碳钢
碳钢是一种以铁、碳两种元素为主要成分的合金。由于它具有良好的力学性能和加工性能，是机械制造工业中应用最广泛的一种金属材料。碳钢的这种优良性能是由其内部组织结构决定的，而组织结构又随成分和加工工艺条件的变化而改变。
纯铁的强度很低，不能制作受力的零（构）件。若在其中加入少量的碳以后，其硬度和强度可成倍增加（表6-1）。碳钢就是以铁和碳为主要成分的合金。所谓合金是指通过熔炼、烧结或其他方法，将一种金属元素和其他元素（一种或几种）结合在一起所形成具有金属特性的新物质。
表 6‑1工业纯铁和几种铁碳合金的成分、 组织及硬度
铁碳合金按其碳的质量分数及室温平衡组织分为三类。
1）工业纯铁（wC<0.0218%）——组织为铁素体和少量三次渗碳体。
2）钢（wC为0.0218%～2.11%），其中又分为三类：
亚共析钢（wC<0.77%）——组织为铁素体和珠光体。
共析钢（wC为0.77%）——组织为珠光体。
过共析钢（wC>0.77%）——组织为珠光体和二次渗碳体。
3）白口铸铁（wC为2.11%～6.69%），其中又分为三类：
亚共晶白口铸铁（wC<4.3%）——组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体。共晶白口铸铁（wC为4.3%）——组织为莱氏体。过共晶白口铸铁（wC>4.3%）——组织为一次渗碳体和莱氏体。
Fe-Fe3C相图
相图中各主要点的温度、碳的质量分数及意义列于表6-2中。
ABCD为液相线；AHJECF为固相线。HJB、ECF、PSK三条水平线为恒温转变线。NH、NJ和GS、GP为固溶体的同素异构转变线。ES和PQ为固溶度线，分别表示碳在奥氏体和铁素体中的极限溶解度随温度的变化线。
相图中各主要线的意义为：
图 6‑1Fe-Fe3c相图
表 6‑2 Fe-Fe3C 相图中各主要点的温度、 碳的质量分数及意义
室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成。铁素体为软、韧相；渗碳体为硬、脆相。当两者以层片状组成珠光体时，则兼具两者的优点，即珠光体具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性，如表6-3所示。
渗碳体是铁碳合金中的强化相。工业纯铁中的渗碳体量极少，其强度、硬度很低，不能制作受力的零件，但它具有优良的铁磁性，可作铁磁材料。碳钢具有良好的力学性能和压力加工性能，经热处理其力学性能可以大幅度提高，工业中应用广泛。碳钢中渗碳体量越多，分布越均匀，其强度越高，随着碳质量分数的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当wC>1.0%时，由于网状Fe3CⅡ出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适宜的塑性、韧性，其wC一般不超过1.3%～1.4%。wC>2.11%的铁碳合金（白口铸铁），由于其组织中存在大量渗碳体，具有很高的硬度，但性脆，难以切削加工，且不能锻造，故除作少数耐磨零件外，很少应用。
表 6‑3铁碳合金平衡组织中几种组织组成物的力学性能
钢中常存杂质元素对钢性能的影响
硅和锰的影响
硅和锰是炼钢过程中随脱氧剂进入钢中的元素，它们均可以固溶于铁素体中，使铁素体的强度、硬度增加，产生固溶强化，对钢的性能有利。但硅与氧的亲和力很强，可形成SiO2；锰与硫的亲和力很强，可形成MnS、SiO2和MnS都是钢中的夹杂物，对钢的性能不利。因此，碳钢中一般规定wSi<0.5%、wMn<0.8%，使大部分Si、Mn都溶于铁素体中，起有利作用。
硫和磷的影响
硫、磷是生铁中带来而在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而与铁形成熔点为1190℃的FeS。FeS常与γ-Fe形成低熔点（989℃）的共晶体，分布在奥氏体晶界上，当钢材在1000～1200℃锻造或轧制时，共晶体会熔化，使钢材变脆，沿奥氏体晶界开裂，这种现象称为热脆。适当增加钢中锰的质量分数，使Mn与S优先形成高熔点（1620℃）的MnS，避免热脆。但MnS是钢中夹杂物，锻造或轧制时变形呈条状，沿受力方向分布形成流线，使钢材横向的塑性、韧性显著低于纵向。例如一根45钢曲轴，MnS夹杂物严重时其横向塑性只为纵向的一半，而韧性成倍降低。另外，对于承受交变应力的零件如弹簧、轴承等，MnS还可以成为疲劳裂纹源，导致零件早期疲劳断裂。磷在钢中全部固溶于铁素体中，虽然有较强的固溶强化作用，但它剧烈地降低钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，使钢在低温下变脆，这种现象称为冷脆。磷还使钢的偏析严重。此外，硫、磷均降低钢的焊接性能。由于硫、磷是钢中的有害元素，一般情况下需要严格控制其含量。普通碳钢中wS≤0.035%、wP≤0.035%，优质钢中wS≤0.030%、wP≤0.030%，高级优质钢中wS≤0.020%、wP≤0.030%。但是有时为了提高切削加工性，使切屑易碎断，在易切削钢中硫的质量分数可以提高到0.18%～0.35%，磷的质量分数可以提高到0.08%～0.15%。这种易切削钢主要用在自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值小而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和自行车、缝纫机上的小零件等。另外，磷还可以增强钢在大气中的耐蚀性，若在炼钢时加入少量稀土、钛等元素，可以抑制磷的冷脆作用。目前我国已生产出Cu-P-RE稀土）、Cu-P-Ti等合金系的低碳低合金高强度结构钢，用作桥梁或钢轨。
钢中气体的影响
钢中气体对钢材性能的影响往往被人们忽视，因而钢材中未限定氢、氮、氧等元素的含量。实际上它们对钢材性能的影响并不亚于硫、磷，有时更加危险。
1）氢在钢中含量甚微，但对钢的危害极大。钢中微量的氢（0.5～3mL/100g）可以引起“氢脆”，甚至在钢材内产生大量微裂纹，使钢的塑性、韧性显著下降，导致零件在使用中突然断裂。国外曾因钢中含微量氢而造成汽轮机主轴突然断裂，引起电站爆炸；飞机发动机曲轴突然断裂，造成飞机失事等事故。氢对焊接性能不利，在焊缝处产生裂纹。
2）氮固溶于铁素体中产生“应变时效”。所谓应变时效是指冷变形低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加，塑性、韧性降低的现象。“应变时效”对锅炉、化工容器及深冲零件是不利的，增加零件脆性，影响安全可靠性。从应变时效角度考虑，氮是有害元素。但是当钢中含有Al、V、Ti、Nb等元素时，它们可与N形成细小弥散氮化物，能细化晶粒，提高钢的强度并减低N的应变时效作用，在这种情况下N又是有益元素。在某些耐热钢中常把N作为合金元素以提高钢的耐热性。
显然，为了提高碳钢的性能，除了在炼钢时保证钢中碳的质量分数在规定的范围内，还必须控制杂质元素含量。但是炼出了一炉合格的钢液并不等于得到合格的钢锭和钢材，而钢材的大部分冶金缺陷是在浇注成钢锭的过程中形成的。因此，钢锭的组织和质量是影响钢材质量的重要环节。
碳钢的分类、牌号及用途
碳钢的分类
碳钢的分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢中碳的含量、质量和用途分类。
1.按碳的含量分类
可分为：低碳钢（wC≤0.25%）、中碳钢（wC=0.30%～0.60%）和高碳钢（wC>0.60%）。
2.按质量（即硫、磷的含量）分类
可分为：普通碳素钢（wS≤0.035%、wP≤0.035%）、优质碳素钢（wS≤0.030%、wP≤0.030%）和高级优质碳素钢（wS≤0.020%、wP≤0.030%）。
3.按用途分类
可分为：
（1）碳素结构钢 用于制造工程构件（如桥梁、船舶、建筑构件等）及机器零件（如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等）。
（2）碳素工具钢 用于制造各种刃具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。
碳钢的牌号和用途
表 6‑4普通碳素结构钢的牌号和化学成分
1.普通碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。
Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴器、销等零件。
表 6‑5普通碳素结构钢的力学性能
2.优质碳素结构钢
这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其牌号是采用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数（wC×10000）。例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数为0.08%。优质碳素结构钢主要用于制造机器零件。一般都要经过热处理以提高力学性能。根据碳的质量分数不同，有不同的用途。08、10钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件，例如40、45钢常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮和其他受力不大的轴类零件；55、60、65钢经热处理淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，常用于制作负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12～15mm）的弹簧，如调压和调速弹簧、柱塞弹簧、冷卷弹簧等。
表 6‑6优质碳素结构钢的化学成分
3.碳素工具钢
这类钢的牌号用T+数字表示，其中“T”为“碳”字的汉语拼音字首，数字表示钢中平均碳的质量分数的千分数（wC×1000）。例如T8、T10分别表示钢中平均wC为0.80%和1.0%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附以“A”字，例如T12A等。碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性高的量具、刃具和模具等。随钢中碳的质量分数增加，由于未溶渗碳体数量增多，则钢的耐磨性增加，而韧性则降低，因此它们适用于在不同场合下使用。
表 6‑7优质碳素结构钢的力学性能
表 6‑8常用碳素工具钢的牌号、 成分、 热处理和用途
钢的普通热处理
钢的普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，使其获得均匀的组织和性能的一种操作，它包括退火、正火、淬火和回火四种。普通热处理是钢制零件制造过程中不可缺少的工序。对重要的零部件，其制造工艺路线常采用铸造（或锻造）→退火（或正火）→粗加工→淬火→回火→精加工→成品，其中退火或正火作为预备热处理，而淬火和回火作为最终热处理。对一般零部件，其制造工艺路线常采用铸造（或锻造）→退火（或正火）→切削加工→成品，其中退火或正火也可作为最终热处理。
钢的退火
所谓退火是将工件加热到临界点（A1、A3、Acm）以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种工艺操作。最常用的退火工艺有完全退火、球化退火和去应力退火等。1.完全退火完全退火主要用于亚共析成分的碳钢及合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构件。它是将工件加热至Ac3（Ac3为实际加热时亚共析钢完全转变为奥氏体的最低温度）以上30～50℃，保温一定时间后十分缓慢地冷却至500℃以下，然后在空气中冷却，室温下的组织为铁素体与球光体的混合物。其目的是改善组织，细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性。一般常作为一些对强度要求不高的零件的最终热处理，或作为某些重要零件的预备热处理。2.球化退火球化退火主要用于共析和过共析成分的碳钢及合金钢。它是将钢件加热到Ac1（Ac1为实际加热时珠光体转变为奥氏体的最低温度）以上30～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷至600℃以下出炉空冷，钢中的片层状渗碳体和网状二次渗碳体发生球化，得到硬度更低韧性更好的球状珠光体组织。球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火做准备，减小工件淬火变形和开裂。3.去应力退火去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拉件）及机加工件的残留应力，以防止零件变形或产生裂纹，降低机器精度，避免发生事故。钢的去应力退火操作是将工件随炉缓慢加热至500～650℃，保温一段时间后，随炉缓慢冷却至200℃以下出炉空冷的工艺。与退火前相比，去应力退火后的组织不发生明显变化，其性能（如硬度、强度、塑性、韧性等）也无明显变化，仅是残留应力得到松弛。例如汽轮机的隔板是由隔板体和静叶片焊接而成，焊接后若不进行去应力退火，则可能在运转过程中产生变形而打坏转子叶片，发生严重事故。为此，大型铸件如机床床身、内燃机气缸体，重要的焊接件如汽轮机隔板，冷成形件如冷卷弹簧等必须进行去应力退火。
钢的正火
所谓正火是将工件加热至Ac3或Accm（Accm是实际加热时过共析钢完全转变为奥氏体的最低温度）以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。与退火的明显区别是正火的冷却速度较快，正火后形成的组织要比退火组织细，因而使钢的硬度和强度有所提高。正火的目的主要是细化组织，适当提高硬度和强度，用于普通结构件作为最终热处理；或用于低、中碳钢作为预备热处理，改善切削加工性；还可用于过共析钢消除网状渗碳体，以利于球化退火的进行。由以上讨论可以看出退火与正火在某种程度上有相似之处，设计时应根据不同情况加以选择，通常从以下两方面考虑：（1）从切削加工性考虑低碳钢硬度低，切削加工时切屑不易断开而粘刀，切削刃容易损坏，加工后零件表面粗糙度值大。通过正火可以适当提高硬度以利于切削加工，故低碳钢和低碳合金钢以正火作为预备热处理；高碳钢硬度高，难以切削加工，切削具易磨损，通过退火可以适当降低硬度，以利于切削加工，故高碳结构钢和工具钢及中碳以上多元合金钢均采用退火作为预备热处理；中碳钢和中低碳合金钢采用退火或正火作为预备热处理，切削加工性是个重要考虑因素。但从经济上考虑，正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，尽可能以正火代替退火。（2）从使用性能考虑如果工件的性能要求不高，则以正火为最终热处理，以提高力学性能。但如果工件形状复杂，则应采用退火作为最终热处理，以防止出现裂纹。
钢的淬火
1.淬火的目的所谓淬火就是将钢件加热到Ac3（对亚共析钢）或Ac1（对共析和过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间后快速冷却（一般为油冷或水冷）以获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种工艺操作。因此，淬火的目的就是获得马氏体（或下贝氏体）。淬火及随后的回火处理是许多机器零件必不可少的最终热处理，是发挥钢铁材料性能潜力的重要手段之一。例如用T8钢制造切削刀具，退火后的硬度很低，为163～187HBW（相当于切削零件的硬度相近，显然无法切削零件。若将其淬火成马氏体，再配之以低温回火，硬度可达60～64HRC，则可切削零件，并具有较高的耐磨性。又如用45钢制造轴类零件，正火后力学性能为：硬度为250HBW，Rp0.2≈320MPa，Rm≈750MPa，A≈18%，aK≈70J/cm2。若将其淬火成马氏体，再配之以高温回火（调质），其力学性能为：硬度为250HBW，Rp0.2≈450MPa，Rm≈800MPa，A≈23%，aK≈100J/cm2，具有良好的强度与塑性和韧性的配合，这样就可以延长零件的使用寿命。
钢的回火
所谓回火是将淬火钢重新加热至A1点以下的某一温度，保温一定时间后冷却至室温的一种工艺操作。如前所述，在淬火过程中，钢中的过冷奥氏体转变为马氏体，并残留部分残留奥氏体。马氏体和残留奥氏体极不稳定，在使用过程中会发生转变，引起工件尺寸和形状改变。此外，淬火钢硬度高、脆性大、具有较大的内应力，不宜直接使用。回火的目的就是降低淬火钢的脆性，减小或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的力学性能。
1.淬火钢回火时组织和性能的变化
（1）组织变化一般来说，随回火温度升高，淬火钢的组织变化可分为四个阶段，现以共析钢为例加以讨论。
1）80～200℃为马氏体分解阶段。在淬火马氏体基体上析出薄片状细小ε碳化物（分子式为Fe2.4C，密排六方结构），马氏体中碳的过饱和度降低，但仍为碳在α-Fe中的过饱和固溶体，通常把这种过饱和α+ε碳化物的组织称为回火马氏体。在此过程中，内应力逐步减小。
2）200～300℃残留奥氏体分解为过饱和α+碳化物。
3）250～400℃马氏体分解完成。α中含碳量降低到正常饱和状态，ε碳化物转变为极细的颗粒状渗碳体。在此过程中，内应力大大降低。
4）400℃以上为渗碳体颗粒聚集长大并形成球状，铁素体发生回复、再结晶。综上所述，回火温度不同，钢的组织也不同。在300℃以下回火时，得到由具有一定过饱和度的α与ε碳化物组成的回火马氏体组织，可用M回表示。回火马氏体易腐蚀为黑色针叶状，但其硬度与淬火马氏体相近。在300～500℃范围内回火，得到由针叶状铁素体与极细小的颗粒状渗碳体共同组成的回火托氏体组织，可用T回表示。T回的硬度虽比M回低，但因渗碳体极细小，铁素体只发生回复而未再结晶，仍保持针叶状，故仍具有较高的硬度和强度，特别是具有较高的弹性极限和屈服强度以及一定的塑性和韧性。在500～650℃范围内回火时，得到等轴状铁素体和球状渗碳体组成的回火索氏体组织，可用S回表示。由于渗碳体颗粒聚集长大并球化及铁素体再结晶，故与T回相比，S回的硬度、强度较低，而塑性、韧性较高。顺便指出，T回与T，以及S回与S相比，它们不但组织形态不同，而且前者具有更优异的综合力学性能。例如在硬度相同时，前者比后者具有更高的强度和塑性、韧性。这是因为前者的渗碳体为颗粒状或球状，后者的渗碳体为片状。
（2）性能变化总的变化趋势是，随回火温度升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性升高。可见，欲使钢具备所需性能，必须正确选择回火温度。
2.回火的种类及应用
按照回火温度范围不同，钢的回火可分为下列三种，并应根据对工件性能的不同要求，正确选择回火种类。
（1）低温回火回火温度范围为150～250℃，回火后的组织为M回。钢具有高硬度和高耐磨性，但内应力和脆性降低。主要应用于高碳钢和高碳合金钢制造的工模具和滚动轴承，以及经渗碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般为58～64HRC。
（2）中温回火回火温度范围为350～500℃，回火后的组织为T回，主要应用于wC为0.5%～0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。其硬度为35～45HRC，具有一定韧性和高的弹性极限及屈服强度。
（3）高温回火回火温度范围为500～650℃，回火后的组织为S回。主要应用于wC为0.3%～0.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、齿轮、连杆、螺栓等。其硬度为25～35HRC，具有适当的强度与足够的塑性和韧性，即良好的综合力学性能。生产上习惯将淬火并高温回火称为“调质处理”。
钢的表面热处理
表面淬火
表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。工业上广泛应用的有火焰淬火、感应淬火和激光淬火。
1.火焰淬火火焰淬火它是将乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰喷射到工件表面，使表面快速加热至奥氏体区，立即喷水冷却，使表面淬硬的工艺操作。淬硬层深度一般为2～6mm。此方法简便，无需特殊设备，适用于单件或小批量生产的各种零件，如轧钢机齿轮、轧辊，矿山机械的齿轮、轴，机床导轨和齿轮等。缺点是要求熟练工操作，否则加热不均匀，质量不稳定。
2.感应淬火感应淬火示意图如图6-2所示。它是利用通入交流电的加热感应器在工件中产生一定频率的感应电流，感应电流的集肤效应使工件表面层被快速加热到奥氏体区后，立即喷水冷却，工件表层获得一定深度的淬硬层。电流频率越高，淬硬层越浅。根据电流频率不同，感应加热可分为：高频感应加热（100～1000kHz），淬硬层为0.2～2mm，适用于中小型齿轮、轴等零件；中频感应加热（0.5～10kHz），淬硬层为2～8mm，适用于大中型齿轮、轴等零件；工频感应加热（50Hz），淬硬层深度10～15mm，适用于直径大于300mm的轧辊、轴等大型零件。
图 6‑2感应加热表面淬火示意图
感应淬火的优点是淬火质量好，表层组织细，硬度高（比常规淬火高2～3HRC），脆性小，生产效率高，便于自动化。缺点是设备较贵，形状复杂的感应器不易制造，不适于单件生产等。必须注意，工件在感应淬火之前需进行预备热处理，一般为调质或正火，以保证工件表面在淬火后获得均匀细小的马氏体，改善工件心部的硬度、强度和韧性以及切削加工性，并减小淬火变形；工件在感应淬火后还需进行低温回火（180～200℃），使表层获得回火马氏体，在保证表面高硬度的同时，降低内应力和脆性。生产中常采用“自回火”，即当淬火冷却至200℃时停止喷水，利用工件中的余热传到表面而达到回火的目的，这样既可省去回火工序，又可减小淬火开裂的危险。对感应淬火零件，其设计技术条件应注明表面淬火部位、淬硬层深度、表面硬度等。
3.激光淬火激光淬火是将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面层快速加热到奥氏体区或熔化温度，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定的淬硬层或熔凝层。由于激光束光斑尺寸只有20～50mm2，要使工件整个表面淬硬，工件必须转动或平动使激光束在工件表面快速扫描。激光束的功率密度越大和扫描速度越慢，淬硬层或熔凝层深度越深。调整功率密度和扫描速度，硬化层深度可达1～2mm。激光淬火已应用于汽车和拖拉机的气缸、气缸套、活塞环、凸轮轴等零件。目前我国应用较多的是1～5kW激光发生装置。激光淬火的优点是淬火质量好，表层组织超细化，硬度高（比常规淬火高6～10HRC），脆性极小，工件变形小，自冷淬火，无需回火，节约能源，无环境污染，生产效率高，便于自动化。缺点是设备昂贵，在生产中大规模应用受到了限制。
表面化学热处理
化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而使其表面具有与心部不同性能的一种热处理。与表面淬火相比，表面化学热处理的主要特点是工件表面层不仅与心部组织不同，而且成分也不同。渗入不同的元素，可赋予钢件表面不同的性能。例如渗碳、渗氮、碳氮共渗可提高硬度、耐磨性及疲劳强度，渗硼、渗铬可提高耐磨和耐腐蚀性，渗铝、渗硅可提高耐热抗氧化性，渗硫可提高减摩性等。在一般机器制造业中，最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗。
- 钢的渗碳
渗碳是向低碳钢或低碳合金钢工件表层渗入碳原子的过程。其目的是提高工件表层的碳含量，使工件经热处理后表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有一定的强度和较高的韧性。这样，工件既能承受大的冲击，又能承受大的摩擦。齿轮、活塞销等零件常采用渗碳处理。
根据渗碳剂的不同，渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。这里仅介绍工业上常用的气体渗碳。工件被置于充有气体渗碳剂的渗碳炉中，在渗碳温度（900～950℃）下加热至奥氏体状态并保温，气体渗碳剂分解出的活性碳原子被工件表面吸收并向工件内部扩散，形成一定深度的渗碳层。常用的气体渗碳剂是裂化混合气体（天然气或煤气+CH4+C3H8）或有机液体（煤油、苯、甲醇、丙酮等）在高温下分解成的混合气体（CO、CH4、C2H4等）。渗碳后工件中的碳浓度从表面向心部逐渐降低。表面碳的质量分数最高，通常在0.8%～1.1%范围内，心部则保持原始成分。低碳钢渗碳缓冷后的组织，由表面向心部依次为过共析组织、共析组织、过渡亚共析组织、原始亚共析组织。通常把过渡亚共析组织区一半处到表面的深度（对低碳钢）或过渡亚共析组织区终止处到表面的深度（对低碳合金钢）作为渗碳层深度。显然，渗碳温度越高，渗碳时间越长，则渗碳层深度越大。工件渗碳后还需进行淬火和低温回火处理，才能使表面具有高硬度、高耐磨性和较高的接触疲劳强度及弯曲疲劳强度，心部具有一定强度和高韧性。淬火可采用直接淬火法（自渗碳温度直接淬火）、一次淬火法（渗碳后出炉空冷，再重新加热进行淬火）或二次淬火法（渗碳后出炉空冷，先根据工件心部成分重新加热进行淬火，再根据工件表面成分加热进行淬火）。经淬火+低温回火后，工件表层组织为高碳回火马氏体+粒状渗碳体或碳化物+少量残留奥氏体，其硬度为58～64HRC，而心部组织则随钢的淬透性而定。对于普通低碳钢如15、20钢，其心部组织为铁素体+珠光体，硬度相当于10～15HRC；对于低碳合金钢如20CrMnTi，其心部组织为回火低碳马氏体+铁素体，硬度为35～45HRC，具有较高的心部强度及足够的塑性和韧性。
渗碳是汽车和拖拉机齿轮、活塞销等零件常用的表面热处理工艺，工件表面的碳含量及渗碳层深度对零件的性能有很大影响。对承受磨损的零件，表面wC以1.0%～1.1%为宜；对于承受多次冲击压缩负荷或接触疲劳负荷的零件，表面wC以0.8%～0.9%为宜。渗碳层深度随零件的截面尺寸及工作条件而定，可在0.3～3mm范围内变化。以齿轮为例，通常规定渗碳层深度为模数的15%～20%。当冲击或弯曲疲劳是主要危险时，应取下限，渗碳层较薄；当接触疲劳是主要危险时，应取上限，渗碳层较厚。对渗碳零件，其设计技术条件应注明渗碳层深度、表面硬度、心部硬度、不允许渗碳的部位等。采用渗碳工艺的零件常选用低碳钢或低碳合金钢制造，常用的工艺路线为：锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工→成品。
2.钢的渗氮渗氮是向钢件表层渗入氮原子的过程。其目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性以及热硬性（在600～650℃温度下仍保持较高硬度）。使钢渗氮的方法很多，如气体渗氮、液体渗氮、低温氮碳共渗、离子渗氮、镀钛渗氮等，这里仅介绍工业中应用最广泛的气体渗氮。气体渗氮是将工件放入充有氨气的渗氮炉中，在渗氮温度（500～560℃）下加热并保温，氨气分解出的活性氮原子被工件表面的铁素体吸收并向内部扩散，形成一定深度的渗氮层。工件在渗氮前一般先经调质处理，获得回火索氏体组织，以保证渗氮后工件心部有良好的综合力学性能，渗氮后不再进行淬火、回火处理。渗氮用钢通常是含有Al、Cr、Mo、V、Ti等的合金钢，典型的是38CrMoAlA，还有35CrMo、18CrNiW等。这些合金元素极易与氮元素形成颗粒细小、分布均匀、硬度很高而且非常稳定的各种氮化物，对提高工件性能有重要作用。采用渗氮工艺制造的零件常用的工艺路线为：锻造→退火（或正火）→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→精磨（或研磨）→成品。
渗氮后工件表面氮浓度最高，并向心部逐渐降低。钢的氮化层显微组织如图6-3所示。表层组织为氮化物Fe2N（ε）+Fe4N（γ′），其硬度为1000～1100HV，耐磨性和耐蚀性好；过渡区组织为Fe4N（γ′）+含氮铁素体（α）；心部组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能。通常把从工件表面到过渡区终止处的深度作为渗氮层深度，一般为0.15～0.75mm。实际上，由于钢中含有一定量的碳，渗氮层内要形成碳氮化合物。工件最表层的ε相是脆性的，在工作过程中易产生龟裂及剥落，故不应过厚，通常在渗氮后精磨时将该层磨去后再用。与渗碳相比，渗氮的主要优点是工艺温度低，变形小，渗层薄，硬度高，耐磨性好，疲劳强度高，并具有一定耐蚀性和热硬性。其主要缺点是生产周期长（30～50h），渗氮层脆性大，而且需要使用专用合金钢以形成合金氮化物来提高渗层的硬度和耐磨性。因此，渗氮主要应用于在交变载荷下工作的、要求耐磨和尺寸精度高的重要零件，如高速传动精密齿轮，高速柴油机曲轴，高精密机床主轴，镗床镗杆，压缩机活塞杆等，也可用于在较高温度下工作的耐磨、耐热零件，如阀门、排气阀等。对于渗氮零件，其设计技术条件应注明渗氮部位、渗氮层深度、表面硬度、心部硬度等，对轴肩或截面改变处应有R>0.5mm的圆角以防止渗氮层脆裂
图 6‑3钢的氮化层显微组织 ×400
3.钢的碳氮共渗碳氮共渗是同时向钢的表层渗入碳、氮原子的过程。它是将工件放入充有渗碳介质（如煤油、甲醇等）和氨气的炉中，在840～860℃温度下加热、保温，共渗介质分解出活性碳、氮原子被工件表面奥氏体吸收并向内部扩散，形成一定深度的碳氮共渗层。与渗碳相比，碳氮共渗温度低，速度快，零件变形小。在840～860℃保温4～5h即可获得深度为0.7～0.8mm的共渗层。经淬火+低温回火处理后，工件表层组织为细针状回火马氏体+颗粒状碳氮化合物Fe3（C、N）+少量残留奥氏体，具有较高的耐磨性和疲劳强度及抗压强度，并兼有一定的耐蚀性，常应用于低中碳合金钢制造的重、中负荷齿轮。近年来国内外都在发展深层碳氮共渗以代替渗碳，效果很好。其缺点是气氛较难控制。上述各种表面热处理方法都能使钢件获得“表硬心韧”的性能，从而具有既耐磨又抗冲击和疲劳的能力。但是，它们又各有其特点，应根据不同零件的工作条件合理选用。以齿轮为例，对于齿面硬度要求45～55HRC的齿轮，若模数大，如矿山、冶金机械上的大型齿轮，应选用中碳合金钢如40Cr钢制造，进行火焰淬火或中频感应加热单齿表面淬火；若模数较小，如机床上的齿轮，则用中碳钢如40、45钢制造，进行高频感应淬火；对于齿面硬度要求58～62HRC并承受较大负荷及冲击力的齿轮，如汽车、拖拉机的变速器齿轮，应选用低碳合金钢如20CrMnTi钢制造，进行渗碳和淬火+低温回火处理；对于齿面硬度要求65～72HRC的齿轮，如冲击力小的高速传动精密齿轮，应选用38CrMoAlA钢渗氮处理。
铝及铝合金
工业纯铝
铝是轻金属，密度为2.72g/cm3，仅为铁的1/3，纯铝熔点660℃，具有良好的导电性和导热性；磁化率极低，为非铁磁性材料；耐大气腐蚀性能好；铝为面心立方结构，无同素异构转变；具有极好的塑性（A=30%～50%，Z=80%），易于压力加工成形；有良好的低温韧性，直到-253℃温度时其塑性和韧性并不降低。但其强度过低（Rm为70～100MPa），通过加工硬化可使纯铝的强度提高（Rm可达150～250MPa），同时塑性下降（Z=50%～60%）。工业纯铝中铝的质量分数不小于99.00%，含有一些杂质，常见杂质元素有铁、硅、铜等。杂质含量越多，其电导率、耐蚀性及塑性降低越多。纯铝的牌号用国际四位字符体系表示。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母A、B或其他字母（有时也可用数字）。纯铝牌号中第一位数为1，即其牌号用1×××表示；第三、四位数为最低铝的质量分数中小数点后面的两位数字，例如铝的最低质量分数为99.70%，则第三、四位数为70。如果第二位的字母为A，则表示原始纯铝；如果第二位字母为B或其他字母，则表示原始纯铝的改型情况，即与原始纯铝相比，元素含量略有改变；如果第二位不是英文字母而是数字时，则表示杂质极限含量的控制情况，0表示纯铝中杂质极限含量无特殊控制，1～9则表示对一种或几种杂质极限含量有特殊控制。例如1A99表示铝的质量分数为99.99%的原始纯铝；1B99表示铝的质量分数为99.99%的改型纯铝，1B99是1A99的改型牌号；1A85表示铝的质量分数为99.85%的原始纯铝；1B85则是1A85的改型牌号，表示铝的质量分数158为99.85%的改型纯铝；1070表示杂质极限含量无特殊控制、铝的质量分数为99.70%的纯铝；1145表示对一种杂质的极限含量有特殊控制、铝的质量分数为99.45%的纯铝；1235表示对两种杂质的极限含量有特殊控制、铝的质量分数为99.35%的纯铝。显然，纯铝牌号中最后两位数字越大，则其纯度越高。纯铝常用牌号有1A99（原LG5）、1A97（原LG4）、1A93（原LG3）、1A90（原LG2）、1A85（原LG1）、1070A（代L1）、1060（代L2）、1050A（代L3）、1035（代L4）、1200（代L5）。纯铝的主要用途是配制铝合金，在电气工业中用铝代替铜作导线、电容器等，还可制作质轻、导热、耐大气腐蚀的器具及包覆材料。
铝合金
纯铝的硬度、强度很低、不适宜制作受力的机械零构件。向铝中加入适量的合金元素制成铝合金，可改变其组织结构，提高其性能。常加入的合金元素有铜、镁、硅、锌、锰等，有时还辅加微量的钛、锆、铬、硼等元素。这些合金元素通过固溶强化和第二相强化作用，可提高强度并仍保持纯铝的特性。不少铝合金还可以通过冷变形和热处理方法，进一步强化，其抗拉强度可达500～1000MPa，相当于低合金结构钢的强度，因此铝合金可以制造承受较大载荷的机械零件和构件，是工业中广泛使用的有色金属材料，由于其比强度比一般高得多，故成为飞机的主要结构材料。
变形铝合金
变形铝合金均是以压力加工（轧、挤、拉等）方法，制成各种型材、棒料、板、管、线、箔等半成品供应，供应状态有退火态、淬火自然时效态、淬火人工时效态等。变形铝合金的牌号也是用国际四位字符体系来表示。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母A、B或其他字母（有时也可用数字）。第一位数字为2～9，分别表示变形铝合金的组别，其中2×××表示以铜为主要合金元素的铝合金即铝铜合金，3×××表示以锰为主要合金元素的铝合金即铝锰合金，4×××表示以硅为主要合金元素的铝合金即铝硅合金，5×××表示以镁为主要合金元素的铝合金即铝镁合金，6×××表示以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金即铝镁硅合金，7×××表示以锌为主要合金元素的铝合金即铝锌合金，8×××表示以其他合金元素为主要合金元素的铝合金如铝锂合金，9×××表示备用合金组；最后两位数字为合金的编号，没有特殊意义，仅用来区分同一组中的不同合金；如果第二位字母为A，则表示原始合金，如果是B或其他字母，则表示原始合金的改型合金，如果第二位不是英文字母，而是数字时，0表示原始合金，1～9表示改型合金。例如2A01表示铝铜原始合金；5A05表示铝镁原始合金，5B05表示铝镁改型合金，5B05是5A05的改型牌号；7075表示铝锌原始合金，7475表示铝锌改型合金，7475是7075的改型牌号。下面简要介绍机械、航空等工业中常用的铝铜合金、铝锰合金、铝镁合金、铝锌合金、铝锂合金。表6-1为常用变形铝合金的牌号、化学成分、力学性能和用途。
（1）铝铜合金这类合金是以Cu为主要合金元素，再加入Si、Mn、Mg、Fe、Ni等元素，这些合金元素的主要作用是：Cu和Mg形成强化相CuAl2（θ相）及CuMgAl2（S相），Mg和Si形成强化相Mg2Si相，Fe和Ni形成耐热强化相Al9FeNi相。这些强化相通过自然时效或人工时效而析出，提高合金的强度。Mn提高合金的耐蚀性，也有一定固溶强化作用。常用变形铝铜合金的牌号有2A01（原LY1）、2A10（原LY10）、2A11（原LY11）、2A12（原LY12）、2A14（原LD10）、2A50（原LD5）、2B50（原LD6）、2A70（原LD7）。
2A01、2A10、2A11、2A12在机械工业和航空工业中得到广泛应用。2A01、2A10中Mg、Cu含量低，强度低、塑性好，主要用作铆钉；2A11和2A12中Mg、Cu含量较多，时效处理后抗拉强度可分别达400MPa和470MPa，通常将它们制成板材、型材和管材，主要用于飞机构件、蒙皮或挤压成螺旋桨、叶片等重要部件。
表 6‑9常用变形铝合金的牌号、 化学成分、 力学性能及用途
2A14、2A50、2B50基本上是Al-Cu-Mg-Si合金，其中Mg和Si形成强化相Mg2Si相。这类合金的热塑性好，适宜进行锻造、挤压、轧制、冲压等工艺加工，主要用于制造要求中等强度、较高塑性及耐蚀零件的锻件或模锻件，如喷气发动机的压气机叶轮、导风轮及飞机上的接头、框架、支杆等；2A70、2A80、2A90基本上是Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金，其中Fe和Ni形成耐热强化相Al9FeNi相。这三种合金的耐热强度依次递减，在300℃、100h下的持久强度分别为45MPa、40MPa、35MPa，主要用于制造在150～225℃工作温度范围内的铝合金零件，如发动机的压气机叶片、超音速飞机的蒙皮、隔框、桁条等。应该注意，2A14、2A50、2B50、2A70、2A80、2A90等合金都是经淬火+人工时效后使用，其淬火加热温度为500～530℃，人工时效温度为150～190℃。淬火后若在室温停留时间过长，由于有Mg2Si自然析出，会显著降低随后的人工时效强化效果。
（2）铝锰合金
这类合金是以Mn为主要合金元素，其中还含有适量的Mg和少量的Si和Fe。这些合金元素的主要作用是：Mn和Mg提高合金的耐蚀性和塑性，并起固溶强化作用；Si和Fe主要起固溶强化作用。铝锰合金锻造退火后为单相固溶体组织，耐蚀性高，塑性好，易于变形加工，焊接性好，但切削性差，不能进行热处理强化，常用冷变形加工产生加工硬化以提高其强度。常用变形铝锰合金的牌号有3A21（原LF21）、3003、3103、3004，其耐蚀性和强度均高于纯铝，用于制造需要弯曲、冲压加工的零件，如油罐、油箱、管道、铆钉等。
（3）铝镁合金
这类合金是以Mg为主要合金元素，再加入适量的Mn和少量的Si、Fe等元素。这些合金元素的主要作用是：Mg减小合金的密度、提高耐蚀性和塑性，并起固溶强化作用；Mn提高合金的耐蚀性和塑性，也起固溶强化作用；Si、Fe主要起固溶强化作用。和铝锰合金类似，铝镁合金锻造退火后也为单相固溶体组织，耐蚀性高，塑性好易于变形加工，焊接性好，但切削加工性差，不能进行热处理强化，常用冷变形加工产生加工硬化以提高其强度。常用变形铝镁合金的牌号有5A03（原LF3）、5A05（原LF5）、5B05（原LF10）、5A06（原LF6），它们的密度比纯铝小，强度比铝锰合金高，有较高的疲劳强度和抗振性，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。
（4）铝锌合金
这类合金以Zn为主要合金元素，再加入适量的Cu、Mg和少量的Cr、Mn等元素，基本上是Al-Zn-Cu-Mg合金，其时效强化相除有θ及S相外，主要强化相有MgZn2（η相）和Al2Mg3Zn3（T相）。铝锌合金在时效时产生强烈的强化效果，是时效后强度最高的一种铝合金。铝锌合金的常用牌号为7A04（原LC4）和7A09（原LC9）。铝锌合金的热态塑性好，一般经热加工后，进行淬火+人工时效。其淬火温度为455～480℃，人工时效温度为120～140℃，7A04时效后的抗拉强度可达600MPa，7A09可达680MPa。这类铝合金的缺点是耐蚀性差，一般采用wZn=1%的铝锌合金或纯铝进行包铝，以提高耐蚀性。另外，耐热性也较差。铝锌合金主要用于要求重量轻、工作温度不超过120～130℃的受力较大的结构件，如飞机的蒙皮、壁板、大梁、起落架部件和隔框等，以及光学仪器中受力较大的结构件。
（5）铝锂合金
铝锂合金是近年来国内外致力研究的一种新型变形铝合金，它是在AlCu合金和Al-Mg合金的基础上加入0.9%～2.8%的锂和0.08%～0.16%的锆（质量分数）而发展起来的。已研制成功的铝锂合金有Al-Cu-Li系、Al-Mg-Li系和Al-Cu-Mg-Li系，它们的牌号和化学成分如表6-2所示。研究表明，铝锂合金中的强化相有δ′（Al3Li）相、θ′165（CuAl2）相和T1（Al2MgLi）相，它们都有明显的时效强化效果，可以通过热处理（固溶处理+时效）来提高铝锂合金的强度。铝锂合金具有密度低、比强度和比刚度高（优于传统铝合金和钛合金）疲劳强度较好、耐蚀性和耐热性好等优点，是取代传统铝合金制作飞机和航天器结构件的理想材料，可减轻重量10%～20%。目前，2090合金（Al-Cu-Li系）、1420合金（Al-Mg-Li系）和8090合金（Al-Cu-Mg-Li系）已成功用于制造波音飞机、F-15战斗机、EFA战斗机、新型军用运输机的结构件及火箭和导弹的壳体、燃料箱等，取得了明显的减重效果。
表 6‑10国内外常用铝锂合金的牌号和化学成分
金属的表面预处理工艺
表面预处理就是利用某种工艺方法和手段，使工件的表面得到清理，或者使表面变得粗糙，以保证表面涂（镀）层与金属基体的有效结合。有时，人们又把表面预处理称为表面调整与净化。将采取各种加工方式使制品（或基材）表面达到一定表面粗糙度的过程称为表面精整。所有表面处理技术在工艺实施之前都必须对材料进行预处理，以便提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。大量实践证明，预处理是表面处理工程技术能否成功实施的关键因素之一。
1.表面预处理的目的和内容表面预处理的好坏，不仅在很大程度上决定了各类覆盖层与基体的结合强度，往往还影响这些表面生长层的质量，如结晶粗细、致密度、组织缺陷、外观色泽及平整性等。干净的待加工表面也是保证其工艺过程顺利进行和得到高质量改性层的基础条件。金属原始表面一般覆盖着氧化层、吸附层及普通沾污层，如图3-2所示。表面预处理的主要内容就是选择适当的方法去除覆盖物，达到与各种表面技术要求相符的清洁度。
（1）对工件进行镀前预处理的目的对工件进行镀前预处理的目的主要有以下几个方面：
1）使工件表面几何形状满足涂镀层的要求，如表面整平或拉毛。
2）使工件表面清洁度满足涂镀层的要求，如除油等。
3）除去化学覆盖层或化学吸附层，包括除锈、脱漆、活化，这样才能获得良好的镀层。
（2）对工件进行镀前预处理的内容镀前预处理包括：整平、除油、浸蚀、表整四个部分。
1）整平主要是除去工件上的毛刺、结瘤、锈层、氧化皮、灰渣及固体颗粒等，使工件表面平整、光滑。整平主要采用机械方法，如磨光、机械抛光、滚光、喷砂等；化学抛光和电化学抛光用于除去微观不平。
2）除油又称脱脂。表面油污是影响金属表面处理质量的重要因素，油污的存在会使表面涂层与基体的结合力下降，甚至使涂层起皮、脱落。除去工件表面油污（包括油、脂、手汗及其他污物）使工件表面清洁的方法有化学除油、电化学除油、有机溶剂除油等。
3）浸蚀又称除锈。浸蚀就是除去工件表面的锈层、氧化皮等金属腐蚀产物。在电镀生产中一般是将工件浸入酸溶液中进行，故称为浸蚀。主要目的是除去锈层和氧化皮的工序称为强浸蚀，包括化学强浸蚀、电化学强浸蚀。除锈的方法有机械法、化学法和电化学法。
4）表整包括表调和表面活化。如磷化表调是增加磷酸钛胶体作为磷化结晶核；表面活化是除去工件表面的氧化膜，露出基体金属，以保证镀层与基体的结合力。表面活化也是在酸性溶液中进行，但酸的浓度低，故称为弱浸蚀。
图 6‑4金属原始表面示意图
1—普通沾污层 2—吸附层
3—氧化层 4—贝氏层
5—变形层 6—基体
- 表面预处理的重要性
良好的预处理对保证表面处理质量和性能至关重要。如以电镀件生产为例，在生产实际中，很多电镀件的质量事故（如镀层局部脱落、起泡、花斑、局部无镀层等）的发生并不是电镀工艺本身，而是由于镀前预处理不当和欠佳所造成的。镀前预处理的作用是：
（1）保证电极反应顺利进行电镀过程必须在电解液与工件被镀表面良好接触、工件被镀液润湿的条件下才能进行。工件表面的油污、锈层、氧化皮等污物，妨碍电解液与金属基体的充分接触，使电极反应变得困难，甚至因隔离而不能发生。
（2）保证镀层与基体的结合力在基体金属晶格上外延生长的镀层具有良好的结合力。外延生长要求露出基体金属晶格，任何油污、锈蚀、氧化膜等都会影响电结晶过程。当镀件上附着极薄的、肉眼看不见的油膜或氧化膜时，虽然能得到外观正常、结晶细致的镀层，但是结合强度大为降低，工件受弯曲、冲击或冷热变化时，镀层会开裂或脱落。
（3）保证镀层平整光滑工件表面粗糙不平，镀层也是粗糙不平的，难以用镀后抛光进行整平。粗糙不平的镀层不仅外观差，耐蚀性也不如平整光洁的镀层。工件上的裂纹、缝隙、砂眼处的污物难以去除，而且容易积藏碱和电解液，镀件在存放时就会渗出腐蚀性液层，使镀层出现“黑斑”或者泛“白点”，大大降低镀层的耐蚀性。
3.表面预处理的指标
表面清洁度与表面粗糙度是材料表面处理技术预处理工艺的两个最重要指标。清洁度表示零件或产品在清洗后在其表面上残留的污物的量。一般来说，污物的量包括种类、形状、尺寸、数量、重量等衡量指标。产品是由零件经过设备加工装配而成的，所以清洁度分为零件清洁度和产品清洁度。产品的清洁度与零件的清洁度有直接的关系，同时还与生产工艺过程、车间环境、生产设备及人员有密切的关系。表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度一般是受所采用的加工方法和其他因素影响，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。
表面预处理工艺
目前生产中常用的预处理工艺通常分为以下几个步骤：
1.表面整平表面整平是指通过机械或化学方法去除材料表面的毛刺、锈蚀、划痕、焊瘤、焊缝凸起、砂眼、氧化皮等宏观缺陷，提高材料表面平整度的过程。表面整平除保障表面质量外，还起到装饰的作用。
2.脱脂脱脂是指用化学或电化学方法除去表面油脂。表面油脂是影响金属表面处理质量的重要因素，它会使表面涂层与基体的结合力下降，甚至使涂层起皮或脱落。
3.除锈（酸洗）除锈是指用化学或电化学方法除去金属表面的氧化皮或锈迹。常用的除锈方法有机械法、化学法和电化学法。
4.浸蚀用电化学方法露出基材表面的过程称为活化。活化的实质就是弱浸蚀，其目的就是露出金属的结晶组织，以保证涂层与基体之间结合牢固。基体预处理在表面处理中具有非常重要的地位和作用，具体表现如下：
1）为涂层加工做准备。例如，大型钢结构热喷涂锌和铝涂层制备时对预处理的要求是：喷砂处理、干燥，要求无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹。化学镀镍涂层制备时对预处理的要求是：除油—除锈—水洗—闪镀，基体表面无油污、无锈迹、无铅、无锌等污染即可。
2）基体预处理能增加涂层的功能（防腐蚀、防磨损及特殊功能）。例如，对有磷化和无磷化处理的同一涂层进行盐雾试验，结果大约相差一倍。可见，除油、磷化等预处理对涂层的防锈能力起非常关键的作用。
3）增强涂层与基体的附着力。例如，某些涂料涂层及热喷涂层，基体的结合以机械力为主，这就要求预处理不仅要除油、除锈，还要表面粗化。表面粗化的目的有两个：一是增大涂层与基体的接触面积；二是增加涂层材料与基体表面的胶合作用，以加强涂层与基体的附着力。
表面预处理新技术
- 超声波清洗
超声波是指频率高于16kHz的高频声波，常用频率范围为16～24kHz。超声波清洗以纵波推动清洗液，使液体产生无数微小的真空泡，当气泡受压爆破时，产生强大的冲击波对油污进行冲刷，以及由于气蚀引起的激烈的局部搅拌。同时，超声波反射引起的声压对液体也有搅拌作用。此外，超声波在液体中还具有加速溶解和乳化作用等。因此，对于采用常规清洗法难以达到清洗要求，以及形状比较复杂或隐蔽细缝的零件的清洗，效果会更好超声波清洗效果取决于清洗液的类型、清洗方式、清洗温度与时间、超声波频率、功率密度、清洗件的数量与复杂程度等条件。超声波清洗用的液体有有机溶剂、碱液、水剂清洗液等。最常用的超声波清洗脱脂装置主要由超声波换能器、清洗槽及发生器三部分构成，此外还有清洗液循环、过滤、加热及运输装置等。超声波清洗是一种新的清洗方法，操作简单，清洗速度快，质量好，所以被广泛应用。图3-3所示为超声波清洗机。
2.真空脱脂清洗
真空脱脂清洗是少无污染的新型清洗技术，采用的清洗剂是碳化氢系清洗剂，它对人体影响小，刺激性低，无臭。清洗效果达到三乙醇胺同等的清洗度，比碱液好，清洗剂又能回收与再生。真空脱脂清洗装置无公害，是封闭系统，而且安全系数高，生产率高，材料能自动装卸，操作方便。真空脱脂技术，不管是无清洗还是有液体清洗，其今后的应用必将更加广阔。
3.喷塑料丸退漆（涂料层）
飞机等重要大型构件涂（镀）层，在进行表面无损检测，寻找疲劳裂纹和硬性损伤时，首先要进行表面退掉涂料涂层处理（退漆）。传统的方法是用化学剂剥离或用砂轮手工打磨，但这两种方法都有缺点，如化学剥离法对金属基体存在腐蚀与损伤；用砂轮打磨易损伤基体，且退涂料涂层的效率很低。最近发展了喷塑料丸退漆新工艺，效果较好。喷塑料丸退漆是将颗粒状塑料，在压缩空气的作用下，通过喷枪高速喷射到工件表面，在塑料丸较锋利的棱角切割和冲撞击打双重作用下，使漆层表面发生割裂和剥离，从而达到高效退漆的目的。喷塑料丸退漆的主要优点是：由于塑料丸的硬度比漆层高，比基体或镀层与阳极化表面层硬度低，因此喷塑料丸退漆时既不会损伤基体，又不会对镀层等造成损伤，同时又为新漆层提供了清洁表面，有利于提高漆层结合力。塑料丸可回收循环使用，且易于与剥离下来的漆层分离。
4.空气火焰超声速喷砂、喷丸
超声速喷砂粗化是利用压缩空气作动力，将硬质砂粒高速喷射到基体表面，通过砂粒对表面的机械冲刷作用而使表面粗化。超声速喷砂速度为300～600m/s，喷砂的效率是通常喷砂的3～5倍以上，因此广泛应用于大型结构件的表面预处理，如桥梁、船舶、锅炉、输出管道等表面涂覆前的表面清理。此外，由于喷砂速度快、表面粗化效果好，常用于对喷涂效果要求高的零件或大型设备喷涂前的表面粗化，以及设备表面受各种自然污染较重（如油漆、水泥、有机与无机积垢）的表面清理。粗化处理在涂层制备工艺（如热喷涂、涂装及粘涂工艺）中，能增加涂层与基体的“锚钩”效应，减少涂层的收缩应力，从而提高涂层与基体的结合强度。喷砂所用的砂粒，要求硬度高、密度大、抗破碎性好、含尘量低，其粒度大小按所需的表面粗糙度而定。常用的砂粒有刚玉砂（氧化铝）、硅砂、碳化硅、金刚砂等。超声速表面喷丸是将大量超声速运动的弹丸喷射到工件表面，使其表面产生一定的塑性变形，从而获得一定厚度的强化层的工艺过程。
金属表而镀层技术
电镀技术
电镀工业历史久远，通过电镀，可以在机械零件及工艺品上获得保护装饰及有各种功能的镀层。通过电镀，可以提高金属的耐蚀性、耐磨性、装饰性及导电性、导磁性等。电镀还可以修复表面受磨损和破坏的工件。
电镀是利用电解的方式，使金属或合金沉积在工件表面，从而获得均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。电镀时待镀工件与电源负极相连作为阴极，浸入含有欲沉积金属离子的电解质溶液中，阳极为欲沉积金属的板或棒，某些电镀也使用石墨、不锈钢、铅或铅锑合金等不溶性阳极。电镀按施镀方式可分为挂镀、滚镀、连续电镀和刷镀等，可以根据镀件的尺寸和批量选择合适的电镀方式。其中，挂镀是最常见的一种电镀方式，电镀镀件悬挂在导电性能良好的挂具上，再浸入镀液中作阴极，适合于一般尺寸或尺寸较大的工件的电镀，如自行车的车把、汽车的保险杠等。滚镀也是一种常见的电镀方式，适用于小尺寸、大批量生产的零件的电镀，电镀时镀件置于多角形的滚筒中，依靠自身重力来接触滚筒内的阴极
电镀的工艺过程
电镀的工艺过程一般包括电镀前表面预处理、电镀、电镀后处理三个阶段。
- 电镀前表面预处理
电镀前的表面预处理是为了获得洁净、有活性的基体金属，为获得高质量镀层做准备。预处理主要有磨光、脱脂、除锈、活化等。为了使工件表面粗糙度达到一定要求，可以先用磨光或抛光方法来，再用化学、电化学方法去除油脂；用机械、酸洗或电化学方法除锈；最后的活化处理一般是在弱酸中浸泡一段时间。
- 电镀
工业生产中，电镀的实施方式多种多样，根据镀件的形状、尺寸和批量的不同，可以采用不同的施镀方式。其中挂镀是最常见的一种施镀方式。适用于普通形状和尺寸及较大的零件。挂镀时零件悬挂于用导电性能良好的材料制成的挂具上，然后浸没在镀液中作为阴极，两边适当的位置放置阳极。
- 电镀后处理
电镀后处理主要有钝化处理、除氢处理、表面抛光。钝化处理是为了提高镀层的耐蚀性，还可以增加镀层光泽和抗污染能力。除氢处理是为了避免镀件产生氢脆，一般是在一定温度下热处理几个小时。表面抛光是对镀层进行精加工，降低表面粗糙度，使镀层获得镜面装饰性效果，还可以提高耐蚀性。
单金属和合金电镀
1.单金属电镀
（1）镀锌
镀锌主要用于钢铁材料表面的防护性镀层。对钢铁材料来说，镀锌层是阳极镀层，兼有电化学保护和机械保护的双重作用，耐蚀性良好。镀锌层的防护能力与镀锌层厚度和孔隙率有关，镀层越厚，孔隙率越低，耐蚀性越好。镀锌层的厚度至少要满足零件在设计寿命期内的正常工作需要。一般镀锌层厚度为6～20μm，用于恶劣条件下的工件镀锌层厚度要在25μm以上。相同厚度的镀锌层，经过钝化处理后的防护能力提高了5～8倍。钝化膜还具有多种色彩，甚至可以获得香味镀锌。镀锌液分为碱性镀液、中性镀液和酸性镀液三种。碱性镀液有氰化物镀液、锌酸盐镀液和焦磷酸盐镀液等；中性镀液有氯化物镀液、硫酸盐光亮镀液等；酸性镀液有硫酸盐镀液、氯化铵镀液等。由于镀锌具有成本低、耐蚀性良好、美观和耐储存等优点，广泛应用于轻工、仪表、机械、农机、国防等领域。但镀锌层对人体有害，所以不宜用在食品工业中。
（2）镀铜
电镀铜主要用于以锌、铁等金属作为基体的材料。这些金属表面获得的镀铜层属于阴极镀层。当镀铜层有缺陷或受到破损，或有空隙时，在腐蚀介质的作用下，基体金属作为阳极会加快腐蚀，比未镀铜时腐蚀得更快。所以，单镀铜很少用于防护装饰性镀层，而是常作为其他镀层的中间镀层，以提高表面镀层金属和基体的结合力。采用厚镀铜（底层）加薄镀镍的镀层，可以减少镀层孔隙并减少镍的消耗。渗碳或渗氮时镀铜层还可以保护局部不需要渗碳和渗氮的部位，因为碳和氮在铜中的扩散和渗透很困难。钢丝上镀厚铜来代替铜导线，可以减少铜的消耗量。镀铜液的种类很多，有氰化物镀铜液、硫酸盐镀铜液、焦磷酸盐镀铜液、柠檬酸盐镀铜液、氨三乙酸镀铜液及氟硼酸盐镀铜液等。图6-5所示为电镀铜、银和金后的钢珠。
图 6‑5电镀铜、 银和金后的钢珠
- 镀铬
铬是一种微带天蓝色的银白色金属。铬在大气中具有强烈的钝化能力，会生成一层很薄的致密氧化膜，表现出很好的化学稳定性。铬在碱液、硝酸、硫酸、硫化物及许多有机酸中都很稳定；但铬能溶于氢卤酸和热的浓硫酸。镀铬具有良好的耐蚀性，浸润性很差，表现出憎水、憎油的性质。铬还有较高的硬度，良好的耐磨性，较好的耐热性，铬在空气中加热到500℃时，其外观和硬度无明显变化，大于500℃时开始氧化，大于700℃时开始。
镀镍层根据应用可分为防护装饰性镀层和功能性镀层两大类。防护装饰性镀镍层主要用于低碳钢、锌铸件及某些铝合金和铜合金的基体防腐，并通过抛光暗镍或直接镀光亮镍获得光亮镀镍层，达到装饰的效果。但是，镍在大气中容易变暗，所以光亮镀镍层上往往需要再镀一薄层铬，使其耐蚀性更好，外观更美丽。如果在光亮镍镀层上镀一层金或一层仿金镀层，并覆着有机物，就会获得金色镀层。自行车、家用电器仪表、缝纫机、汽车、照相机等上的零件都使用镀镍层作为防护装饰性镀层；功能性电镀镍层主要用于修复被磨损、腐蚀或加工过量的零件，这种镀层要比实际需要的厚一些，再经过机械加工使其达到规定的尺寸。电镀镍使用的主盐类主要是硫酸镍和氯化镍。
- 合金电镀
通过合金电镀的方法来改善镀层的性能，可以获得数百种性能各异的镀层，这对于解决装饰性、耐蚀性、耐磨性、磁性、钎焊性、导电性等方面的问题有很大的作用。因此，合金电镀是获得各种性能镀层的有效方法，它为电镀工业的发展开辟了广阔的前景。用电镀的方法获得的合金，还具有许多与热熔方法不同的特点：
1）可获得由高熔点与低熔点金属组成的合金。
2）可获得热熔相图没有的合金。
3）可获得非常致密、性能优异的非晶质合金。
4）可获得水溶液中难以单独沉积金属的合金。
5）控制一定的条件还可使电位较负的金属优先析出。合金电镀通常按合金含量最高的元素来分类，因此，可以将合金分为铜（基）合金、银（基）合金、锌（基）合金、镍（基）合金等。铜锡合金具有孔隙率低、耐蚀性好、容易抛光和直接镀铬等优点，是目前应用最广的合金镀层之一。氰化电镀铜锡合金采用氰化物镀液，其主要原因是镀层的成分和色泽容易控制，镀液的分散能力好，通过改变镀液的组成和条件，可以获得低锡、中锡和高锡等一系列色泽不同的铜锡合金镀层。其缺点是镀液含有大量有剧毒的氰化物，而且操作温度较高，故对生产车间的安全要求严格。
化学镀技术
化学镀镍溶液的组成及其相应的工作条件必须使反应只在具有催化作用的工件表面上进行，镀液本身不发生氧化还原反应，以免溶液自然分解、失效。如果被镀金属本身是催化剂，则化学镀的过程就具有催化作用。镍、铜、钴、铑、钯等金属都具有催化作用。
化学镀的特点化学镀与电镀相比，具有如下特点：
1）镀层厚度非常均匀，化学镀液的分散能力非常好，无明显的边缘效应，几乎是工件形状的复制。所以化学镀特别适用于形状复杂的工件，尤其是有深孔、不通孔、腔体等的工件的电镀。化学镀层非常光洁平整，镀后基本不需要镀后加工。
2）可以在金属、非金属、半导体等各种不同基材上镀覆。化学镀可以作为非导体电镀前的导电底层镀层。
3）镀层致密，孔隙低，基体与镀层结合良好。
4）工艺设备简单，不需要外加电源。
5）化学镀也有其局限性，例如镀层金属种类没有电镀多，镀层厚度一般没有电镀高，化学镀的镀液成本一般比电镀液成本高。
1.化学镀镍
性能：化学镀镍层的密度低于电镀镍层，P、B含量越高的镀层密度越小。化学镀镍层的硬度不低于400～500HV，经过热处理后其硬度可以超过1000HV，且耐磨性比电镀镍层的要高。化学镀镍层的耐蚀性也高于电镀镍的耐蚀性，尤其是Ni-P镀层的耐蚀性更好。
化学镀镍的应用化学镀镍有以下几个方面的应用：
1）在磨具表面强化方面。采用化学镀镍的方法强化磨具表面，既能提高工件表面的硬度、耐磨性、抗擦伤性、抗咬合性，又能够起到固体润滑的效果。同时化学镀镍层和基体结合良好，又具有良好的耐蚀性。
2）在石油和化学工业中的应用方面。化学镀镍兼具优良的耐蚀性和耐磨性两大特点，膜层厚度均匀，不受零件形状、尺寸的限制，即使在形状复杂的零件表面也能获得均匀、致密的膜层。化学镀镍层对含有硫化氢的石油和天然气环境及酸、碱、盐等化学腐蚀介质有着优良的耐蚀性。在普通钢或低合金钢上镀一层50～70μm的Ni-P合金，其寿命可提高3～6倍。
3）在汽车工业中的应用方面。化学镀镍主要利用其耐蚀性和耐磨性，可应用于发动机主轴、差动小齿轮、发电机散热器和制动器接头等。如汽车驱动机械的主要部件小齿轮轴，零件加工后在基体表面获得13～18μm的化学镀Ni-P层，并且镀后进行适当的热处理，可使工件表面硬度提高至60HRC以上，耐磨性大大提高，膜层均匀，不需要加工就可以保证公差和轴的对称性。使用时发现噪声降低，因为膜层使其磨合性和耐磨性得到改善，发动机可以平滑转动。
4）在航空航天工业方面。国外已经将化学镀镍列入飞机发动机维修指南，采用化学镀镍技术维修飞机发动机的零部件，不仅大大节约了成本，飞机辅助的发电机经过化学镀镍后其使用寿命还会提高3～4倍。
5）在计算机及电子工业方面。计算机硬盘表面化学镀镍可以保护基体不变形，不被磨损和腐蚀。电子元器件表面化学镀镍合金镀层可以降低电阻温度系数或提高钎焊性。
2.化学镀铜
化学镀铜主要用于非导体材料的金属化处理、塑料制品、电子工业的印制电路板。化学镀铜层的物理、化学性质与电镀法所获得的镀层基本相似。化学镀铜的原理是利用甲醛、次磷酸钠、硼氢化钠和肼等为还原剂，Cu2+得到电子，在催化表面还原成铜。
化学镀铜层的特点和应用：
与电镀铜相比，化学镀铜层含杂质较多，内应力较大，硬度、抗拉强度较高，而延展性较低。化学镀铜主要用于印制电路板及塑料装饰行业。同时，化学镀铜层可以增强电子元器件的抗电磁干扰能力。大规模集成电路可以用化学镀铜代替铝，提高了导电性。
金属表面转化膜技术
金属表面转化膜是指通过化学或电化学方法，使金属与特定的腐蚀液相接触，在金属表面形成一种稳定、致密、附着力良好的化合物膜层。表面转化膜几乎在所有的金属表面都能生成。各种金属的表面转化膜及其分类如下：
（1）按转化过程中是否存在外加电流来分类 按转化过程中是否存在外加电流可分为化学转化膜和电化学转化膜两类。化学转化膜不需要外加电源，而电化学氧化需要外加电源。
（2）按转化膜的主要组成物的类型来分类 按转化膜的主要组成物的类型可分为氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜和草酸盐膜。氧化物膜是金属在含有氧化剂的溶液中形成的膜层，其成膜过程称为氧化；磷酸盐膜是金属在磷酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称为磷化；铬酸盐膜是金属在含有铬酸或铬酸盐的溶液中形成的膜层，其成膜过程通常称为钝化。金属表面转化膜的分类见表6-11。
金属表面转化膜的主要用途：
金属表面形成转化膜后，不仅使金属表面的耐蚀性、耐磨性以及外观得到了极大的改善，同时还能提高有机涂层的附着性和抗老化性，用于涂装底层。此外，有些表面转化膜还可提高金属表面的绝缘性和防爆性。表面转化膜技术广泛应用于机械、电子、仪器仪表、汽车、船舶、飞机制造及日常用品等领域中。其基本用途如下：
（1）防腐 对有一般要求的防锈零部件，如涂防锈油等，利用很薄的金属转化膜作为底层使用；对有特殊要求的防锈零部件，工件在外力作用下又不受弯曲、冲击等，金属转化膜层需均匀致密，且膜层较厚为佳。
表 6‑11属表面转化膜的分类
（2）耐磨减摩 金属与金属面相互接触摩擦的部位需要用耐磨化学转化膜。例如：经磷酸盐处理得到的磷酸盐膜层具有很小的摩擦因数和良好的吸油作用，会在金属接触面间产生一缓冲层，保护基体减小磨损。
（3）涂装底层 在某些情况下，化学转化膜也可作为某些金属镀层的底层。例如：作为涂装底层的化学转化膜要求膜层致密、质地均匀、薄厚适宜、晶粒细小等。
（4）用于装饰 金属转化膜依靠自身的装饰外观或者多孔性质能够吸附各种美观的色料，常用于日常用品等的装饰上。
（5）提高涂膜与基体的结合力 金属转化膜的主要作用就是提高涂膜与基体的结合力。
（6）适用于冷成形加工 在金属表面形成磷酸盐膜后再进行塑性加工，例如进行钢管、钢丝等材料的冷拉伸，是磷酸盐膜层最新的应用领域之一。在金属表面形成转化膜后对其进行拉拔时可以减小拉伸力，从而延长模具使用寿命，减少拉拔次数，提高生产效率。
（7）电绝缘等功能性膜 在金属表面形成的磷酸盐膜层是电的不良导体，且耐热性好，在冲裁加工时可减少工具的磨损等。
钢铁的化学氧化
钢铁发蓝的实质是钢铁的化学氧化过程，也称发黑。它是指将钢铁浸在含有氧化剂的溶液中，经过一定时间后，在其表面生成一层均匀的、以Fe3O4为主要成分的氧化膜的过程。发蓝后的钢铁表面氧化膜的色泽取决于工件表面的状态、材料成分以及发蓝处理时的操作条件，一般为蓝黑到黑色。碳质量分数较高的钢铁氧化膜呈灰褐色或黑褐色。发蓝处理后膜层厚度可达到0.5～1.5μm，氧化膜层对零件的尺寸和精度无显著影响。
钢铁的发蓝工艺和温度有关，根据处理温度的高低，钢铁的发蓝法可分为高温化学氧化法和常温化学氧化法。这两种方法所选用的处理液成分不同，形成膜的成分不同，成膜机理也不同。
铝及铝合金的化学氧化
铝的新鲜表面在大气中立即生成自然氧化膜，这层氧化膜虽然非常薄，仍然赋予铝一定的耐蚀性，因此铝比钢铁耐蚀性好。随着合金成分与暴露时间的不同，这层膜的厚度发生变化，一般膜厚为0.005～0.015μm，然而这个厚度范围不足以保护铝免于腐蚀，也不足以作为有机涂层的可靠底层。通过适当的化学处理，氧化膜的厚度可以增加100～200倍，从自然氧化膜成为化学氧化膜。
铝的化学转化处理就是在化学转化处理液中，金属铝表面与溶液中化学氧化剂反应，而不是通过外加电压生成化学转化膜的化学处理过程。化学转化膜又称为化学氧化膜、化学处理膜。铝及铝合金经过化学氧化可得到厚度为0.5～4μm的氧化膜，膜层多孔，具有良好的吸附性，可作为有机涂层的底层，但其耐磨性和耐蚀性均不如阳极氧化膜好。化学氧化法的特点是设备简单、操作方便、生产率高、不消耗电能、成本低。该法适用于一些不适合阳极氧化的铝及铝合金制品的表面处理。铝在pH值为4.45～8.38时，均能形成化学氧化膜，但机理尚不清楚，估计与铝在沸水介质中的成膜反应是一致的。
其他金属的阳极氧化
除了铝以外，许多有色金属也可以进行阳极氧化处理来获得氧化物膜层。镁合金阳极氧化处理获得的阳极氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和硬度等一般比化学法要高；缺点是膜层脆性较大，对复杂制件难以获得均匀的膜层。镁合金阳极氧化可以在酸性和碱性介质中进行，氧化条件不同，氧化膜可以呈不同的结构和颜色。铜及铜合金在氢氧化钠溶液中阳极氧化处理后可得到黑色氧化铜膜层，该膜薄而致密，与基体结合良好，且处理后几乎不影响精度，被广泛应用于精密仪器等零件的表面装饰上。阳极氧化也是提高钛合金耐磨性和耐蚀性的一种方法，在航空航天领域有较广泛的应用。此外，其他金属如Si、Ge、Ta、Zn、Cd及钢也可以进行阳极氧化处理。
硬质阳极氧化技术
铝的硬质阳极氧化技术是以阳极氧化膜的硬度与耐磨性作为首要特性的阳极氧化技术，这种膜一般以通用工程应用或军事应用为目的，膜厚常大于25μm。硬质阳极氧化工艺与普通阳极氧化没有严格的界限，硬质阳极氧化为了满足硬度和耐磨性，其槽液温度低，电流密度高，更多采用特殊电解溶液。硬质阳极氧化技术既适用于变形铝合金，也常用于制造零部件的压铸铝合金。作为工程应用的硬质氧化膜一般厚度为25～150μm，膜厚小于25μm的氧化膜使用的场合比较少，有时在齿键和螺线上使用。在耐磨和绝缘的适用场合，例如活塞、气缸等动摩擦机械部件，最常用的厚度是50～180μm。
硬质阳极氧化工艺与硬质阳极氧化膜的性能受铝合金种类和生产工艺的影响很大，除了与铝合金的型号有关外，铝合金的形态对硬质阳极氧化也有影响，变形铝合金的形态有薄板、板材、挤压材、锻压以及铸件等。
铝合金除了加工状态以外，合金成分也很重要。以下针对不同铝合金系对于硬质阳极氧化的影响作简单介绍。
1000、1100系铝合金的硬质阳极氧化膜主要用在电绝缘的场合，例如中心电导高并兼具中等强度时，则推荐选用特殊的电导铝合金。
2000系铝合金的主要问题是富铜的金属间化合物相的优先溶解，从而在硬质阳极氧化膜中形成空洞。解决上述缺陷的诀窍是控制电流上升时间和降低电流密度，使得开始生成薄膜时尽量防止富铜相的局部溶解。
5000系铝合金硬质阳极氧化并不困难，但是如果恒电流密度控制不好，就存在“烧损”或“膜厚过度”的危险。这种危险随着铝合金的镁含量的增加而变得严重。
6000系铝合金中6063铝合金的硬质阳极氧化一般不存在问题，但是6061铝合金或6082铝合金可能出现冶金学有关的问题。例如麦道民航飞机用6013铝合金（Al-Mg-Si-Cu），其中含质量分数为0.90%的铜，硬质阳极氧化类似于6061铝合金那样，成膜效率低且TABER耐磨性较差。
7000系铝合金虽有“针孔”或“孔洞”问题，但并不严重。7000系铝合金的氧化膜硬度和耐磨性都比6000系铝合金低，给定电流密度下的电压比2000系铝合金和5000系铝合金也低些。硬质阳极氧化的条件，即电解溶液的成分、温度、电流密度、电流类型和氧化时间都对合金的成膜过程，也就是膜厚有影响。
硬质阳极氧化膜的性能
1.一般硬质阳极氧化膜的性能
硬质阳极氧化膜应该具有高硬度和高耐磨性，由于相对密度较高、孔隙率低，膜的电绝缘性很高，耐蚀性也好。下面分别说明各项主要性能：
（1）外观和均匀性 总体来说，外加电压高使得表面粗糙，阳极氧化膜均匀性变差。阳极氧化膜的颜色与合金和膜厚都有关，压铸铝合金中随Si含量的增加，颜色从灰色向深灰过渡。对于纯铝（99.99%Al）在膜厚为25μm时没有颜色，而膜厚为125μm时颜色变浅褐色。因此，硬质阳极氧化与普通阳极氧化相比，硬质阳极氧化膜的影像清晰度明显下降。此外硬质阳极氧化膜可能存在微裂纹。
（2）硬度和耐磨性 硬质阳极氧化膜的硬度和耐磨性是基本的考虑因素。硬质阳极氧化膜的显微硬度除了是合金本身的特性之外，还与硬质阳极氧化工艺、硬度实验的加载大小和膜的横截面位置有关。6061-T6合金的Hardas膜显微硬度约为500HV，而MHC膜可达530HV。硬质阳极氧化膜横截面的硬度从铝基体到膜表面逐渐下降。人们常有一种印象，认为硬度较高表示耐磨性较好，然而应该注意硬度与耐磨性尽管有联系，但并不是同一个物理量。例如：单纯从硬度比较，硬质阳极氧化膜（400～500HV）不如高速工具钢或硬铬（950～1100HV）。但是MHC硬质膜的耐磨性却与硬铬相仿，甚至比高速工具钢还好些。硬质阳极氧化膜的耐磨性显然比常规阳极氧化膜的耐磨性好得多，但是各国和各实验室的实验方法和仪器不同，即使同一实验方法，数据的分散性常常也很大，因此测量数据的直接比较还是相当困难的。可能与湿度的影响有关。
（3）耐蚀性 总的来说，硬质阳极氧化膜的耐蚀性优于常规阳极氧化膜，这可能与孔隙率低、膜比较厚有关系。硬质阳极氧化的部件已经通过了5%中性盐雾试验，在许多场合还可以与不锈钢媲美。但是也并不尽然，2024合金的硬质阳极氧化膜相对普通阳极氧化膜，不仅耐磨性没有明显改善，耐蚀性也没有明显提高。重铬酸钾封孔固然可以提高膜的耐蚀性，但是却会降低耐磨性，所以硬质阳极氧化膜一般不予封孔，有时候根据需要填充石蜡、矿物油或硅烷等。另外在厚膜的情形下，应该尽量防止硬质阳极氧化膜的微裂纹，因为微裂纹会降低膜的耐蚀性。填充聚四氟乙烯（PTFE）可以提高耐蚀性，又不会降低耐磨性。填充PTFE可以将硬质阳极氧化膜的摩擦因数降低到0.05，这是十分有效的减摩手段，已经用在气缸的内表面。
（4）热学性能与耐热性 无水三氧化二铝的熔融温度为2100℃，水合氧化铝在500℃左右开始失去结晶水。阳极氧化膜的比热容是0.837J/（g·℃）（20～100℃）和0.976J/（g·℃）（100～500℃）。阳极氧化膜的线胀系数是铝的1/5，而它的热导率只有铝的1/13～1/10。铝的热发射性随阳极氧化膜的生长迅速提高，10μm阳极氧化膜增加了80%。因此硬质阳极氧化厚膜是热耗散的良好“黑体”，可以消除加热部件的热斑，利用这个特性可以加工诸如炊具之类的用具。
（5）电学性能与电绝缘性 阳极氧化膜是非导电性的，硬质阳极氧化膜的击穿电压甚至可以高达2000V以上。为了保持氧化膜电接触的需要，常采用掩蔽技术进行硬质阳极氧化。5054A铝合金的Hardas膜的击穿电压在表6-9中列出，热水封孔和填充石蜡能够改善电绝缘性。如果击穿电压作为首要考虑因素，应该采用升高外加电压以增加阻挡层的厚度。击穿电压的精确数据难以确定，因为合金成分、膜的微裂纹、环境湿度等都有不确定的影响。s膜的使用温度为480℃，介电强度为26V/μm，热导率为3.1W/（m·℃）。
（6）力学性能 硬质阳极氧化膜的对于铝基体的抗拉强度影响不大，但是延伸率和持久强度有明显下降。
7）基体铝合金成分的影响 铝合金成分对于硬质阳极氧化膜的性能有明
显的影响，尤其是对于硬度和耐磨性影响较大。由于硬质阳极氧化对于合金的影响比普通阳极氧化大得多，因此不同合金的部件在硬质阳极氧化时，应该尽可能避免批次混合。待处理的铝合金有烧损趋势时，硬质阳极氧化的电流和电压比普通阳极氧化的都高，由于氧化膜上的薄弱点通过的电流较大，从而更容易形成局部高温，使得膜的溶解速度比膜的生成速度快。比如含铜高的铝合金就是这种情形，此时要注意控制启动阶段的电流密度。高锌或高镁铝合金的阳极氧化膜本身的结合力不如纯铝的膜，因此不适合用于冲击负荷的场合。
钢铁的磷化处理
金属在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于水的结晶型磷酸盐保护膜方法，称为磷酸盐处理，也称磷化处理。磷化膜主要成分是Fe3（PO4）2、Mn3（PO4）2、Zn3（PO4）2，厚度一般为1～50μm，具有微孔结构，膜的颜色一般由浅灰到黑灰色，有时也可呈彩虹色。
磷化膜层与基体结合牢固，经钝化或封闭后具有良好的吸附性、润滑性、耐蚀性及较高的绝缘性等，广泛应用于汽车、船舶、航空航天、机械制造及家电等工业生产中，如用作涂料涂装的底层、金属冷加工时的润滑层、金属表面保护层以及硅钢片的绝缘处理、压铸模具的防粘处理等。涂装底层是磷化的最大用途所在，占磷化总工业用途的60%～70%，如汽车行业的电泳涂装。磷化膜作为涂漆前的底层，能提高漆膜附着力和整个涂层体系的耐蚀能力。磷化处理得当，可使漆膜附着力提高2～3倍，整体耐蚀性提高1～2倍。
中国连续突破多项钛合金技术，摇身一变，成为了世界上一流的钛合金加工生产国。就连美国商务部也曾发出感叹，如果中国和俄罗斯对美国断供钛合金，将会引发“相当程度的冲击”。
钛及钛合金应用钛的应用始于20世纪50年代初，迄今约半个世纪。钛的应用是从航空开始的。高的比强度和良好的耐热性使钛成为一种重要的航空结构材料，并使钛首先在航空发动机上获得了应用。第一个使用的钛合金是Ti-6Al-4V（TC4）合金。这个钛合金就是目前世界上最广泛使用的钛合金。在航空应用中，钛的应用又是先从军用飞机开始的，当代最先进的飞机如战斗机F-15、F-22、F-117、轰炸机B1、B1B、直升机、大型军用运输机都是使用钛材较多的飞机。从20 世纪60年代中开始，钛开始用于商业运输机。
在过去50年中，钛主要应用于四个领域∶①航空（战机和民航机）和核潜艇，典型产品是航空发动机压气机盘和叶片、机翼、舰船壳体等；②化工、冶金、电力等民用工业部门，典型产品是大型化工压力容器、各类热交换器（板式、列管式、盘管式）和管道、泵、阀等；③医疗、体育及日常生活用品，典型产品是钛骨头、医疗器械、高尔夫球头、工艺品、炊具和眼镜架等；④建筑、汽车等主导产业部门和信息产业。目前，钛应用于体育馆、博物馆和城市雕塑等标志性高档建筑正成为一种时尚，钛在高档汽车发动机上用做阀门、弹簧已成为较成熟的技术，钛用做3C电子产品壳体或元件日益引人重视。
钛应用的广泛性可用下图表示。在21世纪，随着钛生产技术的成熟、成本的下降和社会各界对钛认识的深入，钛及钛合金的应用将越来越广泛。
在钛的诸多应用中，航空应用仍占主导地位。目前世界70%~80%的钛牌号和约50%的钛材量应用于航空领域。非航空的应用以工业纯钛为主，专用钛合金，如耐蚀钛合金、生物医用钛合金等品种比较少。不过，由于飞机数量有限，航空应用也有限。钛应用的总的发展趋势是非航空应用比例在增加。大力促进钛的非航空应用应是钛产业界和机械工程界的主要努力方向。
钛在航空工业中的应用
钛在航空上的适用性和优势钛与航空有着不解之缘。1910年，即世界莱特兄弟制造的第一架飞机问世后的第7年，用“钠法”（钠还原TiCl）制取钛）获得了金属钛。1948年，钛登上工业舞台。钛材一出来，就首先应用于航空这种新型的高科技产业。1953年，在美国道格拉斯公司生产的DC-T机发动吊舱和防火壁上首次使用了钛材，从而揭开了钛航空应用的历史。多年来，航空一直是钛材的最大市场，目前全世界年产钛材约6万吨，其中50%应用于航空。
- 钛比强度高，有利于飞机减重。钛的密度比钢约轻40%，而强度与钢相当。钛的比强度优于一般航空用钛材和铝材。几种金属材料比强度的比较见图。
- 钛的耐热性相当好，远胜于铝与镁。钛的熔点达1668℃，比铁熔点高，比铝、镁熔点约高1000℃，再结晶温度也高达600℃。因此，它的工作温度较高，适于发动机和机身温度较高的部位使用。钛也耐低温，不易产生低温脆性，钛的使用温区很宽。
- 钛的耐蚀性非常好，通常不需要特别的表面防护措施，维护方便，对舰载机、水上飞机及沿海地区服役的飞机十分有利。
- 钛的加工成形性也较好，可以满足飞机、发动机复杂、大型构件的加工成形要求。
- 钛的线胀系数和腐蚀电位与树脂基复合材料相近，有利于钛与复合材料配合使用。
- 钛的弹性好（σ/E大）和抗弹性能好等特性，也有利于钛的应用，如做弹簧构件、防弹装甲等。钛在航空上的应用，包括在发动机、机体和机载设备上三方面的应用。本篇将介绍钛在发动机和机体中的应用。喷气发动机是飞机的心脏。
航空发动机的主要用钛部位（涂黑部位）航空发动机的主要用钛部位是发动机的压气机部分，其中风扇、高压压气机盘件和叶片等转动件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性，即要求部件在300℃~658℃温度下有良好的高温持久强度、抗蠕变性和抗氧化性。这样的工况条件，对铝来说温度太高，对钢和高温镍基合金来说，密度太大。专家指出，钢制的风扇叶片在高速运转中仅离心力的作用就难以承受，何况还有气动力，因而钛合金则是最佳的选择。
国际上在飞机发动机上普遍使用的钛合金有Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-17、Ti-6242、Ti-6246、Ti-1100、IMI829、IMI834等两相钛合金和近a型钛合金，因为它们是耐热性较好钛合金。实践表明，常规钛合金只能用于650℃以下，为制造推重比10以上的先进发动机，需要开发以钛基复合材料和以Ti3Al、TiAl型金属间化合物为基的钛合金。
钛在飞机机体上的应用是飞机高速化、大型化、远程化的必然结果。飞机速度越快，即马赫数（M）越高，机体表面的空气动力加热越剧烈，飞行距离越长（航程越远），持续飞行时间越长，气动加热的效应也越显著，轻质高比强度和耐高温的钛合金成为目前机体优选的材料。
下图标示出了航空材料的比强度与飞行速度（马赫数）和气动加热温度之间的关系。可以看出，当飞行速度大于2.2M时，铝合金的耐热性已不能满足许多部件的耐热性要求。钛的熔点比铝高1000℃，再结晶温度比铝高几百度，钛的耐热性远胜于铝。随着飞行速度的提高，钛的比强度优势越大。
二、航空钛构件的设计原则
根据长期的实践经验，航空钛构件的设计应遵循一些原则：
- 使用钛合金的部位主要是受热区、腐蚀严重部件、受力大的部位（通常需要合金结构钢的部位）。这样，可充分发挥钛合金高比强和耐蚀性好的优势。
- 钛合金部件的尺寸要考虑到国内钛材的实际供应能力和航空制造厂设备的加工能力。例如，钛锻件受钛合金锻造设备能力、毛坯供应能力、材质检验水平的限制；钣金件尺寸受热蠕变成形设备能力的限制。
- 钛合金件刚性差，回弹大，设计钛合金制件时要适当放宽公差、配合精度及最后精加工公差要求。要选择合适的壁厚，加大转弯处的转角R，非转角R不能太大，R3~R5较合适，以利于提高刀具的寿命，保证加工质量，从设计角度补偿钛合金工艺性欠佳的缺陷。
- 钛合金电极电位与不锈钢、石墨相近，但与铝合金相差较大，因此在设计时要充分考虑钛合金与铝合金接触腐蚀问题。接触面要涂密封胶如XM-31密封胶（高温区部件）或XM-33密封胶（非高温区部位）；铝合金与钛合金接触表面要严格清洗，并不得涂漆，否则密封胶涂敷效果。
- 钛制金制件不宜用于摩擦大的地方，如转动轴衬、弹链箱等运动部件。钛合金与其他金属亲和力强，摩擦系数大，耐磨性差，容易产生磨蚀疲劳。对于无法避免钛合金构件摩擦的转动部件，应使用油、润滑剂等抗磨蚀剂，或对钛合金部件进行表面改性处理，增强其耐磨性。
- 要避免“镉脆”。在一定温度与应力下，钛合金与镀镉零件会发生作用，产生“镉脆”。因此，禁止钛零件与镀镉零件、标准件或工具接触。钛合金对镉脆的敏感性大于高强钢，在设计中应特别予以强调。
- 严格制定钛合金制件的表面处理规范。热处理工件一般应采用两次表面酸洗。在成形前，对毛料进行第一次酸洗去除表面氧化皮，以降低成形时开裂的危险；零件成形完毕后再进行二次酸洗，以去除成形和修整过程中的各种污染及高温成形过程中形成的氧化皮，保持钛零件的清洁度，保证以后装配、焊接不受污染物的影响。
8）钛合金构件的开敞要好，尽量减少闭角，最大限度地避免补加工。钛合金构件加工刀具不同于一般铝合金等构件的加工刀具，外场工作限制大，修边、钻孔都应备有专用刀具，设计时要考虑到这些特点，明示现场施工人员。
纳入申万钛白粉板块的个股只有10只，其中4只出现涨停。
6月9日，钛白粉板块领涨A股，金浦钛业、安纳达和鲁北化工三家钛白粉生产企业，以及钛精矿生产企业安宁股份涨停。
前一日晚间，根据钛白粉市场需求情况、原材料价格上涨等因素，经龙蟒佰利联集团股份有限公司价格委员会研究决定，自2021年7月1日起，公司各型号钛白粉（包括硫酸法钛白粉、氯化法钛白粉）销售价格在原价基础上对下游各类客户上调500元人民币/吨。
需要指出的是，龙蟒佰利为国内钛白粉行业绝对龙头，其调价指引作用十分明显。
相关数据显示，国内钛白粉总产能为423万吨，其中龙蟒佰利占比近24%，拥有焦作、德阳、攀枝花，襄阳等6大生产基地，产能达到100万吨。
此次龙蟒佰利宣布上调7月钛白粉价格，无疑再次为已经处于高位的钛白粉价格提前锁定了下个月的景气度。
在此之前，钛白粉价格也已经连续7个月上行，国内金红石型钛白粉价格从2020年10月开始初见顶反弹，彼时价格仅有12680元/吨。
至今年6月8日，上述产品价格已经升至20400元/吨，累计涨幅已达60.88%。至此，金红石型钛白粉价格已经十分接近2011年6月初23000元/吨的历史高点。
究其原因，仍然是供需关系和成本推动所致。
申港证券指出，国内厂家受制于技术等原因，目前仍然以硫酸法工艺为主，其中硫酸以及钛精矿等原材料成本占比达到50%左右。根据百川盈孚数据，近一年时间，硫酸的价格从150元/吨上涨到目前的500元/吨，涨幅超过233%。
此外，钛精矿也出现了翻倍上涨行情。
Wind数据显示，2018年8月至2020年3月底，四川钛精矿价格始终维持在1250元/吨，但是目前已经升至2000元/吨，同样接近2011年高点。
反观下游需求，钛白粉是当前最主要的白色无机颜料，过半需求来自涂料，另有25%的需求来自塑料行业。
在国内经济逐步恢复，以及海外疫情逐步得到控制后，国内钛白粉出口需求明显增加。
百川盈孚数据显示，疫情的爆发对于出口的增加也提供了助力，2020国内钛白粉出口量达121万吨，同比增长21%。今年一季度钛白粉出口32.8万吨，与去年同期相比增长41%。
“终端需求与到钛白粉的消费增速与GDP密切相关，随着全球经济的逐步复苏，对于钛白粉的需求将持续增加，行业景气周期有望延续。”申港证券指出。
景气度的延续，将直接带动上述相关公司盈利能力的提升。
而与其他行业不同的是，包括龙蟒佰利、安宁股份在内的产业链公司，多具备业务集中度高的特点。
其中，安宁股份地处攀枝花，为国内最主要的钛精矿供应地，该公司2020年超过52%的收入来自钛精矿；龙蟒佰利的收入结构中，钛白粉收入占比更是高达77.32%。
高度集中的业务构成，也为上述公司赋予了更高的业绩弹性。另外，考虑到钛白粉升势尚未结束，相关公司2021年全年净利润有望创出历史新高。
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钛白粉概念股概念解析：钛白粉，主要成分为二氧化钛(TiO2)的白色颜料。学名为二氧化钛（titaniumdioxide），分子式为TiO2是一种多晶化合物，其质点呈规则排列，具有格子构造。
1．中核钛白（002145）：旗下东方钛业在建10万吨钛白粉产线目前全部设备已安装、调试完成,开工生产的各项手续、批文已办理完毕,项目将全面进入试生产阶段。位列国内钛白粉行业第二,是最早从国外引进全套金红石型钛白粉生产技术的企业,现有(金红石型)钛白粉年产能25万吨;17年钛白粉销量22.3万吨,收入31.12亿元,营收占比95.58%;旗下东方钛业在建10万吨钛白粉产线目前全部设备已安装、调试完成,开工生产的各项手续、批文已办理完毕,项目将全面进入试生产阶段。
2．天原集团（002386）：2018年3月23日晚间公告，公司拟自筹资金投资建设年产5万吨氯化法钛白粉，投资总额近10亿元。加之公司募投的5万吨氯化法钛白粉，公司共投资建设氯化法钛白粉的产能为10万吨。2016年12月4日晚间披露定增预案，公司拟发行募资14.98亿投资三大项目。据悉，年产5万吨氯化法钛白粉项目，拟使用募集资金9.982亿元，建设期计划为3年，财务内部收益率（税后）14.60%。
3．安纳达（002136）：国内较早的钛白粉生产企业之一,“安纳达”牌钛白粉是“安徽名牌产品”;主营生产金红石型钛白粉(占营收八成以上)和锐钛型钛白粉;17年钛白粉销量7.83万吨,收入10.55亿元,营收占比92.32%。
4．攀钢钒钛（000629）：少数具有“硫酸法+氯化法”钛白粉生产企业,产量位居全国前三;公司钛白粉是国内知名品牌,具备硫酸法钛白粉22万吨/年、氯化法钛白粉1.5万吨/年的生产能力;17年钛白粉销量1905万吨,收入25.21亿元,营收占比26.72%。
5．金浦钛业（000545）：国内较大的硫酸法钛白粉生产企业之一,主营产品包括金红石型钛白粉和锐钛型钛白粉;现有钛白粉年产能16万吨;17年钛白粉销量12.79%万吨,收入17.25亿元,营收占比99.08%
6．龙蟒佰利（002601）：具有全球影响力的钛白粉行业巨头,国内钛白粉龙头,生产规模居亚洲第一,世界第四拥有钛白粉年产能60万吨；17年钛白粉销量58.45万吨,收入85.89亿元,营收占比83.73;18年2月,控股子公司新材料公司拟建设20万吨/年氯化法钛白粉项目,截止18年8月主体已基本竣工,预计年底可实现单机试车,19年上半年正式投产。