化学热处理工艺：多元共渗与硫氮碳共渗

化学热处理是将金属或合金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它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺^[2]。

化学热处理的目的是通过改变金属表面的化学成分并采用热处理的方法获得单一材料难以获得的性能，或进一步提高金属制件的使用性能。

化学热处理按渗入元素的名称分类，可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬、渗锌等，两种或两种以上元素同时渗入时，称为共渗，例如碳氮共渗、氮碳硼共渗等。

渗碳就是为了增加钢件表层的含碳量并在其中形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺^[2]。这是实际生产中应用最广泛的一种化学热处理工艺。普通渗碳层可达几百微米至1mm，深层渗碳可达几毫米甚至十几毫米。渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳、真空渗碳及离子渗碳等。气体渗碳一般在含有丙烷等的气氛中于930℃进行。工件渗碳后，提供了表层高碳、心部低碳这样一种含碳量的工件。为了得到合乎理想的性能，尚需进行淬火和低温回火。经渗碳、淬火和低温回火后，钢件表层得到回火马氏体和细小、均匀的粒状碳化物，硬度58～62HRC；心部性能随钢种而异，对淬透性低的低碳钢，硬度为204～185HBS（10～15HRC）；对淬透性较高的低碳合金结构钢，硬度可达35～45HRC，综合力学性能较好。

气体渗氮一般在纯氨的气氛中于进行，渗氮温度常在480～560℃范围内选择。一段渗氮工艺选用上限温度大多不超过530℃。二段或三段渗氮时，第二阶段的温度通常低于560℃。工厂执行的典型工艺，渗氮时间都在几十小时以上。以工件自身为阴极，靠在含氮的辉光放电气氛中加热到一定温度，对零件表面渗氮的工艺过程叫作离子渗氮，又称离子氮化。离子渗氮具有渗氮温度范围低（400～600℃），工件变形小，渗氮层脆性低，工件往往可不经磨削直接使用等优点。

在一定温度下将碳和氮同时渗入工件表层奥氏体中并以渗碳为主的化学热处理工艺，称为碳氮共渗^[2]。目前应用较多的碳氮共渗温度为820～860℃。与渗碳相比，碳氮共渗的优点是温度低，工件变形小。(www.xing528.com)

氮碳共渗就是在工件表层渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺^[2]。氮碳共渗的合适温度为570℃左右。氮碳共渗同渗氮相比有以下特点：氮碳共渗处理的工艺时间短；氮碳共渗所形成的白亮层的脆性比渗氮小；设备简单，操作方便。

将硼元素渗入工件表层的化学热处理工艺，称为渗硼^[2]。渗硼层一般为0.1～0.3mm，由FeB及Fe₂B相组成，呈梳齿状楔入基体。外侧深色梳齿状相为FeB，内侧浅色梳齿状相为Fe₂B。FeB硬度1890～2340HV，脆性较大。Fe₂B硬度1290～1680HV，脆性较小。通过控制工艺参数，可以得到Fe₂B单相渗硼层。渗硼是新兴的化学热处理工艺方法，除可提供极高的表面硬度，远非其他表面硬化层所可比拟的耐磨性外，还可提供很高的热硬性（900～950℃）以及在盐酸、硫酸及碱中的高的耐蚀性。渗硼应用在泥浆泵衬套、涡轮钻机底盘，针阀偶件、挤压螺杆、牙轮钻头、冷冲模、拉深模、成形模、热锻模、压铸模及排污阀等方面，能显著提高使用寿命。

将钢及合金工件加热到适当的温度，使金属元素（如铝、铬、钒等）扩散渗入表层的化学热处理工艺，称为渗金属^[2]。渗金属主要包括渗铝、渗铬、渗钒、渗锌、渗钛等，其中应用最多的是渗铝。渗铝是提高抗高温氧化能力和耐腐蚀能力的有效方法之一。因此，渗铝的目的主要是提高钢材和耐热合金的高温性能，改善铁基粉末合金、铜合金和钛合金的表面性能以及能够用低级钢材渗铝代替高级耐热钢材。

将工件表层渗入多于一种元素的化学热处理工艺称为多元共渗。硫氮共渗是使工件表层同时渗入硫和氮的化学热处理工艺。其目的是综合利用渗硫的减摩作用及渗氮的抗磨损作用来提高零件的使用寿命，增加经济效益。硫氮共渗主要用于要求抗咬合性、耐磨性、疲劳强度高的工模具、刀具和零件上，能够大大提高其使用寿命。将工件在含有氰盐和硫化物的介质中同时渗入硫、氮和碳的化学热处理工艺叫硫氮碳共渗。硫氮碳三元共渗是在硫氮共渗工艺基础上发展起来的，经过共渗处理后，零件在组织和性能上综合了渗硫和氮碳共渗二者的优点，具有较好的技术、经济效果。硫氮碳三元共渗工艺用于要求耐磨性、抗咬合性、抗疲劳性的结构零件、工模具、刀具上，可较显著地提高使用寿命。