铜色、仿不锈钢色等不同颜色的铝合金型材。
三、表面处理工艺方法
生产中常用的金属表面处理工艺方法有：镀金属法、包覆金属法、化学转化膜法、喷丸处理、离子注入、激光熔覆、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、非金属涂层法、表面合金化法等，以下简单介绍其中的几种方法。
1. 镀金属法
常用作镀层的金属有锌、锡、铬、镍、镉等。镀金属的工艺方法有电镀、热喷镀、浸镀等。
⑴ 电镀电镀是利用电解的方法在零件的表面上沉积一层其他金属的表面处理方法。
电镀法的优点是适应性广，不仅可在铁基金属上镀覆，而且可在非铁基金属、塑料、石墨等基体上镀覆；镀层厚度易于控制，消耗金属少；镀层均匀光洁，与基体结合牢固。其缺点是镀层密度小，镀覆速度慢。
现比较几种常用的镀种：
镀锌层在空气中及水中有很好的防腐蚀能力，且成本较低，是一般钢质机械零件常用的表面处理方法。但镀层较软，不耐冲击和摩擦，使用温度不宜太高。
镀铬和镀镍不仅具有很好的抗腐蚀能力，而且镀层硬度高、耐磨性好、易于抛光，常用于量具、模具和需要装饰的机件。但镀铬和镀镍成本高，且镀层常有微孔，所以镀前往往先进行镀铜。
镀镉层在空气、水、碱、盐及海水中均具有良好的抗腐蚀能力，而且允许使用温度比较高。但此法成本较高、环境污染较严重，一般情况下应用较少。
⑵ 热喷镀热喷镀又称热喷涂，是借助压缩空气，将熔融金属喷涂在工件表面，形成防护层的镀涂方法。生产中常用的喷涂金属有铝、锌、锡、铅及不锈钢等。此法常用于不宜用其他方法镀覆的大型工件。其缺点是涂层较粗糙且不致密，与基体结合不牢，耐蚀性较差。
⑶ 热浸镀热浸镀又称热浸涂覆，是将经过表面净化处理后的工件浸入熔融的液态金属中一段时间而
得到涂镀层的方法，优点是方法简单、生产率高、镀层与基体结合牢固。其缺点是不易控制镀层厚度，也不易获得均匀的镀层，且只适用于涂覆锌、锡、铅等低熔点金属。
2. 包覆金属法
包覆金属法是用碾压的方法，将耐蚀性好的金属与被防护金属压合在一起，形成防护层的工艺方法。如在耐蚀性较差的硬铝材料表面压覆上一层耐蚀性好的纯铝来提高硬铝的耐蚀性。以这种方法形成的包覆层非常致密且结合牢固。
3. 化学转化膜法
利用化学或电化学的方法，在被保护金属自身表面生成一层结构致密的氧化膜保护层，使内层金属与工作环境介质隔绝而得到保护的方法称为化学转化膜法，又称作钝化处理。容易进行钝化处理的金属有Fe、Al、Cr、Ni、Mo等，常用的方法有以下几种：
⑴ 钢件发蓝（氧化）处理将光亮的钢件浸入140～150℃的发蓝液（一般用NaOH和NaNO2的水溶液）中，经过处理60～90min，在钢件表面生成一层0.5～3.0μm厚的蓝黑色Fe3O4薄膜，称为发蓝处理。
发蓝处理设备简单，操作方便，成本低；发蓝膜很薄，不影响零件精度，且色泽美观，广泛用于机械零件、模具、夹具和枪械零件的表面防护。但由于发蓝膜很薄，其防护能力较差，耐磨性不高，不宜作湿热条件下使用的零件保护层和摩擦件的防护。若经浸油填充或用肥皂液进行钝化处理可提高其防护能力。
⑵ 钢件发黑（磷化）处理将光亮的钢件放入加热的磷化液中，保持一定时间，使钢件表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜（简称磷化膜）的表面处理工艺称为磷化处理。钢件磷化膜呈黑色，所以又称为发黑处理。
常用磷化液为磷酸锰铁盐和硝酸锌的水溶液，处理温度为98℃，保持时间为20～30min。磷化处理多用于螺母、螺钉、垫圈等标准件以及齿轮、活塞环等的表面处理。但磷化膜不耐水蒸气、氨水、海水及酸、碱的腐蚀，若采用重铬酸钾溶液进行钝化处理，会提高其抗蚀性。另外，磷化膜机械强度低，质脆，有孔洞，常用作涂料涂覆的预处理和冷挤压钢件的润滑处理（磷化+皂化）。
⑶ 阳极化处理将铝合金浸入电解液（一般为15～20%的硫酸水溶液）中，工件同电源正极（阳极）相连，阴极用铝板，通电后，阳极（铝件）上聚集大量新生态的氧原子，其氧化能力很强，使工件表面生成一层致密的Al2O3氧化膜。这种表面处理工艺方法属于电化学处理，由于工件接阳极，所以又称为阳极氧化，简称阳极化处理。
氧化膜稳定性好，硬而致密，是铝合金广泛使用的表面处理方法，若用重铬酸钾进行钝化处理，使氧化膜微孔封闭，防护效果更好；若在钝化处理时加入染料，则可起装饰作用，得到各种不同颜色的铝合金件。
⑷ 铝合金件化学氧化当铝合金制件体积较大，不便采用阳极化处理时，可采用化学氧化法，即用含有氧化剂（如铬酸盐）的碱性溶液，使之与铝合金制件表面作用而获得氧化防护膜，广泛用于各种复杂的大型铝合金工件的表面处理。
4. 非金属涂层法
非金属涂层法是用无机或有机材料涂覆在工件表面而形成防护层的方法。无机涂层有水溶性颜料涂层、水泥和搪瓷等，有机涂层有各种有机涂料（俗称油漆）、塑料、橡胶、树脂等。这类涂层须有一定的韧性和硬度，以免在偶然受到摩擦、冲击或基体热胀冷缩时损坏剥落，涂覆的方法有喷涂、刷涂、浸涂、胶涂等。各种工件的基体和工作条件不同，对所用涂层材料的性能要求也有差别，合理选用才能收到预期效果。
用有机涂料涂覆金属工件表面，施工方便、成本低，应用十分广泛。有机涂料最早使用的是以桐油和漆为主要原料加工制成的油漆，现使用最多的是采用合成树脂和有机溶剂为主要原料制成的“油漆”，所以称为“涂料”更为合适。有机涂料的种类很多，要根据使用条件和要求选用具有不同物理化学性能的涂料。涂料的性能是指其耐磨性、耐酸性、耐碱性、耐热性及绝缘性、附着力等
。
把塑料薄膜直接粘合在金属表面作为防护层，或用静电喷涂的方法把极细的塑料粉涂覆在工件表面，能有效地抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀。塑料中用的最多的是聚氯乙烯，抗腐蚀性最好的是聚四氟乙烯，能抵抗王水、沸腾硝酸等强腐蚀性介质的腐蚀作用。
硬橡胶保护层是在生胶中参入30～50%的硫制成的硬硫化橡胶，具有耐酸、碱等化学物质腐蚀的能力，多用作化工设备的衬里。其缺点是工作温度升高后会变脆，只限于50℃以下温度使用。
搪瓷亦称为珐琅，是类似玻璃的物质。K、Na、Ca、Al等金属的硅酸盐中掺入作为熔剂的硼砂，将其均匀附着于工件表面，经高温烧结生成坚硬而光滑的防护层，多用于化工反应器的衬里，既耐化学腐蚀，又耐热、耐压。
5. 表面合金化
表面合金化就是化学热处理，使一种或几种元素原子渗入工件表层，改变其化学成分与金相组织，从而提高工件表面稳定性与耐腐蚀能力，渗层均匀无孔，热稳定性好，常用的渗入元素有C、N、B、Si、Al、Cr、W、Cu等。
表面处理一般安排在零件加工的最后一道工序，或在组件、部件甚至产品装配后进行。
思考练习题
1.钢奥氏体化后在不同温度等温冷却，各得到什么组织，机械性能如何？
2.一般采用什么方法改善低碳钢、高碳钢的切削性能，并说明原因。
3.退火工艺方法有哪些，主要目的分别是什么？
4.共析钢经过下列热处理工艺处理后分别得到什么组织？
退火、正火、淬火、淬火+低温回火、淬火+中温回火、淬火+高温回火、等温淬火。
5.用“C”曲线解释下列问题：
（1）为什么钢在正火后要比退火后硬度高？
（2）如果“C”曲线图中的Mf线位于室温以下，对钢的淬火有何影响？
（3）为什么碳素钢淬火冷却介质常用水，而合金钢淬火冷却介质常用油？
（4）为什么截面大和形状复杂的调质件要用合金调质钢而不用碳素调质钢？
6.何为冷处理，什么情况下需要进行冷处理？
7.分级淬火与等温淬火有何区别，各适用于什么情况？
8.钢件淬火后为什么要进行回火处理，回火工艺有哪几种，各用于什么类型的工件？
9.钢件化学热处理的常用方法有哪些，特点和应用范围各是什么？
10.金属表面处理的作用有哪些？
