什么是化学热处理?

[拼音]：huaxue rechuli

[外文]：thermo-chemical treatment

改变金属和合金工件表层的化学成分、组织和性能的金属热处理。化学热处理的工艺过程是：将工件置于含有特定介质的容器中，加热到适当温度后保温，使容器中的介质（渗剂）分解或电离，产生渗入元素的活性原子或离子，在保温过程中不断地被工件表面吸附，并向工件内部扩散渗入，以改变工件表层的化学成分。通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。每一种化学热处理工艺都各有其特点。如果需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。

化学热处理是古老的工艺之一，在中国可上溯到西汉时期。已出土的西汉中山靖王刘胜的佩剑，表面含碳量达0.6～0.7％，而心部为0.15～0.4％，具有明显的渗碳特征。明代宋应星撰《天工开物》一书中，就记载有用豆豉、动物骨炭等作为渗碳剂的软钢渗碳工艺。明代方以智在《物理小识》“淬刀”一节中，还记载有“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”。硝是含氮物质，当有一定的渗氮作用。这说明渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理工艺，早在古代就已被劳动人民所掌握，并作为一种工艺广泛用于兵器和农具的制作。随着化学热处理理论和工艺的逐步完善，自20世纪初开始，化学热处理已在工业中得到广泛应用。随着机械制造和军事工业的迅速发展，对产品的各种性能指标提出了越来越高的要求。除渗碳外，又研究和完善了渗氮、碳氮和氮碳共渗、渗铝、渗铬、渗硼、渗硫、硫氮和硫氮碳共渗，以及其他多元共渗工艺。电子计算机的问世，使化学热处理过程的控制日臻完善，不仅生产过程的自动化程度越来越高，工艺参数和处理质量也得到更加可靠的控制。

按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳（硫氰）共渗等；后者主要有渗铝、渗铬、渗锌。钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素。二元、多元渗金属工艺也日益繁多，如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。此外，金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺也不断涌现，例如铝硅共渗、硼铬共渗等。

钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织区分为铁素体化学热处理和奥氏体化学热处理。前者的扩散温度低于铁氮共析温度，如渗氮、渗硫、硫氮共渗、氧氮共渗等，这些工艺又可称为低温化学热处理。后者是在临界温度以上扩散，如渗碳、渗硼、渗铝、碳氮共渗等，这些工艺均属高温化学热处理范围。

使碳原子渗入钢（通常是含碳0.1～0.25％的钢）制工件表层的化学热处理工艺。渗碳后，工件表面含碳量一般应高于0.8％，淬火并低温回火后可达HRC58～62的高硬度，在提高耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高。但缺点是处理温度高，工件畸变大。渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等的重要零件，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。用微处理机可实现渗碳全过程的自动化，能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。

使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。钢铁渗氮后，形成以氮化物为主的表层。当钢中含有铬、铝、钼等氮化物形成元素时，可获得比渗碳层更高的硬度，更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。传统的气体渗氮工艺周期长、生产率低、耗资大，且对钢材质量要求严格。能克服气体渗氮周期长的弱点的辉光离子渗氮，已得到较广的应用。渗氮主要用于对精度、畸变量、疲劳强度和耐磨性要求都很高的工件，例如镗床主轴、镗杆，磨床主轴，气缸套等。

金属工件表层同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺。前者以渗碳为主；后者则以渗氮为主。

（1）碳氮共渗：这种工艺是针对渗碳温度高、淬冷畸变大的缺点，在渗碳和渗氮的基础上发展起来的。早期的碳氮共渗在熔融氰盐中进行，因氰盐有剧毒，后渐被气体法取代。氮的渗入使碳氮共渗层的马氏体临界冷却速度降低，可在较缓和的淬冷介质中淬硬。此外，共渗温度比渗碳低。与渗碳相比，共渗件淬冷的畸变小，耐磨和耐蚀性高。在渗层厚度大体相当时，共渗件的抗疲劳性能优于渗碳，但共渗层往往较薄，重载工件一般仍采用渗碳。70年代以来，碳氮共渗工艺发展迅速，不仅可用在若干种汽车、拖拉机零件上，也比较广泛地用于多种齿轮和轴类的表面强化。

（2）氮碳共渗：这种工艺是针对渗氮周期长而发展起来的，俗称软氮化或低温碳氮共渗。与气体渗氮相比，氮碳共渗层同样有较高的硬度，良好的耐磨、抗疲劳性能，一定的耐蚀、抗咬死性能。它的主要特点是渗速较快，生产周期短，表面脆性小且对工件材质的要求不严。不足之处是工件渗层较薄，不宜在高载荷下工作。

使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。硼在钢中的溶解度很小，主要是与铁和钢中某些合金元素形成硼化物。45钢渗硼层的硬度高达HV1400～2000，渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层，而且有较高的热稳定性和耐蚀性。渗硼层脆性较大，难以变形和加工，故工件应在渗硼前精加工。这种工艺主要用于中碳钢、中碳合金结构钢零件，也用于钛等有色金属和合金的表面强化。

渗硼方法有熔盐法（非电解和电解）、粉末法、膏剂法和气体法。

（1）熔盐法：渗硼的介质以硼砂为主，加有适量的还原剂（如碳化硅、铝粉）和活化剂，还可以添加少量氧化铬，以降低渗层脆性。渗硼温度一般为920～950℃，保温时间为3～5小时。在硼砂为基的熔盐中插入石墨或不锈钢电极作为阳极，以工件为阴极，通以直流电可实现电解渗硼。电解法渗硼的速率较高，渗硼温度可降低到800℃以下，但坩埚寿命短。

（2）粉末法：常用的渗硼剂由碳化硼、硼铁等供硼剂、氟硼酸钾等活化剂，另加填充剂组成。工件埋在其中加热到800～950℃进行渗硼。这种方法应用较广。

（3）膏剂法：将碳化硼、冰晶石和氟化钙等破碎为粉末，调以粘结剂涂敷在工件表面，再装箱或置于还原性气氛中加热。这种方法适用于单件、小批量工件渗硼。

（4）气体法：以具有腐蚀性的三氯化硼或剧毒的乙硼烷为渗剂，渗剂昂贵，故尚未用于生产。在气体渗硼基础上发展的离子渗硼，从实验成果看可降低处理温度和渗剂消耗量，但尚未用于生产。

渗硼工艺已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆、阀座等上获得应用。但渗硼工艺还存在处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。

通过硫与金属工件表面反应而形成薄膜（通常认为中温渗硫时硫原子才可能渗入表层）的化学热处理工艺。700℃以下时，硫几乎完全不溶于α铁中，因此钢和铸铁的渗硫层主要由极薄的鳞片状多孔的硫化铁构成。其硬度较低，但减摩作用良好，能防止摩擦副表面接触时因摩擦热和塑性变形而引起的擦伤和咬死。

应用较广的低温电解渗硫，在硫氰酸盐组成的熔盐中进行，有时添加少量铁氰化钾和亚铁氰化钾，以改善盐浴的工艺性能。渗硫工艺条件通常为180～190℃，持续10～20分钟。

非电解型的低温熔盐渗硫，可在加有少量铁或碘的熔融硫浴中实现。气体渗硫既可在 200℃左右的低温下，也可在500～600℃的中温下进行。渗剂是少量硫化氢和大量的载气。这种方法在生产中尚应用不多。

将硫、氮或硫、氮、碳同时渗入金属工件表层的化学热处理工艺。采用渗硫工艺时，渗层减摩性好，但在载荷较高时渗层会很快破坏。采用渗氮或氮碳共渗工艺时，渗层有较好的耐磨、抗疲劳性能，但减摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共渗工艺可使工件表层兼具耐磨和减摩等性能。

（1）硫氮共渗：分为熔盐法和气相法。熔盐法是在由20％NaCl、30％BaCl2、50％CaCl2组成的载体盐中，添加硫化铁粉并导入氨气，在此介质中进行硫氮共渗。气体法是同时向反应罐中通入大量氨气(或吸热型气氛与氨)和少量硫化氢（或二氧化硫）来实现的。

（2）熔盐硫氮碳（硫氰）共渗:早年采用剧毒的高氰盐浴，70年代中期提出的无污染硫氰共渗工艺，受到人们重视。气体硫氮碳共渗可用多种渗剂，通常是同时向炉中滴注含硫的有机溶剂和通氨。预先经过渗氮或渗碳、淬火后再渗硫，能使工件既耐磨减摩又有较高疲劳强度。

将一种或数种金属元素渗入金属工件表层的化学热处理工艺。金属元素可同时或先后以不同方法渗入。在渗层中，它们大多以金属间化合物的形式存在，能分别提高工件表层的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能。通用的渗金属工艺有渗铝、渗铬、渗锌等。

化学热处理的发展趋势是：

（1）扩大低温化学热处理的应用。离子渗氮、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳共渗等铁素体化学热处理将获得迅速发展。某些高温化学热处理工艺（如渗硼）也有向低温发展的趋势。

（2）提高渗层质量和加速化学热处理过程。如采用多元共渗化学催渗和物理场强化；研制适应常用化学热处理工艺的专用钢(如快速渗氮钢)。

（3）发展无污染化学热处理工艺和复合渗工艺。如低氰熔盐氮碳共渗后，再在低温浴中氧化掉氰盐;扩大无污染硫氮碳共渗工艺的应用;研究和应用各种氧氮或氧硫氮复合处理，以及氮化后高频淬火等工艺。

（4）用计算机控制多种化学热处理过程，建立相应的数学模型，研制各种介质中适用的传感器和外接仪表、设备。

参考书目

王国佐、王万智：《钢的化学热处理》，中国铁道出版社，北京，1980。