石家庄财经职业学院
2017 2018学年 第 一 学期
授课教案（讲义）
课程名称：金属材料与热处理 授课班级：16级机械1班 任课教师：梁风云 撰写时间：2017年 7月 系（部）主任审核意见：______
容齐全、字迹清楚、整洁美观。 说明 1. 教案（讲义）要求按课程由任课教师撰写，并提前完成总任务的1/2以上，力求做到格式规范、内 2. 本教案由封面和教案纸两部分组成，均由任课老师认真填写，以备教学与检查所用。 3. 教案纸用于教学设计，一般包括教学目的、重点难点、讲授内容、教学手段与方法、思考与作业题、辅导答疑、实践教学设计与安排等。 石家庄财经职业学院教案
金属材料与热处理
课 次 基本课题 5 授课日期 2017.9 编号 21 钢的热处理 教学目的 钢在加热的组织转变、钢在冷却时的组织转变、钢的退火与正火、钢的淬火与回火、钢的表面热处理、表面气相沉积和热处理新工艺 重点课型掌握钢的热处理 难点学时钢才热处理性能 1．本单元教学计划简介 2．介绍本课程对学生的要求 3. 复习以前的知识点，引入新课 4.讲授新课 表面气相沉积和热处理新工艺简介 5.总结 对本单元的知识点进行总结，然后找同学进行回答，了解学生掌握知识程度，从而改进教学进度。 作业布置：见教案 作 业： 课后记： 讲授 2 教 学 过 程 时间分配 教学方法 能力培养 培养学生严谨的学习态度和正确的学习方法，让学生了解本门课程的讲授过程。 培养学生的逻辑思维能力，和独立思考问题的能力。 15min 讲授 60min 讲授 15min 讲授 培养学生的对课程的理解及其对知识的记忆能力
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5.7表面气相沉积和热处理新工艺
5.7.1 表面气相沉积 5.7.2 热处理新工艺简介 一、能力目标：
1. 培养学生掌握 表面气相沉积和热处理新工艺； 2. 培养学生熟练掌握热处理新工艺； 3. 培养学生认真、严谨的工作态度。 二、核心能力：
培养学生热处理新工艺的基础知识。 三、讲授内容
前言
近年来，各国科学工作者对化学气相沉积进行了大量的研究，并取得一定的显著成果。例如，从气态金属卤化物（主要是氯化物）还原化合沉积制取难熔化合物粉末及各种涂层（包括碳化物、硼化物、硅化物、氮化物）的方法。其中化学沉积碳化钛技术已十分成熟。化学气相沉积还广泛应用于薄膜制备，主要为Bchir等使用钨的配合物Cl4 (RCN)W(NC3H5)作为制备氮化钨或者碳氮共渗薄膜的原料—CVD前驱体；Chen使用聚合物化学气相沉积形成的涂层提供了一个有吸引力的替代目前湿法化学为主的表面改善方法。同时，采用CVD方法制备CNTS的研究也取得很大的进展和突破，以及通过各种实验研究了不同催化剂对单壁纳米碳管的产量和质量的影响，并取得了一定的成果。 一、物理气相沉淀法
物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。，并向着环保型、清洁型趋势发展。20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面达到越来越为广泛的应用。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：
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(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。 (2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。
(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。
物理气相沉积的主要方法有：真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。 一、真空蒸镀 (一)真空蒸镀原理
(1) 真空蒸镀是在真空条件下，将镀料加热并蒸发，使大量的原子、分子气化并离开液体镀料或离开固体镀料表面(升华)。
(2)气态的原子、分子在真空中经过很少的碰撞迁移到基体。 (3)镀料原子、分子沉积在基体表面形成薄膜。 (二)蒸发源
将镀料加热到蒸发温度并使之气化，这种加热装置称为蒸发源。最常用的蒸发源是电阻蒸发源和电子束蒸发源，特殊用途的蒸发源有高频感应加热、电弧加热、辐射加热、激光加热蒸发源等。
(三)真空蒸镀工艺实例 以塑料金属化为例,真空蒸镀工艺包括：镀前处理、镀膜及后处理。
真空蒸镀的基本工艺过程如下：
(1)镀前处理，包括清洗镀件和预处理。具体清洗方法有清洗剂清洗、化学溶剂清洗、超声波清洗和离子轰击清洗等。具体预处理有除静电，涂底漆等。 (2)装炉，包括真空室清理及镀件挂具的清洗，蒸发源安装、调试、镀件褂卡。
(3)抽真空，一般先粗抽至6．6Pa以上，更早打开扩散泵的前级维持真空泵，加热扩散泵，待预热足够后，打开高阀，用扩散泵抽至6×10-3Pa半底真空度。 (4)烘烤，将镀件烘烤加热到所需温度。
(5)离子轰击，真空度一般在10Pa～10-1Pa，离子轰击电压200V～1kV负高压，离击时间为5min～30min,
(6)预熔，调整电流使镀料预熔，调整电流使镀料预熔，除气1min～2min。
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(7)蒸发沉积，根据要求调整蒸发电流，直到所需沉积时间结束。 (8)冷却，镀件在真空室内冷却到一定温度。
(9)出炉，．取件后，关闭真空室，抽真空至l × l0-1Pa，扩散泵冷却到允许温度，才可关闭维持泵和冷却水。 (10)后处理，涂面漆。 二、溅射镀膜
溅射镀膜是指在真空条件下，利用获得功能的粒子轰击靶材料表面，使靶材表面原子获得足够的能量而逃逸的过程称为溅射。被溅射的靶材沉积到基材表面，就称作溅射镀膜。 溅射镀膜中的入射离子，一般采用辉光放电获得，在l0-2Pa～10Pa范围，所以溅射出来的粒子在飞向基体过程中，易和真空室中的气体分子发生碰撞，使运动方向随机，沉积的膜易于均匀。近年发展起来的规模性磁控溅射镀膜，沉积速率较高，工艺重复性好，便于自动化，已适当于进行大型建筑装饰镀膜，及工业材料的功能性镀膜，及TGN-JR型用多弧或磁控溅射在卷材的泡沫塑料及纤维织物表面镀镍Ni及银Ag。 三、电弧蒸发和电弧等离子体镀膜
这里指的是PVD领域通常采用的冷阴极电弧蒸发，以固体镀料作为阴极，采用水冷、使冷阴极表面形成许多亮斑，即阴极弧斑。弧斑就是电弧在阴极附近的弧根。在极小空间的电流密度极高，弧斑尺寸极小，估计约为1μm～100μm，电流密度高达l05A／cm2～107A／cm2。每个弧斑存在极短时间，爆发性地蒸发离化阴极改正点处的镀料，蒸发离化后的金属离子，在阴极表面也会产生新的弧斑，许多弧斑不断产生和消失，所以又称多弧蒸发。 最早设计的等离子体加速器型多弧蒸发离化源，是在阴极背后配置磁场，使蒸发后的离子获得霍尔(hall)加速效应，有利于离子增大能量轰击量体，采用这种电弧蒸发离化源镀膜，离化率较高，所以又称为电弧等离子体镀膜。 由于镀料的蒸发离化靠电弧，所以属于区别于第二节，第三节所述的蒸发手段。
四、离子镀
离子镀技术最早在1963年由D．M．Mattox提出，1972年，Bunshah &Juntz推出活性反应蒸发离子镀(AREIP)，沉积TiN,TiC等超硬膜，1972年Moley&Smith发展完善了空心热阴极离子镀，l973年又发展出射频离子镀(RFIP)。20世纪80
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年代，又发展出磁控溅射离子镀(MSIP)和多弧离子镀(MAIP)。 1.离子镀
离子镀的基本特点是采用某种方法(如电子束蒸发磁控溅射，或多弧蒸发离化等)使中性粒子电离成离子和电子，在基体上必须施加负偏压，从而使离子对基体产生轰击，适当降低负偏压后，使离子进而沉积于基体成膜。 离子镀的优点如下：
①膜层和基体结合力强。 ②膜层均匀，致密。 ③在负偏压作用下绕镀性好。 ④无污染。
⑤多种基体材料均适合于离子镀。 反应性离子镀
如果采用电子束蒸发源蒸发，在坩埚上方加20V～100V的正偏压。在真空室中导人反应性气体。如N2、02、C2H2、CH4等代替Ar，或混入Ar，电子束中的高能电子(几千至几万电子伏特)，不仅使镀料熔化蒸发，而且能在熔化的镀料表面激励出二次电子，这些二次电子在上方正偏压作用下加速，与镀料蒸发中性粒子发生碰撞而电离成离子，在工件表面发生离化反应，从而获得氧化物(如Te02：Si02、Al203、Zn0、Sn02、Cr203、Zr02、In02等)。其特点是沉积率高，工艺温度低。
多弧离子镀
多弧离子镀又称作电弧离子镀，由于在阴极上有多个弧斑持续呈现，故称作“多弧”。多弧离子镀的主要特点如下：
(1)阴极电弧蒸发离化源可从固体阴极直接产生等离子体，而不产生熔池，所以可以任意方位布置，也可采用多个蒸发离化源。
(2)镀料的离化率高，一般达60％～90％，显著提高与基体的结合力改善膜层的性能。
(3)沉积速率高，改善镀膜的效率。
(4)设备结构简单，弧电源工作在低电压大电流工况，工作较为安全。 物理气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀
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致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。随着高科技及新兴工业发展，物理气相沉积技术出现了不少新的先进的亮点，如多弧离子镀与磁控溅射兼容技术，大型矩形长弧靶和溅射靶，非平衡磁控溅射靶，孪生靶技术，带状泡沫多弧沉积卷绕镀层技术，条状纤维织物卷绕镀层技术等，使用的镀层成套设备，向计算机全自动，大型化工业规模方向发展。 二、化学气相沉积法
化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积（PVD）。
化学气相沉积是一种制备材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。 2、化学气相沉积法特点
(1) 在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。
(2) 可以在常压或者真空条件下负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好
(3) 采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行
(4) 涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。
(5) 可以控制涂层的密度和涂层纯度。
(6) 绕镀件好。可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜。适合涂覆各种复杂形状的工件。由于它的绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔，甚至是盲孔的工件。
(7) 沉积层通常具有柱状晶体结构，不耐弯曲，但可通过各种技术对化学反
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应进行气相扰动，以改善其结构。
(8) 可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层。
是一种用来产生纯度高、性能好的固态材料的化学技术。半导体产业使用此技术来成长薄膜。典型的CVD制程是将晶圆（基底）暴露在一种或多种不同的前驱物下，在基底表面发生化学反应或化学分解来产生欲沉积的薄膜。反应过程中通常也会伴随地产生不同的副产品，但大多会随着气流被带走，而不会留在反应腔中。
微制程大都使用CVD技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、非晶及磊晶材料。这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的high-k介质等材料。CVD制程也常用来生成合成钻石。
一些CVD技术被广泛地使用及在文献中被提起。这些技术有不同的起始化学反应机制（如活化机制）及不同的制程条件。 以反应时的压力分类
常压化学气相沉积（Atmospheric Pressure CVD, APCVD）：在常压环境下的CVD制程。
2低压化学气相沉积（Low-pressure CVD, LPCVD）：在低压环境下的CVD制程。降低压力可以减少不必要的气相反应，以增加晶圆上薄膜的一致性。大部份现今的CVD制程都是使用LPCVD或UHVCVD。
超高真空化学气相沉积（Ultrahigh vacuum CVD, UHVCVD：在非常低压环境下的CVD制程。大多低于10-6 Pa (约为10-8torr）。注：在其他领域，高真空和超高真空大都是指同样的真空度，约10-7 Pa。 以气相的特性分类
气溶胶辅助气相沉积（Aerosol assisted CVD, AACVD）：使用液体/气体的气溶胶的前驱物成长在基底上，成长速非常快。此种技术适合使用非挥发的前驱物。 直接液体注入化学气相沉积（Direct liquid injection CVD, DLICVD）：使用液体（液体或固体溶解在合适的溶液中）形式的前驱物。液相溶液被注入到蒸发腔里变成注入物。接着前驱物经由传统的CVD技术沉积在基底上。此技术适合使用液体或固体的前驱物。此技术可达到很多的成长速率。
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电浆技术
微波电浆辅助化学气相沉积（Microwave plasma-assisted CVD, MPCVD 电浆增强化学气相沉积（Plasma-Enhanced CVD, PECVD）：利用电浆增加前驱物的反应速率。PECVD技术允许在低温的环境下成长，这是半导体制造中广泛使用PECVD的最重要原因。
远距电浆增强化学气相沉积（Remote plasma-enhanced CVD, RPECVD）：和PECVD技术很相近的技术。但晶圆不直接放在电浆放电的区域，反而放在距离电浆远一点的地方。晶圆远离电浆区域可以让制程温度降到室温。
原子层化学气相气相沉积（Atomic layer CVD, ALCVD）：连续沉积不同材料的晶体薄膜层。
热丝化学气相沉积（Hot wire CVD, HWCVD）：也称做触媒化学气相沉积（Catalytic CVD, Cat-CVD）或热灯丝化学气相沉积（Hot filament CVD, HFCVD）。使用热丝化学分解来源气体。
有机金属化学气相沉积（Metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD）：前驱物使用有机金属的CVD技术。
混合物理化学气相沉积（Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition, HPCVD）：一种气相沉积技术，包含化学分解前驱气体及蒸发固体源两种技术。
快速热化学气相沉积（Rapid thermal CVD, RTCVD）：使用加热灯或其他方法快速加热晶圆。只对基底加热，而不是气体或腔壁。可以减少不必要的气相反应，以免产生不必要的粒子。
气相外延（Vapor phase epitaxy, VPE） 通常用于集成电路沉积材料
通常用于集成电路的CVD工艺。不同的材料会应用于不同的环境。 多晶硅是从硅烷（SiH4）沉积所得到的。使用以下反应： SiH4 → Si + 2 H2
这种反应通常使用低压化学气相沉积系统（LPCVD），使用单纯的硅烷或用70-80％的氮硅烷作为原料。在温度在600°C至650°C之间，压力为25~150帕斯卡的条件下，沉积速度在每分钟10至20纳米之间。另一种工艺使用氢为还原剂。氢气会降低增长速度，所以温度提高到850甚至1050℃进行补偿。 多晶硅
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的沉积可以和掺杂同时进行。即把磷，砷或者乙硼烷加入CVD反应腔。乙硼烷的会令增长率增加，但砷化氢和磷化氢会令沉积速度减小。
通常用于高分子聚合的材料Parylene-N（对二甲苯）以及其衍生物 Parylene-N的单体经过高温炉（约摄氏600-800度）裂解后会形成自由基,而最后随着带入的惰性气体沉积在低温的表面上。大多数parylenes是钝化薄膜或涂层。这意味着他们保护的设备可以防止水，化学品的侵害。这是一个重要的特点，然而在许多应用上都需要键结的其他材料在聚对二甲苯上，例如对二甲苯对二甲苯，对二甲苯表面固定催化剂或酶......。一些的反应性对二甲苯，例如: 胺基对二甲苯（一个胺在每个重复单元，Kisco公司产品） 2.一甲基胺对二甲苯（一甲基胺每个重复单元，Kisco公司产品）
[一甲基胺对二甲苯]比[胺基对二甲苯]有更大的反应性，因为它带着更强的硷基。当相邻的苯环胺组，胺基，是在稳定的共振，因此变得更加酸性，相对碱性较弱。然而[胺基对二甲苯]是更容易合成，因此它的成本较低。
三、化学气相沉积法的应用
现代科学和技术需要使用大量功能各异的无机新材料，这些功能材料必须是高纯的，或者是在高纯材料中有意地掺入某种杂质形成的掺杂材料。但是，我们过去所熟悉的许多制备方法如高温熔炼、水溶液中沉淀和结晶等往往难以满足这些要求，也难以保证得到高纯度的产品。因此，无机新材料的合成就成为现代材料科学中的主要课题。
化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前，化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。
1、化学气相沉积法制备石墨烯
化学气相沉积(CVD)法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法，具有产物质量高、生长面积大等优点，逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构,是构成其他维数碳材料的基本结构单元。
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化学气相沉积法制备石墨烯早在20世纪70年代就有报道，当时主要采用单晶Ni作为基体，但所制备出的石墨烯主要采用表面科学的方法表征，其质量和连续性等都不清楚。随后，人们采用单晶等基体。在低压和超高真空中也实现了石墨烯的制备，但直到2009年初与韩国成均馆大学利用沉积有多晶Ni膜的硅片作为基体制备出大面积少层石墨烯，并将石墨烯成功地从基体上完整地转移下来，从而掀起了化学气相沉积法制备石墨烯的热潮。
石墨烯的CVD生长主要涉及三个方面：碳源；生长基体和生长条件；气压、载气、温度等。
石墨烯的CVD法制备最早采用多晶Ni膜作为生长基体, 麻省理工学院的J.Kong研究组，通过电子束沉积的方法，在硅片表面沉积500nm的多晶Ni膜作为生长基体，利用CH4为碳源，氢气为载气。的CVD法生长石墨烯，生长温度为900益~1000益。韩国成均馆大学的B.H.Hong研究组，采用类似的CVD法生长石墨烯:生长基体为电子束沉积的300nm的Ni膜，碳源为CH4生长温度为1000益，载气为氢气和氩气的混合气。采用该生长条件制备的石墨烯的形貌图。由于Ni生长石墨烯遵循渗碳析碳生长机制，因此所得石墨烯的层数分布很大程度上取决于降温速率。采用Ni膜作为基体生长石墨烯具有以下特点：石墨烯的晶粒尺寸较小层数不均一且难以控制在晶界处往往存在较厚的石墨烯，少层石墨烯呈无序堆叠。此外，由于Ni与石墨烯的热膨胀率相差较大，因此降温造成石墨烯的表面含有大量褶皱。
2、化学气相法制备薄膜
化学气相沉积法是通过气相或者在基板表面上的化学反应，在基板上形成薄膜。用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料。选用适合的CVD装置，采用各种反应形式，选择适当的制备条件可以得到具有各种性质的薄膜材料。一般来说，化学气相沉积方法更适合于半导体薄膜材料的制备。用化学气相沉积方法制备薄膜材料时，为了合成出优质的薄膜材料，必须控制好反应气体组成、工作气压、基板温度、气体流量以及原料气体的纯度等。
四、结语
近年来，在传统化学气相沉积技术的基础上，又发展处一些新技术新方法，而且还被广泛地用于科学研究与实际生产当中。比如金属有机化学气相沉积法
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（MO-CVD）、等离子体化学气相沉积法（P-CVD）、激光化学气相沉积法（L-CVD）等。
化学气相沉积（CVD）技术的开发较早，也属于经典的合成方法。对它的研究也更深入一些，由于化学气相沉积法在纳米材料以及一些半导体材料、薄膜制备、表面改性等方面的广泛应用，以及其对于设备的相对较低的要求，该方法越来越多地被利用与各种无机化合物的制备中。随着一些新技术比如等离子体化学气相沉积法（P-CVD）、激光化学气相沉积法（L-CVD）、金属有机化学气相沉积法（MO-CVD）的出现，它越来越广泛地被用于科学研究和实际生产。我相信，今后会有更多有关化学沉积法的报道和研究出现，这一技术的发展也会更加迅速。
2、热处理工艺现状 中国热处理工艺现状简介
热处理是机械工业中的一项十分重要的基础工艺，对提高机械零件内在质量和使用寿命，加强产品在国内外市场竞争能力具有举足轻重的作用。但是人们认识到这一点却花了相当长的时间和很大的代价。由于热处理影响的是产品的内在质量，它一般不会改变制品的形状，不会使人直观地感到它的必要性，弄不好还会严重畸变和开裂；破坏制品的表面质量和尺寸精度，致使制造过程前功尽弃。所以在我国的制造业中长期存在着“重冷（冷加工）轻热（热加工）”现象，以致这个行业很长时间处于落后状态。而机械工业发达国家特别注重热处理工艺技术的研究和发展。
建国以来特别是20世纪80年代以来，我国的热处理技术有了很大的发展，现有热处理生产企业、从业人数、设备数量和能力都有大大增长。目前来说，我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。
目前在我国工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，今后仍将占有重要的地位和相当大的比重，但正在日益改进和不断完善。要以少无氧化加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，
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全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变我国热处理技术的落后面貌，赶上工业发达国家的先进水平，将起到积极的促进作用
中国热处理工艺技术应用还不十分广泛，对热处理工艺的重视程度还需要提高，特别从事热处理工艺的人才的培养需要加大，现今热处理专业比较冷淡，这些都需要做出大大的改善。另一方面，热处理环境给人感觉脏乱差，热处理工艺控制不够严格，这些都阻碍了热处理工艺的发展，同时阻碍了中国机械制造工艺的发展。
中国热处理工艺行业、学术团体
中国全国性的热处理行业、学术团体是中国机械工程学会热处理学会和中国热处理行业协会。
1.中国机械工程学会热处理学会
英文名称是CHINESE HEAT TREATMENT SOCIETY ，简称CHTS。
中国机械工程学会成立于1936年，下设29个专业学会和30个地方省市学会，是全国最大的学术团体。热处理学会成立于1963年，第一任理事长是原上海交通大学副校长、中科院院士、已故的周志宏教授。当前是第八届理事会。学会的宗旨是致力于学科发展和行业技术进步。学会下设学术，编辑出版、咨询与培训，青年，周志宏奖励基金5个工作委员，物理冶金、化学热处理、冷却技术、可控气氛热处理、真空热处理、典型零件热处理，感应热处理、计算机应用、高能密度热处理、表面技术等11个技术委员会，学会的常设机构是秘书处，挂靠在原机械工业部北京机电研究所。学会的主要任务是开展国内外学术交流、编辑出版《金属热处理》、《金属材料热处理学报》、《中国热处理技术通讯》等刊物，定期组织、编辑、出版《热处理手册》等专业工具书，教学用书、技术丛书、会议文集、定期举办国际展览，组织继续教育和培训，承担工程项目的论证，评估、咨询、科技成果鉴定，组织技术难题攻关、科技成果的宣传推广等。学会于1981年成为国际热处理与表面工程联合会（IFHTSE）成员，成功地举办了1983年IFHTSE的第三次国际大会（上海）、2004年第14次大会（上海）、1993年的第4届国际热处理讨论会（北京）、2003年的国际淬火冷却与畸变会议（北京）。学会的第三届理事长雷廷权院士曾被选担任IFHTSE的第11届执委会（1994~1995）主席。
2.中国热处理行业协会
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中国热处理行业协会的前身是中国机械工业工艺协会热处理专业协会，成立于1986年7月。该协会成立的背景是政府主管部门为在政府和企业间架设桥梁，巩固和发展专业化协作成果，改善企业的经营管理，提高企业的产品质量和经济效益，并为今后政府实行宏观调控，协会（同业会）实行行业管理打基础。因此，协会的会员是企业。
为了精简机构和减少层次，机械部于1989年决定撤消工艺协会，建议原下属的专业协会升格为一级协会。为此，经民政部批准，于1991年成立中国热处理行业协会。理事会是热协的权力机构，由会员代表大会选举产生，秘书处是办事机构，设在北京机电研究所，协会的第一任理事长是原机械工业部陆燕荪副部长。
热协的主要任务是开展对企业基本情况的调查分析，制订行业发展规划，为政府部门的决策提供建议。推动行业间的横向联合和专业协作，为企业提供咨询服务，提供技术经济情报和市场信息，组织企业间的经营管理和生产技术改造的经验交流，维护会员合法权益，排解和仲裁会员之间的经济纠纷、组织工人和技术人员培训，在会员单位中宣传贯彻热处理新标准，开展国际间信息交流和合作。
中国热协下设经营管理、工艺装备、工艺材料、教育培训、咨询服务、对外联络6个工作委员会，按照理事会决议和秘书处的计划开展各项活动。
中国热协编辑出版了《中国热处理年鉴》多期《热处理工作者通讯》和系列手册、工具书等，和江西省科院物理所联合举办《国外金属热处理》杂志、和热处理学会、北京机电所、热标委会联合举办《金属热处理》、《热处理技术通讯》，组织制定“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”行业发展规划、和学会联合组织二年一次的北京热处理国际展览、多次组织会员单位和企业负责人赴欧、美、日本等热处理技术先进的国家考察，每次都有很大收获。
国外热处理工艺现状 （1）推广应用高压气冷淬火
国外的热处理厂家非常重视热处理过程中的冷却。根据产品的技术和工艺要求，可进行慢速却、油淬冷却、一次性气淬冷却等。快速气氛循环冷却采用向冷却室喷射高压气体，由计算机控制流速和流量的变化，以达到在特定时间内冷却速度，从而实现热处理过程中所要求的冷却曲线，确保零件的热处理质量。以前
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采用气淬方式冷却的淬火气体有氮气、氦气等，现在用空气强烈喷射，使工件在极快速度下冷却，淬火后表面仅有极薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美观，而节约大量氮气和惰性气体，使热处理成本进一步下降。
真空低压渗碳与高压气淬相结合是当今一种先进的渗碳淬火工艺，它具有渗碳速度快、碳化物组织优良、淬火开裂和变形小、节约能源和渗碳剂原料、渗碳零件表面质量好、并有利于环保等特点。
（2）热处理设备采用油冷
风机冷却、热交换器冷却、淬火油槽冷却等所有需冷却的装置，全部采用油封式自冷，全面取代水冷循环系统，整个热处理炉不用任何冷却水。例如，热风循环风机冷却：将原水冷套进出水管改用油管引出，接近风机处放一个直径为102mm的小油箱，油冷却系统全封闭，当风机轴承有热量增加时，被加热的油比重小，自然向上浮起，引起油自然循环。在小油箱存油量和自然散热的情况下，热油被冷却后又加入循环，达到在不耗油又不需要动力的条件下完全取代水冷。淬火油槽板式换热器中的水换成冷却油，冷却油受到热油的热交换而被升温，油比重的变化引起冷却油的自身循环，在炉顶的油箱外加上散热片，配合风扇的作用，达到全油冷的效果，节约大量的冷却水。
（3）渗氮炉上采用氢探头
德国的Ipsen公司已应用氢探头和相应的技术测控渗氮炉内的氮势，以对渗氮的炉气氛进行调节和控制，实现渗氮炉的现代化。
（4）燃气辐射管
目前，欧洲的热处理设备已大部分采用燃气辐射管，使用天然气加热。燃气加热技术和装备在欧洲已十分成熟，天然气烧嘴已有标准系列，由专业烧嘴厂制造供应，并将燃气辐射管的内管由不锈钢换成陶瓷，延长使用寿命并提高功率。天然气加热提高能源利用率，降低生产成本。
热处理工艺趋势
为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”，主要趋势如下。
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新的加热源
在新的加热源中，以高能率热源最为引人注目。高能率热处理在减小工件变形、获得特殊组织性能和表面状态方面具有很大的优越性，可以提高工件表面的耐磨性、耐蚀性，延长其使用寿命。高能率热处理近年来发展很快，是金属材料表面改性技术最活跃的领域之一，其中激光热处理和离子注入表面改性技术在国外已进入生产阶段。我国一汽、二汽、西安内燃机配件厂等单位，都已建立了汽车发动机缸套的激光表面淬火生产线，但由于高能率热处理的设备费用昂贵等原因，目前我国尚未大量应用，但其发展前景广阔，今后将会成为很有前途的热处理工艺。
新的加热方式
在热处理时实现少无氧化加热，是减少金属氧化损耗、保证工件表面质量的必备条件，而采用真空和可控气氛则是实现少无氧化加热的主要途径。在表面加热方面，感应加热具有加热速度快、工件表面氧化脱碳少、变形小、节能、公害小、生产率高、易实现机械化和自动化等优点，是一种经济节能的表面加热手段，主要用于工件的表面加热淬火。高能率加热具有加热速度快、表面质量好、变形小、能耗低、无污
改进原有的淬火介质，采用新型淬火介质
淬火介质是实施淬火工艺过程的重要保证，对热处理后工件的质量影响很大。正确选择和合理使用淬火介质，可以减小工件变形，防止开裂，保证达到所要求的组织和性能。
在热处理生产中，常用的淬火介质有水、油、盐类等，它们各有优缺点。如用油淬火，虽然对减小工件变形和开裂很有利，但对淬透性较差或尺寸较大的工件淬不硬，且油易老化，对周围环境的污染大，有发生火灾的危险。为此，要对原有淬火介质的性能进行改进，并积极开发应用冷却速度介于水和油之间、并可根据需要调整冷却速度，同时又经济、安全、无污染的新型淬火介质。
无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂是新型淬火介质的发展重点，特别是有机聚合物淬火剂的研究和应用尤为引人注目，其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠、且冷却性能好、冷却速度可调、适用范围广、工件淬硬均匀、可明显减少淬火变形和开裂倾向。从提高工件质量、改
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善劳动条件、避免火灾和节能的角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势，是淬火介质的主要发展方向，尤其是对于水淬开裂、变形大，油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火剂更是成功的选择。目前，世界上应用最多的是聚烷撑乙二醇(PAG类)淬火剂，它具有逆溶性，冷却速度在盐水和冷油之间，适用的淬火钢种范围广，使用寿命长。还有聚丙烯酸盐(ACR类)淬火剂、聚氧化吡咯烷酮(PVP类)淬火剂和聚乙基恶唑啉(PEO类)淬火剂等，也获得一定程度的应用。
多年来，我国在淬火介质的研究和应用方面，做了大量的工作，取得了一定的成绩，基本上满足了热处理生产的需要，但与国外的先进水平相比差距很大，并落后于热处理其它技术领域的发展，是热处理行业中的一个薄弱环节，今后应当给予重视和加强。
改进老的淬火方法，采用新的淬火方法
为了使工件实现理想的冷却，获得最佳的淬火效果，除根据工件所用的材料、技术要求、服役条件等，来合理选用淬火介质外，还需不断改进现有的淬火方法，并采用新的淬火方法。如采用高压气冷淬火法、强烈淬火法、流态床冷却淬火法、水空气混合剂冷却法、沸腾水淬火法、热油淬火法、深冷处理法等，均能改善淬火介质的冷却性能，使工件冷却均匀，获得很好的淬硬效果，有效地减少工件的变形和开裂。
新材料与热处理工艺的紧密结合
低碳马氏体是低碳低合金钢经强烈淬火急冷后得到的一种显微组织结构，具有优良的综合机械性能以及良好的冷加工性和可焊性。近二十年来，我国开展了低碳马氏体及其应用研究工作，取得了很大的成绩。例如，低碳马氏体的强度比中碳调质钢高1/3以上，且综合性能良好，用来代替某些中碳调质钢(如高强度螺栓等)，可使构件重量成倍减轻；低碳马氏体还具有很高的耐磨性能，可用来制造某些要求耐磨性好的零件(如拖拉机履带板等)。总之，低碳马氏体在石油、煤炭、铁道、汽车、拖拉机等部门应用广泛，收到了提高性能、减轻重量、延长使用寿命、简化工艺、节约能源、节约合金元素、降低成本等技术经济效果。
贝氏体钢能够空冷自硬，并将冶金热加工工序与产品成型制造工序相连接，具有良好的强韧性配合、生产工序简单、节约能源、污染少、成本低等优点，因而引起广泛的重视。至今国际上空冷贝氏体钢系列有两类：一类是以英国
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P.B.Pickering为首于50年代发明的MO-B系贝氏体钢，但因钼的价格昂贵而使其发展受到限制；另一类是以我国清华大学方鸿生教授为首于70年代初期发明的MN-B系贝氏体钢，现己发展有低碳、中低碳、中碳、中高碳系列十多个钢种，应用到耐磨钢球、衬板、齿板、冲击锤、刮板、截齿、离心铸管、汽车前轴、连杆、液压支架等，取得了很好的技术效果和显著的经济效益，成为贝氏体钢发展的重要方向。目前我国MN-B系贝氏体钢己达到年产15万吨的规模，在“九五”末期将达到70万吨/年，占到全国特殊钢产量的5%～10%。
大连铁道学院戚正风教授等研制成功无莱氏体高速钢，其合金元素与一般高速钢相同，碳含量则降低到钢水凝固时不形成共晶碳化物(莱氏体)、而又能在淬火回火后整体具有足够的强度、韧性与硬度的水平。这种钢加工成刀具后，通过渗碳，使表层得到≥70HRC的高硬度和600℃4次回火后仍能保持 67HRC的红硬性，同时得到55HRC高强韧性的心部，可使刀具使用寿命提高几倍。
70年代我国与美国、芬兰等国家同时研制成功A-B球铁，并获得了实际应用，由于A-B球铁既具有较高的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，因而被广泛用于汽车、拖拉机、内燃机的齿轮、连杆、轴类等结构件以及矿山磨球、锤头等耐磨零件。80年代以后，国内外又从A-B球铁化学成分与热处理工艺两个方面深入进行研究。前者通过提高合金成份来得到铸态A-B球铁，以期取消成本高、工效低的等温淬火工艺；后者则努力完善热处理工艺，提高机械化和自动化水平，以提高生产效率。
热处理的节能和环保
热处理是机械制造业中耗能最多的工艺之一，在工业发达国家，热处理生产成本的25%～40%是能源成本。
据统计，我国的热处理设备中，电炉约占90%，装机总容量约为600万KW，热处理的年用电量近90亿KW . H。由于我国的热处理工艺和设备比较落后，能源利用率低，热处理能耗水平为500～1000KW . H/T，比工业发达国家多2～3倍，因此节能的潜力很大。热处理节能的途径主要有：(1) 在热处理工艺方面，改进老工艺，推广应用先进的节能新工艺；(2)在热处理设备方面，改造或淘汰耗能高的落后设备，发展新型高效节能的新设备；(3)在生产组织管理方面，合理组织热处理的批量生产，力求集中和连续性生产，不断提高热处理的专业化生产水
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平。而搞好热处理，努力提高热处理质量，延长工件的使用寿命，则是最大的节能。
开发和推广应用非调质钢，是80年代热处理节能技术的一项重大进展。应用非调质钢，不仅能显著节能，而且减少了生产工序，节省了材料消耗，降低了成本，还可避免淬火时带来的变形和开裂，提高了工件的质量和使用寿命。目前，非调质钢多用于取代调质碳素结构钢，今后的发展趋势是用非调质强韧钢来取代调质合金结构钢，进一步扩大非调质钢的应用范围。
热处理生产对环境造成的污染很大，包括排出的废气、废水、废液、废渣、粉尘、噪声、电磁辐射等，且随着生产的发展，其危害也日益严重。研究和采用无污染、无公害的热处理技术，并对排放的有害物质进行有效控制和综合治理，是消除热处理污染的主要措施。
1989年联合国环境署决定在全世界推行清洁生产技术。所谓清洁生产技术，就是通过对生产过程和产品的综合防治，减少废弃物产生，最大限度地保护自然环境和利用自然资源，即选取清洁的原料，采用清洁的工艺，实现清洁的生产过程，制造出清洁的产品。日本东京金属技术研究所金武典夫博士通过分析引起全球性的温室效应、空气污染、酸雨等对环境造成的影响，提出了一种“节能-高效-环保型热处理”的综合体系，它包括了预处理、热处理、后处理、技术保证体系和环境管理体系，而其关键是将高新技术应用于热处理生产中。我国已把环境保护作为一项基本国策，并从1992年开始推进清洁生产技术。根据清洁生产技术的要求，我国现阶段热处理生产的主要控制目标应是少无污染、少无氧化和节能，并应把真空热处理和可控气氛热处理作为热处理行业“九五”期间重点推广应用的清洁生产技术。
多参数热处理和复合热处理工艺
传统的热处理，就主要控制的参数而言，多为常压下的温度时间两个参数的热处理；就工艺方式而言，多为单一的热处理。这样热处理的效果也只能是单一化。为此，要大力发展多参数热处理和复合热处理工艺。
1多参数热处理 1.1真空热处理
这是一种附加压力的多参数热处理。它具有无氧化、无脱碳、工件表面光亮、
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变形小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点，是近年来发展最快的热处理新技术之一，特别是在进行材料表面改性方面获得了很大的进展，许多新近开发的先进热处理技术，如真空高压气淬、真空化学热处理等，也需在真空下方能实施。采用真空热处理技术可使结构材料、工模具的质量和使用寿命得到大幅度的提高，尤其适合于一些精密零件的热处理。在工业发达国家，真空热处理的比例已达到20%左右，而我国目前约有真空热处理炉1200台，占热处理炉总数的1%左右，与国外的差距很大。预计今后随着热处理行业的技术进步和对热处理工件质量要求的越来越高，真空热处理将会有较大的发展。
1.2化学热处理
这是一种附加成分的多参数热处理。普通化学热处理，如渗碳、碳氮共渗、碳氮硼共渗等，分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。近年来，又发展了许多利用新技术的新型化学热处理，如真空化学热处理，流态床化学热处理、离子渗金属、离子注入、激光表面合金化等，均可提高工件的耐磨损及耐腐蚀等使用性能。稀土在化学热处理中的应用(即与稀土共渗)，能显著提高渗速，缩短处理周期，并可提高渗层的耐磨性和耐腐蚀性，这是我国的一大特色。此外，固溶化学热处理也是一个值得注意的动向，内蒙农机研究所黄建洪等人开发了含氮马氏体化处理(N*M处理)工艺，这是第一个以获得固溶N的含氮马氏体为目的的渗氮工艺，已成功地应用于剪毛机刀片生产。
1.3.形变热处理
这是一种附加应力的多参数热处理。采用压力加工和热处理相结合的工艺，把形变强化和相变强化结合起来，使材料达到成型与复合强化的双重目的。形变热处理能提高材料的综合力学性能，并可以简化工序，利用余热，节约能源及材料消耗，经济效益显著。形变热处理的应用广泛，从结构钢、轴承钢到高速钢都适用。目前工业上应用最多的是锻造余热淬火和控制轧制。美国采用控制轧制来生产高硬度装甲钢板，可提高抗弹性能。我国兵器工业系统开展了火炮、炮弹零件热模锻余热淬火、炮管旋转精锻形变热处理、枪弹钢芯斜轧余热淬火等试验研究，取得了很好的效果。
2复合热处理
复合热处理是将两种或两种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其它加工
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工艺复合，这样就能得到参与组合的几种工艺的综合效果，使工件获得优良的性能，并节约能源，降低成本，提高生产效率。如渗氮与高频淬火的复合、淬火与渗硫的复合、渗硼与粉末冶金烧结工艺的复合等。前述的锻造余热淬火和控制轧制也属于复合热处理，它们分别是锻造与热处理的复合、轧制与热处理的复合。还有一些新的复合表面处理技术，如激光加热与化学气相沉积(CVD)、离子注入与物理气相沉积(PVD)、物理化学气相沉积(PCVD)等，均具有显著的表面改性效果，在国内外的应用也日益增多。
需要指出的是，复合热处理并不是几种单一热处理工艺的简单叠加，而是要根据工件使用性能的要求和每一种热处理工艺的特点将它们有机地组合在一起，以达到取长补短、相得益彰的目的。例如，由于各种热处理工艺的处理温度不同，就需要考虑参加组合的热处理工艺的先后顺序，避免后道工序对前道工序的抵消作用。
热处理生产的自动化和专业化
电子计算机在热处理中的应用，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助生产(CAM)、计算机辅助选材(CAMS)、热处理事务办公自动化(OA)、热处理数据库和专家系统等，它为热处理工艺的优化设计、工艺过程的自动控制、质量检测与统计分析等，提供了先进的工具和手段。计算机在热处理中的应用，最初主要用于热处理工艺程序和工艺参数(温度、时间、气氛、压力、流量等)的控制，现在也用于热处理设备、生产线和热处理车间的自动控制和生产管理，还有的用计算机进行热处理工艺、热处理设备、热处理车间设计中的各种计算和优化设计。
在热处理中引入计算机，可实现热处理生产的自动化，保证热处理工艺的稳定性和产品质量的再现性，并使热处理设备向高效、低成本、柔性化和智能化的方向发展。计算机在热处理中的应用国外已十分普遍，例如，日本一家摩托车厂的热处理车间，有连续式渗碳炉、周期式渗碳炉、连续软氮化炉等共37台设备，从开始送料，到最终产品检验，全部由计算机控制，每班只需要三个人操作，一人在计算机室内负责全部生产、技术和质量管理，一人在现场巡回检查，一人负责产品质量检验，生产效率极高。我国在热处理行业中应用计算机还是近十多年的事情，目前国内研制生产的热处设备已越来越多地引入了微机控制，极大地提高了设备的自动化水平和生产效率。在热处理工艺过程的实时控制、计算机辅助
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设计、计算机模拟和数学模型的开发应用等方面，也取得了一定的成绩。
机器人在热处理中的应用，可以有效地改善工人的劳动条件，提高产品质量和劳动生产率。目前主要是用来进行自动装卸料。由于热处理的生产环境差、劳动强度较大，也由于热处理生产向自动化、集成化、柔性化的方向发展，因此，今后机器人在热处理生产中的应用将日趋增多。
专业化生产是现代工业的基本特征之一，也是促进热处理行业技术进步的一种重要手段。目前工业发达国家的热处理专业化程度已达到80%以上，而且工业越是发达的国家，其专业化水平也越高，而我国只有20%左右。即使这些为数不多的热处理专业厂，也由于组织管理不善，设备利用率较低，新技术、新工艺采用不多，热处理标准贯彻执行不够，能耗较高，产品质量较差。
因此，今后要有目的、有重点地扶持一批有条件的热处理厂和车间，使其成为热处理专业厂和协作点。对热处理专业厂要进一步加强管理，积极采用新技术、新工艺、新设备，严格按照标准化、规范化组织生产，形成技术、经济和服务上的优势，充分发挥专业化生产的优越性。此外，热处理工艺材料，如各种淬火介质、渗剂、保护涂料、清洗剂、加热盐、保护气氛和可控气氛的气源等，也要固定生产单位，进行专业化生产，不断提高质量和扩大品种，并尽可能实现规格化、标准化、系列化。
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