化学热处理的基本过程与技巧

传统的化学热处理通常把化学热处理过程分为渗剂的分解、工件表面对活性原子的吸附和活性原子从工件表层向内部扩散三个连续阶段。

1.分解

介质中存在活性被渗元素是进行化学热处理的前提，这些活性原子大多来自渗剂的分解，分解就是渗剂中生成能渗入工件表面的活性原子的化学反应。它可能通过下面的三种反应生成：

分解反应如 2CO→CO₂+[C]

置换反应如 SiCl₄+2Fe→2FeCl₂+[Si]

还原反应如 2BF₂→BF₃+[B]

化学反应速度除取决于反应物的本性外，还与温度、压力、浓度、催化剂有关。一般增加浓度和升高温度，能增加反应速度。添加催化剂可以降低活化能，从而使反应速度剧增。

2.吸附(www.xing528.com)

吸附是物质在相界面上自动聚集的过程，固体的吸附就是固体物质自发地把周围介质中的分子、原子或离子吸附到固体表面的现象，一切固体都能或多或少地把周围介质中的分子、原子或离子吸附到自己的表面上来。吸附是活性原子（或离子）与金属原子产生键合而进入其表层的过程。金属表面原子的结合键比内部原子少，存在着指向空间的剩余引力。当周围介质中的分子、原子或离子碰撞到固体表面时，便被其吸收，并降低其表面能。吸附作用在固体表面不是均匀进行的，吸附中心一般出现在表面的一些缺陷上。粗糙的表面比平滑的表面吸附作用强，晶界比晶内吸附作用强。

固体表面的吸附作用，按其作用力性质可分为物理吸附与化学吸附。物理吸附是靠吸附剂与被吸附分子间的吸引力。物理吸附不需要活化能，一般无选择性，任何固体都能吸附任何气体，并且大多为多分子层，只是吸附力的强弱随固体和气体的性质不同而异。物理吸附的速度很大；化学吸附是靠吸附剂与被吸附粒子之间的类似化学键的结合力，具有化学反应的特征。化学吸附需要一定的活化能。

3.扩散

在固体介质中，原子在化学位梯度（浓度、压力、电位、应力、磁场、晶体缺陷等）驱使下引起的物质的宏观迁移，就是扩散。工件表面吸附活性原子（或离子）后，其表面浓度提高，形成浓度梯度，满足了扩散条件，使渗入元素向其内部迁移形成一定厚度渗层。

4.加速化学热处理过程的途径

化学热处理是一个能源消耗较大的过程，直接关系到生产效率、经济效益等重大问题。国内外科研工作者进行了大量的研发工作，如：①通过对化学热处理中有利于原子扩散的新材料的开发，开辟了一条快速渗入的道路，如稀土元素在加速和提高渗入速度及质量方面的作用非常突出；②根据化学热处理技术的特点，在生产过程中广泛采用对处理过程进行分阶段控制的方法，如在气体渗氮时，常用二段、三段式渗氮代替一段式渗氮，在渗氮过程中通过交替的温度、浓度变换，实现渗氮过程的热循环，可以控制界面与内扩散时化学位的变化，加速渗氮过程。在气体渗碳的初始阶段（即排气和强渗期），通常加大渗剂的滴量，以产生更多的活性炭原子，在尽量短的时间内工件表面被碳所饱和并可以防止氧化，获得很高的表面碳浓度和很陡的碳浓度梯度，有利于碳原子向内扩散。在渗碳期，将渗剂降至合理的滴量，使分解、吸收、扩散三个过程充分协调，减少工件表面形成炭黑的可能性。采用这种方法，不仅加快了渗碳的进程，又能保证获得厚度较深、梯度平缓的过渡层；③在一些多元共渗过程中，部分渗剂原子的相互作用，可明显提高渗速，如碳氮共渗时，由于氮的渗入，将使钢的A₁点下降，有效地扩大奥氏体相区，这为较低温度下进行渗碳创造了条件，大大加速了碳氮共渗的进程。在渗氮处理时，加入C、S、O等元素进行二元或多元共渗，其渗速比单一渗氮更快。