钢的表面化学热处理集锦

钢的表面化学热处理将金属工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子扩散渗入工件一定深度的表层，改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺叫做化学热处理。和表面淬火不同，化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。可以说，钢的化学热处理即是改变钢的表层化学成分和性能的一种热处理工艺。 化 学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度； 心部在具有良好的塑性和韧性的同时，还可获得较高的强度。 通过适当的化学热处理还可使钢件表层具有减摩、耐腐蚀等特殊性能。 渗层的组织类型有固溶体、化合物。

（一）化学热处理种类

化学热处理种类很多，根据渗入元素的不同，可分为渗碳、渗氮（氮化）、碳、氮共渗、多元共渗、渗硼、渗金属（如铝）等等。

化学热处理方法：

气体法：应用最广

液体法：熔融液体，热浸锌

固体法：粉末、膏剂，渗硼

等离子法：低真空中辉光放电产生的离子轰击表面

化学热处理三个基本过程：

①介质的分解：形成活性原子；

②表面吸收和溶解：形成固溶体或化合物；

③原子扩散：形成一定的扩散层。

（二）钢的渗碳

将低碳钢件放入渗碳介质中，在900～950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高碳渗层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、活塞、轴类等许多重要的机器零件经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获 得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性。因此，渗碳可使同一材料制作的机器零件兼有高碳钢 和低碳钢的性能。从而使这些零件既能承受磨损和较高的表面接触应力，同时又能承受弯曲应力及冲击负荷的作用。它增加钢件表层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层。

目的：增加表面C含量，淬火＋低温回火，表面硬，心部韧

渗碳方法：气体、固体和液体渗碳， 适合的钢种：低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi等

渗碳层厚度：从表面到过渡层的一半处，0.5~2.5mm

热处理：淬火（直接、一次和二次）＋低温回火

组织与性能:  表层：高碳回火M＋碳化物＋A’；心部：低碳回火M或F、T；性能：表面硬度高，58HRC~64HRC；

低碳钢缓冷后的显微组织

（三）钢的渗氮

向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理称为渗氮，通常也称为氮化。和渗碳相比，钢件渗氮后具有更高的表面硬度和耐磨性。氮化后钢件的表面硬度高达950～1200HV，相当于HRC65～72。这种高硬度和高耐磨性可保持到560～600℃而不降低，故氮化钢件具有很好的热稳定性。由于氮化层体积胀大，在表层形成较大的残余压应力，因此可以获得比渗碳更高的疲劳强度、抗咬合性能和低的缺口敏感性。渗氮后由于钢件表面形成致密的氮化物薄膜，因而具有良好的抗腐蚀性能。此外，渗氮温度低（500～600℃），氮化后钢件不需热处理，因此渗氮件变形很小。由于上述性能特点，渗氮在机械工业中获得了广泛应用，特别适宜许多精密零件的最终热处理。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。

渗氮特点：

①  氮化温度低   500~600℃

②  时间长    20~50h，厚度  0.3~0.5mm， 催化剂（苯、苯胺、氯化胺等）↑0.3~3倍

③  氮化前钢件须调质处理

（5）组织

①表层为白色ε（Fe2N）或γ’（Fe4N）相

②中间为暗黑色含氮共析体（α+γ’）

③  心部为回火S

38CrMoAl钢氮化工艺曲线图

钢件渗氮后一般不进行热处理。为了提高钢件心部的强韧性，渗氮前必须进行调质处理。渗氮的主要缺点是周期太长。为了缩短渗氮周期，目前出现的快速渗氮方法有辉光离子渗氮、卤化物催化渗氮以及高频感应加热渗氮等。离子渗氮等工艺不仅可以大大缩短渗氮时间，而且降低了渗氮层的脆性，显著提高了钢的韧性和疲劳强度。

氮化用钢一般有35CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等。

（四）钢的碳、氮共渗

向钢件表层同时渗入碳和氮的过程称为碳氮共渗，也叫做氰化。碳、氮共渗方法有液体和气体碳、氮共渗两种。液体碳、氮共渗使用的介质氰盐是剧毒物质，污染环境，故逐渐为气体碳、氮共渗所替代。根据共渗温度不同，碳氮共渗可分为高温（900～950℃）、中温（700～880℃）及低温（500～570℃）三种。目前工业上广泛应用的是中温和低温气体碳、氮共渗。其中低温气体碳、碳共渗主要是提高耐磨性及疲劳强度，而硬度提高不多，故又称为软氮化，多用于工模具。中温气体碳、氮共渗多用于结构零件。

中温气体碳、氮共渗是将钢件放入密封炉内，加热到820～860℃，并向炉内通入煤油或渗碳气体，同时通入氨气。在高温下共渗剂分解形成活性碳原子［C］和氮原子［N］被工件表面吸收并向内层扩散，形成一定深度的碳氮共渗层。在一定的共渗温度下，保温时间主要取决于要求的渗层深度。一般零件的渗层深度为0.5～0.8mm，共渗保温时间约为4～6h。由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，所以钢件碳、氮共渗后可直接油淬，渗层组织为细针状马氏体加碳、氮化合物和少量残余奥氏体。淬火后钢件应进行低温回火。钢件碳、氮共渗后可同时兼有渗碳和渗氮的优点。

低温气体碳、氮共渗是以渗氮为主的碳、氮共渗过程。当氮和碳原子同时渗入钢中时，很快在表面形成很多细小的含氮渗碳体Fe3CN，这些碳、氮化合物就是铁的氮化物的形成核心，从而加快了渗氮过程，缩短了软氮化的时间。低温碳、氮共渗所用的渗剂一般采用吸热式气氛和氨气混合气，也有用尿素、甲酰胺、三乙醇胺以及醇类加氨气。共渗层的表面硬度比纯气体渗氮稍低，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度。低温碳氮共渗加热温度低、处理时间短、钢件变形小，又不受钢种限制，适用于碳钢、合金钢和铸铁材料。可用于处理各种工模具以及一些轴类零件。

（五）钢的渗硼

用活性硼原子渗入钢件表层并形成铁的硼化物的化学热处理工艺称为渗硼。渗硼能显著提高钢件的表面硬度（1300～2000HV）和耐磨性，同时具有良好的耐热性和抗蚀性。

根据使用的渗硼介质，渗硼方法有固体渗硼、液体渗硼和气体渗硼。目前用得最多的是液体渗硼。液体渗硼就是盐浴渗硼，最常用的盐浴渗硼剂是由无水硼砂加碳化硼、硼铁或碳化硅组成。盐浴渗硼层的组织由化合物层和扩散层组成。常见的化合物层表面是FeB，次层是Fe2B，或者是单相Fe2B。由于硼化物层具有很高的硬度，并且淬火、回火之后也不发生变化，因此钢件渗硼后，其耐磨性比渗碳和碳、氮共渗都高，尤其在高温下的耐磨性显得更为优越。渗硼层在800℃以下仍保持很高的硬度和抗氧化性，并且在硫酸、盐酸及碱中具有良好的抗蚀性（但不耐硝酸腐蚀）。因此，渗硼处理广泛用于在高温下工作的工模具及结构零件，使其使用寿命能成倍地增加。

常用热处理与表面处理方法汇总

名词		说明		目的		适用范围
退火		加热到相变温度以上，保温一定的时间，然后慢慢冷却		1.   消除在前一工序（锻造、冷压等）中产生的内应力 2.   降低硬度，改善加工性能， 3.   增加塑性和韧性 4.   使材料的成分或组织均匀，为以后的热处理做准备		完全退火适用于含碳量 0.8%以下的铸锻件、焊件;； 为消除内应力的退火主要用于铸件和焊件
正火		加热到相变温度以上，保温一定时间，再在空气中冷却		1.  细化晶粒 2.  与退火后相比，强度略有增高，并能改善低碳钢的能力		用于各种钢与铸件
淬火		加热到相变温度以上，保温一定的时间，再在冷却剂（水、油或盐水）中急速的冷却		1．提高硬度及强度 2．提高耐磨性		淬火后钢件必须回火
回火		经淬火后在加热到相变温度以下的某一温度，在该温度停留一定时间，然后在水、油或空气中冷却		1.  消除淬火时产生的内应力 2.  增加韧性，降低硬度		高碳钢制的工具、量具、刃具，用低温回火； 弹簧中用中温(350~500)℃回火
调质		淬火后再进行高温回火称为“调质”		可以完全消除内应力，并获得较高的综合力学性能		用于重要的轴、齿轮以及丝杆等零件
表面淬火		用火焰或感应加热，将零件表面迅速加热至相变温度以上，急速冷却		使零件表面获得高硬度，而心部保持一定韧性，使零件既耐磨又能承受冲击		用于重要的齿轮以及曲轴、活塞销等
渗碳淬火		在渗碳剂中加热到900~950°C，停留一定时间，将碳渗入钢表面，深度约0.5~2mm，再淬火后回火		增加零件表面硬度及耐磨性，提高材料的疲劳强度		适用于含碳量0.08%~0.25%的低碳钢及低碳合金钢
碳氮共渗		使工作表面同时同时渗入碳和氮元素		增加表面硬度耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性		适用于碳素钢及合金结构钢
氮化		使工作表面渗入氮元素		增加表面硬度耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性		适用于含：铬、钼、锰等的合金钢，例如要求耐磨的主轴、量规、样板等
稳定化		1、自然稳定化处理：在空气中存放到半年到一年以上 2、人工稳定化处理：加热到500~600°C，在这个温度保持10~20h或者更长时间		使铸件消除内应力，稳定工件的形状和尺寸		用于机床床身等大型铸件
冷处理		将淬火钢继续冷却至室温以下的处理方法		进一步提高硬度、耐磨性，并使其尺寸趋于稳定		用于轴承的钢球、量规等

金属表面处理工艺

名称	定义
机械抛光	机械抛光是在专用的抛光机上进行抛光，靠极细的抛光粉和磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的，分为粗抛光和细抛光。
化学抛光	利用金属材料在电解液中的选择性自溶解作用，以降低其表面粗糙度的过程 是靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平的一种方法。
磷化涂装	磷化工艺过程是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。 涂料对被涂物件表面的装饰、保护以及功能性作用是以其在物件表面所形成的涂膜来体现的。使涂料在被涂物件表面形成所需要的涂膜的过程，通称涂料施工，也称涂装。
喷漆喷塑	喷粉就是喷塑，是指：通过静电发生器，把塑粉附着到工件表面，然后高温固化 共同点防腐，不同点，防腐材质不同防腐效果用途不同
着色染色	是金属通过化学浸渍、电化学和热处理法等在金属表面形成一层带有某种颜色，并且具有一定抗蚀能力的化合物。生成的化合物通常为具有相当稳定的化学性的。
电镀电泳	电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。  电泳:溶液中带电粒子（离子）在电场中移动的现象
氧化发黑	氧化是一种化学反应，凡是和氧化合的都叫氧化，但发黑是专指，铁在碱性溶液里面进行氧化，在铁的表面生成黑色的氧化膜  。
阳极氧化	金属或合金的电化学氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜

文章来源钢铁裁缝之焊接