金属的「表面处理」和「热处理」，是人们用来提升金属力学性能的两种必要手段。从机理上看，他们都是改变金属微观组织形态，进而改变其宏观性能的加工方法。一般的，人们将「表面处理」和「热处理」分开介绍和讨论。

热处理工艺一般都是针对金属材料，以改变金属的金相组织，进而达到设计人员想要的力学性能。

热处理一般包括加热、保温、冷却。这几个过程，这几个过程互相衔接，不可间断。加热的温度、保持的时间、冷却的介质决定了处理后金属的力学性质。

根据加热温度、保温时间以及降温的速度讲金属热处理分为四种不同的工艺，分别是退火(annealing)，正火(normalizing)，淬火(quenching)，回火(tempering)。

表面处理： 在机械设备中，有许多零件是在冲击载荷、扭转载荷及摩擦条件下工作的，如汽车变速齿轮及传动齿轮轴等。它们要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而芯部要具有足够的塑性和韧性。这些要求如果仅从选材方面去解决是十分困难的，若用高碳钢，硬度高，但芯部韧性不足；相反，若用低碳钢，芯部韧性好，但表面硬度低，不耐磨。为了满足上述要求，实际生产中一般先通过选材和常规热处理满足芯部的力学性能，然后再通过表面热处理的方法强化零件表面的力学性能，以达到零件“外硬内韧”的性能要求。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。表面处理还包括机械打磨，喷涂表面等。

热处理： 热处理是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 其基本原理是利用合金内的相的组成与结构随温度变化人为地改变合金内部相的组成及结构从而使合金的性能贴近实用要求。 热处理工艺过程可用以温度——时间为坐标的曲线图表示。

定义：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，而心部具有较高的强度和良好的韧性。 渗碳与表面淬火的不同：渗碳并经淬火加低温回火与表面淬火不同，表面淬火不改变表层的化学成分，而是依靠表面加热淬火来改变表层的组织，从而达到表面强化的目的；而渗碳并经淬火加低温回火则能同时改变表层的化学成分和组织，因而能更有效地提高表层的性能；渗碳材料为低碳或低碳合金钢，而表面淬火一般使用中碳或中碳合金钢并进行调质预处理。

1、渗碳方法： 渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前，广泛应用的是气体渗碳法。气体渗碳法是将低碳钢或低碳合金钢工件置于密封的渗碳炉中，加热至完全奥氏体化温度(奥氏体溶碳量大，有利于碳的渗入)，通常是900℃～950℃，并通入渗碳介质使工件渗碳。气体渗碳介质可分为两大类：一是液体介质(含有碳氢化合物的有机液体)，如煤油、苯、醇类和丙酮等，使用时直接滴入高温炉罐内，经裂解后产生活性碳原子；二是气体介质，如天然气、丙烷气及煤气等，使用时直接通入高温炉罐内，经裂解后用于渗碳。如图为气体渗碳装置示意图 。

2、渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后渗层中的含碳量表面最高(约1.0%)，由表及里逐渐降低至原始含碳量。所以渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织(珠光体＋碳化物)、共析组织(珠光体)、亚共析组织(珠光体+铁素体)的过渡层，直至心部的原始组织。对于碳钢，渗层深度规定为：从表层到过渡层一半(50%P+50%F)的厚度（金相法）。如图为低碳钢渗碳缓冷后的显微组织。 根据渗层组织和性能的要求，一般零件表层含碳量最好控制在0.85%～1.05%之间，若含碳量过高，会出现较多的网状或块状碳化物，则渗碳层变脆，容易脱落；含碳量过低则硬度不足，耐磨性差。 渗碳层含碳量和渗碳层深度依靠控制通入的渗碳剂量、渗碳时间和渗碳温度来保证。当渗碳零件有不允许高硬度的部位时，如装配孔等，应在设计图样上予以注明。该部位可采取镀铜或涂抗渗涂料的方法来防止渗碳，也可采取多留加工余量的方法，待零件渗碳后在淬火前去掉该部位的渗碳层。

3、渗碳后的热处理。工件渗碳后必须进行适当的热处理，否则就达不到表面强化的目的。渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。 直接淬火法：工件渗碳后随炉或出炉预冷到稍高于心部成分的Ar3温度(避免析出铁素体)，然后直接淬火。直接淬火法 工艺简单、生产效率高、成本低、氧化脱碳倾向小，但只适用于过热倾向小的本质细晶粒钢，如20CrMnTi等。 一次淬火法：零件渗碳终了出炉后缓慢冷却，然后再重新加热淬火的方法。这种方法可细化渗碳时形成的粗大组织，提高力学性能。这种方法适用于组织和性能要求较高的零件，在生产中应用广泛。

4、两次淬火法：工件渗碳冷却后两次加热淬火 。第一次淬火目的是细化心部组织，同时消除表层的网状碳化物。第二次淬火目的是使渗层获得细小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获得高强度和高耐磨性。该工艺复杂、成本高、效率低、变形大，仅用于要求表面高耐磨性和心部高韧性的重要零件。 渗碳件淬火后都要在160℃～200℃范围内进行低温回火。淬火加回火后，渗碳层的组织由高碳回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体组成，其硬度可达到58HRC～64HRC，具有高的耐磨性。心部组织与钢的淬透性及工件的截面尺寸有关。全部淬透时是低碳马氏体；未淬透时是低碳马氏体加少量铁素体或屈氏体加铁素体。

5、加工工艺： 一般渗碳零件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→ 渗碳→ 去碳机加工→ 淬火+低温回火→ 精加工
汽车、机车、矿山机械、起重机械等用的大量传动齿轮都采用渗碳淬火热处理工艺提高其耐磨损性能。例：某汽车变速箱齿轮采用20CrMnTi钢制造，其制造工艺如下：下料 →锻造 →正火 →粗车并铣齿成型 →精铣齿轮 →渗碳淬火+低温回火 →研磨 →入库。

锻造后正火是中间热处理，目的是降低锻造应力、细化晶粒、均匀化学成分、改善切削加工性能。渗碳淬火并低温回火是最终热处理，目的是提高齿轮的抗磨损性能和抗接触疲劳性能。

渗氮，俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，形成含氮硬化层的化学热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度(可达1000HV～1200HV)、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。

渗氮主要用于耐磨性要求高，耐蚀性和精度要求高的零件。许多零件(如高速柴油机的曲轴、气缸套等)在表面受磨损、腐蚀和承受交变应力及动载荷等复杂条件下工作，表面要求具有高的硬度、耐磨性、强度、耐腐蚀、耐疲劳等，而心部要求具有较高的强度和韧性。更重要的是还要求热处理变形小，尺寸精确，热处理后最好不要再进行机加工。这些要求用渗碳是不能完全达到的，而渗氮却可以完全满足这些要求。

渗氮主要通过在工件表面形成氮化物层来提高工件硬度和耐磨性。氮和许多合金元素如Cr、Mo、Al等均能形成细小的氮化物。这些高硬度、高稳定性的合金氮化物呈弥散分布，可使渗氮层具有更高的硬度和耐磨性，故渗氮用钢常含有Al、Mo、Cr等，而 38CrMoAl钢成为最常用的渗氮钢，其次也有用40Cr、40CrNi、35CrMn等钢种。
常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗(软氮化)等。生产中应用较多的是气体渗氮。气体渗氮是将氨气通入加热至渗氮温度的密封渗氮炉中，使其分解出活性氮原子(2NH3→3H2+2[N])并被钢件表面吸收、扩散形成一定厚度的渗氮层。由于氨气分解温度较低，故通常的渗氮温度在500℃～580℃之间。在这种较低的处理温度下，氮原子在钢中扩散速度很慢，因此，渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄。例如38CrMoAl 钢制造的轴类零件，要获得0.4mm～0.6mm的渗氮层深度，渗氮保温时间需50h以上。渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，所以工件变形小。为了提高钢件心部的强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处理。 渗氮主要缺点是工艺时间太长，例如得到0.3mm～0.5mm的渗氮层，一般为20h～50h，而得到相同厚度的渗碳层只需要3h左右。渗氮成本高，渗氮层薄(0.3mm～0.6mm)而脆。

碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。目前中温(780℃～880℃)气体碳氮共渗和低温(500℃～600℃)气体氮碳共渗(即气体软氮化)的应用较为广泛。前者主要以渗碳为主，用于提高结构件(如齿轮、蜗轮、轴类件)的硬度、耐磨性和疲劳性；而后者以渗氮为主，主要用于提高工模具的表面硬度、耐磨性和抗咬合性。 碳氮共渗件常选用低碳或中碳钢及中碳合金钢，共渗后可直接淬火和低温回火，其渗层组织为：细片(针)回火马氏体加少量粒状碳氮化合物和残余奥氏体，硬度为 58HRC～63HRC；心部组织和硬度取决于钢的成分和淬透性。

在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。在热处理时实现无氧化加热是减少金属氧化损耗，保证制件表面质量的必备条件。而可控气氛则是实现无氧化加热的最主要措施。

正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理过程提供元素的来源，金属零件和炉气通过界面反应，其表面可以获得或失去某种元素。也可以对加热过程的工件提供保护。如可使零件不被氧化，不脱碳或不增碳，保证零件表面耐磨性和抗疲劳性。从而也可以减少零件热处理后的机加工余量及表面的清理工作。缩短生产周期，节能、省时，提高经济效益。可控气氛热处理已成为最成熟的，在大批量生产条件下应用最普遍的热处理技术之一。

真空热处理是在0.0133Pa～1.33Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。真空热处理具有无氧化脱碳、无元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱气，避免表面污染和氢脆，还具有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点。近年已被广泛采用，并获得迅速发展。真空热处理具有下列优点： ① 可以减少工件变形。工件在真空中加热时，升温速度缓慢，因而工件内外温度均匀，所以处理时变形较小。 ② 可以减少和防止工件氧化。真空中氧的分压很低，金属在加热时的氧化过程受到有效抑制，可以实现无氧化加热，减少工件的氧化、脱碳现象。 ③ 可以净化工件表面。在真空中加热时，工件表面的氧化物、油污发生分解并被真空泵排出，因而可得到表面光亮的工件。洁净光亮的工件表面不仅美观，而且还会提高工件耐磨性、疲劳强度。 ④ 脱气作用。工件在真空中长时间加热时，溶解在金属中的气体，会不断逸出并由真空泵排出。脱气作用有利于改善钢的韧性，提高工件的使用寿命。 由于真空热处理本身所具备的一系列特点，因此这项新的工艺技术得到了突飞猛进的发展。现在几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理，如退火、淬火、回火、渗碳、氮化、渗金属等。而且淬火介质也由最初仅能气淬，发展到现在的油淬、水淬、硝盐淬火等。

离子化学热处理是将工件置于低压容器内，在电场的作用下产生辉光放电，带电离子轰击工件表面使其温度升高，实现所需原子渗扩进入工件表面，使表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。

与常规化学热处理相比，离子化学热处理的突出特点：渗层质量高，处理温度范围宽，工艺可控性强，工件变形小，易于实现局部防渗；渗速快，生产周期短；热效率高，耗气量少，节能节气；无烟雾无废气污染，处理后工件和夹具洁净，工作环境好；柔性好，便于生产线组合。

（1）离子渗氮：是在真空室内进行的，工件接高压直流电源的负极，真空钟罩接正极。将真空室的真空度抽到一定值后，充入少量氨气或氢气、氮气的混合气体。当电压调整到400V～800V高压时，氨即被电离分解成氮离子、氢离子和电子，并在工件表面产生辉光放电现象。正离子受电场作用加速轰击工件表面，使工件升温到渗氮温度，氮离子在钢件表面获得电子，还原成氮原子而渗入钢件表面并向内部扩散，形成渗氮层。 离子渗氮表面形成的氮化层具有优异的力学性能，如高硬度，高耐磨性，良好的韧性和疲劳强度等，使得离子渗氮零件的使用寿命成倍提高。例如，W18Cr4V刀具在淬火回火后再经500℃～520℃离子氮化30min～60min，使用寿命提高2倍～5倍。此外，离子渗氮节约能源，渗氮气体消耗少，操作环境好；渗氮速度快，是普通气体氮化的3～4倍。

（2）离子渗碳： 是将工件装入温度在900℃以上的真空炉内，在通入碳氢化合物(CH4或C3H8)的气氛中加热，同时在工件(阴极)和阳极之间施加高压直流电，产生辉光放电使活化的碳被离子化，在工件附近加速从而轰击工件表面进行渗碳。离子渗碳从加热、渗碳到淬火处理，都在同一装置内进行，这种真空热处理炉是具有辉光放电机构的加热渗碳室和油淬火室的双室型热处理炉。 离子渗碳的硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能比传统渗碳方法都高，渗碳速度快，渗碳层表面碳浓度和渗层深度容易控制；表面洁净，耗电省和无污染。 根据同样的原理，离子化学热处理还可以进行离子碳氮共渗、离子硫氮共渗、离子渗金属等，所以在国内外具有很大的发展前途。

将金属加热到适当温度(根据成分和处理要求而定)，保温一定的时间，然后缓慢冷却(一般为随炉冷却)的热处理工艺叫做退火。根据加热的温度不同，又将退火分为完全退火，等温退火，球化退火，扩散退火和去应力退火。退火的主要目的是消除加工金属过程中的残余内应力，降低金属硬度，改善其切削性能。

将金属加热到相变温度以上(例如对于钢而言加热至奥氏体转变温度)保温一段时间后快速冷却得到马氏体组织的工艺叫淬火。常用的冷却介质为水和油。根据金属工件的成分以及实际要求选用不同的淬火介质。一般而言淬火的冷却速度越快，得到的马氏体组织越多，工件越硬。但同样，淬火可能引发裂纹导致工件报废，或内应力过大，脆性过大而无法进行后续加工。

为了消除内应力并获得所需要的组织和性能，对淬火后的工件加热到某一温度保温一段时间后冷却到室温的工艺叫回火。回火可以降低淬火马氏体的脆性，消除内应力，防止工件的变形和开裂。调整工件的硬度，强度，塑性和韧性，并改善其加工性能。回火分为高温回火，中温回火以及低温回火。其中淬火加高温回火称为调质处理。三种回火方式得到的组织略有不同，其性能也不同。

将工件加热到一定温度并保温一段时间后，在空气中均匀冷却的工艺叫正火。其主要特点是冷却速度快于退火而低于淬火。实际生产中常用正火代替退火工艺以提高生产效率。正火处理可以细化晶粒，改善韧性，适当提高金属的强度和硬度；消除内应力，改善加工性能。

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