化学热处理及其作用与种类

把工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。化学热处理不仅改变了钢的组织，且使钢表层的化学成分也发生了变化。

化学热处理的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳极限，改善工件的物理性能、化学性能，如耐高温性及耐腐蚀性等。

化学热处理的种类很多。根据渗入元素的不同，常见的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗（氰化）、渗金属等。

1.钢的渗碳

钢的渗碳是把钢件置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区并保温，使碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。如图2-9所示为气体渗碳示意图。

渗碳的目的是提高钢件表层的含碳量，并使其具有一定的碳浓度梯度，主要用于表面硬度高且耐磨、中心部分韧性高的工件，如齿轮、凸轮、活塞销等。

为了达到上述要求，渗碳零件必须用低碳钢或低碳合金钢制造。零件渗碳后，其表面含碳量可达0.85%～1.05%。含碳量从表面到心部逐渐减小，心部仍保持低碳钢的原含碳量。

由于渗碳只改变工件的表面化学成分，如果要使渗碳件表层具有高硬度、高耐磨性和心部良好韧性相配合的性能，因此必须在渗碳后进行“淬火+低温回火”的热处理。

图2-9　气体渗碳示意图

1—风扇电动机2—废气火焰3—炉盖4—沙封5—电阻丝6—耐热罐7—工件8—炉体

2.钢的渗氮

在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。渗氮的目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。

3.碳氮共渗

在一定温度下，将碳、氮同时渗入奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。常用的热处理工艺为气体碳氮共渗。

与渗碳相比，碳氮共渗不仅加热温度低，零件变形小，生产周期短，而且渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。目前，常用于处理汽车和机床上的齿轮、蜗轮和轴类等零件。

例1-4：汽车变速齿轮的热处理分析

以图2-10所示的汽车变速齿轮为例，经过对齿轮结构及工作条件进行分析后确定，该齿轮选用20CrMnTi的锻件毛坯。生产过程中，齿轮加工工艺路线如下：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。

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图2-10　汽车变速齿轮简图

热处理技术要求如下：

齿面渗碳深度：0.8～1.3mm；齿面硬度为58～62HRC，心部硬度为33～48HRC。

加工工艺中的热处理作用如下：

（1）正火

正火主要是为了消除毛坯的内应力，降低硬度，以改善切削加工性能，同时均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做组织准备。

（2）渗碳

渗碳是为了保证齿面的含碳量及渗碳层深度的要求。渗碳应安排在齿形加工之后进行。

（3）淬火及低温回火

渗碳后表面含碳量提高了，但必须进行淬火及低温回火才能提高硬度。热处理后的表面硬度可达58～62HRC；心部可得到低碳马氏体，具有较高的强度和韧性，硬度达33～48HRC。

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化工热处理基本过程

无论采用哪一种化学热处理工艺，都要经过以下三个基本过程：

1.分解

介质在一定的温度下，发生化学分解，产生渗入元素的活性原子。

2.吸收

活性原子被工件表面吸收，进入铁的晶格而形成固溶体，当达到一定浓度时，与铁形成化合物。

3.扩散

已被工件吸收的活性原子，在一定的温度下由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层。