钢材的化学热处理技术

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。与表面加热淬火相比，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，可赋予工件表面不同的性能。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，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。

1）钢的渗碳

渗碳是将工件在渗碳介质中加热并保温以使碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。目的是使低碳钢件表面得到高碳，经适当的热处理（淬火＋低温回火）后获得表面高硬度、高耐磨性；而心部仍保持一定强度及较高塑性、韧性。渗碳工艺适用于同时受磨损和较大冲击载荷的低碳、低合金钢零件，如齿轮、活塞销、套筒及要求很高的喷油嘴偶件等。

（1）渗碳方法。根据渗碳剂的状态不同，渗碳方法分为气体渗碳和固体渗碳，其中以气体渗碳最为常用。

①气体渗碳是指工件在含碳的气体中进行渗碳的工艺。目前国内应用较多的是滴注式渗碳，即将苯、醇、煤油等液体渗碳剂直接滴入炉内裂解成富碳气氛，进行气体渗碳，其装置如图4－32所示。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900～950℃（常用为930℃），向炉内滴入煤油、甲苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及NH3等气体组成的渗碳气氛与工件接触时在工件表面进行下列反应，生成活性碳原子：

图气体渗碳装置

随后活性碳原子被钢表面吸收而溶入奥氏体，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。气体渗碳的优点是生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。

②固体渗碳是指将工件放在填充粒状渗碳剂的密封箱中进行渗碳工艺。方法是将工件和渗碳剂装入渗碳箱中密封后放进炉中加热至900～950℃，保温渗碳。常用固体渗碳剂是碳粉和碳酸盐的混合物，加热时发生下列反应：

固体渗碳法的优点是设备简单、容易实现，但生产率低、劳动条件差，质量不易控制，故应用不多，主要用于单件、小批量生产。

（2）渗碳工艺参数主要有渗碳温度和渗碳时间。由Fe－Fe3C相图可知，奥氏体旳溶碳能力很大。因此，渗碳温度必须在Ac3以上，通常为900～950℃。渗碳温度过低，渗碳速度过慢，生产率低，且容易造成渗碳层深度不足；温度过高，虽然渗碳速度快，但易引起奥氏体晶粒显著长大，且易使零件在渗碳后的冷却过程中产生变形。渗碳时间则取决于渗碳层厚度的要求，但随渗碳时间的延长，渗碳层厚度的增加速度减缓。

（3）渗碳后的组织与热处理。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，心部具有一定的强度和高韧性。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）、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）。如图4－33所示，经淬火和低温回火后，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35～45 HRC，具有较高的心部强度及足够的塑性和韧性。

图4－33　低碳钢渗碳缓冷组织

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，工件表面含碳量及渗碳层深度对性能有很大影响。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。

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→磨削。

对于不允许渗碳的部位可采用镀铜的方法来防止渗碳或采取多留加工余量渗碳后去除该部分的渗碳层。

2）钢的渗氮

渗氮是指在一定温度下（一般在温度Ac1以下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。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、离子渗氮等，目前应用较多的有气体渗氮和离子渗氮。

（1）气体渗氮

气体渗氮是将工件放入渗氮炉中，加热至500～570℃，并通入氨气，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。

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，也可应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。

为了保证渗氮零件的质量，渗氮零件需选用含与氮亲和力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金钢，如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。

渗氮零件的一般工艺为：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨→氮化→精磨或研磨。

气体渗氮的工艺特点如下：

①温度低。常用550～570℃，远低于渗碳温度。这是由于氮在铁素体中有一定的溶解能力，无需加热至高温。

②时间长。一般为20～50h，氮化层厚度为0．4～0．6mm。

③需进行调质热处理。目的是改善加工性能和获得均匀的回火索氏体组织，保证较高的强度和韧性。(www.xing528.com)

渗氮工件的性能如下：

①高硬度、高耐磨性。这是由于钢经渗氮后表面形成一层极硬的氮化物层，其硬度为1 000～1 100HV；心部组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能。

②疲劳强度高。这是由于渗氮层的体积增大造成工件表面产生残余压应力，使疲劳强度提高了15%～35%。

③变形很小。这是由于渗氮温度低，且渗氮后又不需要进行任何热处理，一般只需要精磨或研磨、抛光即可。

（2）离子渗氮

在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。其工艺过程为：将工件置于真空度抽到1．33×102～1．33×103 Pa的离子渗氮炉中，慢慢通入氨气，以工件为阴极，炉壁为阳极，通过400～750V高电压，氨气被电离成氮和氢的正离子和电子，通过阴极（工件）表面形成一层紫色辉光，具有高能量的氮离子以很大的速度轰击工件表面，将动能转变为热能，使工件表面温度升高到所需的渗氮温度；同时氮离子在阴极上夺取电子后，还原成氮原子而渗入工件表面，并向里扩散形成渗氮层。另外，氮原子轰击工件表面时，还能产生阴极溅射效应而溅射出铁离子，铁离子形成氮化铁（FeN）附着在工件表面并依次分解为Fe2N、Fe3N、Fe4N，释放出氮原子向工件内部扩散，形成氮化层。图4－34为钢的氮化层显微组织。

图4－34　钢的氮化层显微组织

离子渗氮的优点有：

①离子渗氮时间短，能缩短到气体渗氮的2／3～1／3。如要求渗氮层硬度大于835HV、渗氮层深度0．5mm，则气体渗氮需要60h，而离子渗氮只需要30～40h。

②表面形成的白色淬硬层很薄，甚至可以不出现。

③引起的变形小，特别适宜于形状复杂的精密零件，可以适用于各种零件，包括要求渗氮温度高的不锈钢、耐热钢和氮化温度很低的工、模具及精密零件。

④可节约电能和氨气的消耗，电能的消耗为气体渗氮的1／2～1／5，氨气的消耗为气体渗氮的1／5～1／20。

离子渗氮的缺点主要是设备复杂、投资大，对于大型炉及各类零件混合装炉时，难以保证各处零件的温度一致，使实用性受到限制。

3）钢的碳氮共渗

在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺称为碳氮共渗。碳氮共渗可以在气体介质中进行，也可以在液体介质中进行。因为液体介质的主要成分是氰盐，故液体碳氮共渗又称为氰化。碳氮共渗根据温度不同，又可把它分为低温（520～580℃）、中温（700～880℃）和高温（900～950℃）三种碳氮共渗工艺。目前应用较广泛的是中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗。

中温气体碳氮共渗实际上是以渗碳为主的共渗工艺。介质即渗氮和渗碳用的混合气，共渗温度一般为820～860℃，一般共渗时间为1～2h，共渗层的深度为0．2～0．5mm。共渗后需进行淬火和低温回火，得到含氮的高碳回火马氏体组织，渗层表面的硬度可达58～63HRC。研究表明：在渗层碳质量分数相同的情况下，共渗件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐性能都比渗碳件高。此外，共渗工艺与渗碳相比，具有时间短，生产效率高，变形小等优点，但共渗层较薄，主要用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件，如汽车、机床的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件。碳氮共渗除用于低碳合金钢外，还可用于中碳钢和中碳合金钢。

低温气体氮碳共渗实际上是以渗氮为主的共渗工艺。常用的共渗介质有氨加醇类液体以及尿素、甲酰胺和三乙醇胺等。共渗温度一般为540～570℃，时间约为2～3h。共渗层由0．01～0．02mm的化合物外表层和0．5～0．8mm的扩散层组成。其表面硬度一般可达500～900HV，硬度高而不脆，能显著提高零件的耐磨性、耐疲劳、抗胶合、抗腐蚀等能力，而且适用于碳钢、合金钢、铸铁、粉末冶金制品等多种材料。此外，氮碳处理温度低，时间短，故工件变形小。因此，气体碳氮共渗已广泛应用于模具、量具、高速钢刀具、曲轴、齿轮、气缸套等耐磨工件的热处理，并能显著延长它们的使用寿命。但是气体氮碳共渗后的渗层较薄，而且共渗层的硬度梯度较大，故零件不宜在重载条件下工作。

4）其他化学热处理

（1）渗硼

将硼元素渗入钢表面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表面硬度（1 300～2 000HV）和耐磨性，并使钢具有良好的热硬性及耐蚀性，故获得了快速的发展。

钢铁渗硼后，由于在表层形成了FeB、Fe2B、或FeB＋Fe2B组织和硼在铁中的固溶体，使碳及金属元素富集而重新分布的扩散层组织，使渗硼层具有以下性能：

①高的硬度。碳钢渗硼后表面硬度高，因而耐磨性极高，是一般化学热处理难以达到的。

②高的热硬性。由于渗硼层稳定性好，在800℃以下能保持高的硬度。

③良好的耐蚀性。硼化物层在600℃以下抗氧化性好，对盐酸、硫酸、磷酸及碱具有良好的耐蚀性，但不耐硝酸腐蚀。

工件渗硼前进行精加工和消除应力处理，以避免深层不均和渗硼后工件变形。此外，还应对工件进行清洗。工件渗硼后往往还要进行调质处理，以获得足够的心部强度。调质处理时，淬火加热和回火均应保持在保护气氛或中性盐浴中进行。因为渗硼层容易出现裂纹或崩落，这就要求尽可能采用缓和的冷却方法，如淬火冷却最好在不同温度的油中、空气中或盐浴中进行，而且淬火后应及时进行回火。由于硼化物不发生相变，因此调质对渗硼化合物层的性能没有影响。

（2）表面渗金属

渗入金属通过热扩散在深层与基体之间形成一定的过渡层，使表面高合金层和心部基体成为一个整体，而零件尺寸变化却很小。这种工艺可使某些零件在制造时利用一般钢材代替不锈钢、耐热钢或某些其他优质合金钢，是一种保证零件性能、节约合金钢材的有效措施。常用的渗入金属有Cr、Al、Ti、Nb、V、W、Ni、Zn、Si等。其中Si为非金属元素，在渗层形成的机理上和金属元素相似，和铁不形成化合物。

渗金属可以是单一元素渗入零件，如钢铁渗铬、钛、钒等，称为单元渗，也可以是多种元素同时渗入钢铁零件，如铬铝、铬钒等两种或两种以上元素同时渗入的工艺。