化学热处理的分类及基本性能解析

1.分类

化学热处理按渗入元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硼、渗铝以及碳铬复合渗等。按钢铁基体材料在进行化学热处理时的组织状态，化学热处理可分为奥氏体状态（如渗碳、碳氮共渗等）和铁素体状态（如渗氮、氮碳共渗等）。

按化学热处理采用的温度，还有在钢的珠光体转变温度以上进行的高温化学热处理和在低于钢的珠光体转变温度下进行的低温化学热处理之分。常规的高温化学热处理如渗碳、碳氮共渗、渗硼、渗铝、渗硅等。高温化学热处理处理温度高，渗层较厚，变形大，能源消耗严重，主要目的是提高疲劳强度和耐磨性，或提高抗蚀性以及提高抗氧化性等，可用于承载较大的工件。进行高温化学热处理之后，多数还要进行淬火、回火以提高与改善基体与渗层的机械性能。常规低温化学热处理，有渗氮、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳共渗等，渗层薄（0.01～0.5mm），处理温度低节约能源，变形小，渗后一般不再进行加工，或只进行精加工。低温化学热处理的目的，主要是提高工件硬度或降低摩擦系数提高工件耐磨性，或提高耐磨性与疲劳强度，适用于承载不很大的工件。

化学热处理常用的是按处理时所用渗入元素介质的物理状态划分，分为固体法、液体法、气体法和等离子法等。

固体法是古老的传统工艺，固体法包括粉末或粒状填充法、膏剂或料浆涂覆法等，设备和操作简单，尤其是在进行单件、小批量生产和修复时更有优势。

液体法有盐浴法、电解盐浴法、热浸法、电镀、电泳或喷涂后扩散退火（退火温度高于渗入元素熔点）及水溶液电解加热等，其中盐浴法的使用较为广泛。盐浴法是将工件放入含有渗入元素的盐浴坩埚中加热，进行扩散渗入。盐浴法所用设备简单，操作容易，处理时间短，渗后可直接淬火。

气体法是将工件放在封闭的炉膛或渗罐中，通入气体渗剂或滴入液体渗剂，在炉罐内分解为气体渗剂进行扩散渗入。但需要专用设备，不适于单件、小批量生产。气体法通过改变渗剂与稀释剂的比例，能实现可控气氛，渗层质量好，容易实现机械化，便于渗后直接淬火。

离子轰击法包括离子渗氮、离子渗碳、离子氮碳共渗、离子碳氮硫共渗、离子渗硼、离子渗硫等。先向真空罐中通入稀薄气体，在高压电场作用下引起辉光放电，使气体电离，用所产生的正离子轰击工件表面，正离子具有的高动能转化热能将工件加热，并使表面点阵原子激活脱位，点阵缺陷扩散速度大大加快，大幅度缩短扩渗时间、生产周期，提高渗层质量。

2.渗层的基本性能

不同的材料经各种化学热处理及后续处理后，表面将获得不同厚度、成分、组织和性能，满足不同服役条件的需要，如渗碳、渗氮可以提高钢件的耐磨性和疲劳强度，渗硼可以提高耐磨性与抗蚀性；渗铬可以提高抗氧化性、抗蚀性和耐磨性；渗钒可以提高耐磨性；渗铝能明显地提高抗高温氧化性；渗硅则增强钢件对各种酸的抗蚀能力。

1）硬度。经不同化学热处理工艺处理后所获得的渗层硬度是各不相同的。图5-1列出了几种处理方法的大致硬度范围。

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图5-1 表面硬度与处理方法之间的关系

2）耐磨损性能。根据磨损条件不同，磨损可分为四大类，即磨粒磨损、黏着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损，这四种磨损的机理各不相同，破坏形式各异，因而对表面渗层也有不同的要求。

对工件表面所施加的应力不致使磨粒破碎这类低应力磨粒磨损，化学热处理具有较好的效果；在高应力磨粒磨损条件下，对材料的强韧性要求很高，而渗层一般较脆，因此，难以用化学热处理方法来提高这类工件的耐磨性。

材料抵抗黏着磨损的能力决定于材料的压缩屈服强度（硬度）、韧性，凡能提高材料表面硬度、减小摩擦副之间两种金属结合力的化学热处理方法，都将显著提高材料的抗黏着磨损能力。

材料接触疲劳强度除与材料的冶金质量、零件表面粗糙度等因素有关外，采用适当的化学热处理可显著提高接触疲劳强度，即提高材料抗接触疲劳磨损的能力。

典型的腐蚀磨损有氧化磨损、气蚀、微动磨损及特殊介质磨损等。致密而非脆性的氧化膜能显著提高磨损抗力。渗碳（碳氮共渗）、氧氮共渗、渗氮（氮碳共渗）等处理，可提高工件抗腐蚀磨损的能力。

3）抗摩擦及抗擦伤性能。渗氮、氮碳共渗、渗硫等化学热处理方法，可降低材料表面的摩擦系数，起到固体润滑的作用，或是提高材料的抗咬合性能，防止工件表面擦伤。这些工艺广泛用于模具、滚动轴承、工具、轴类等零件的表面处理。

4）弯曲疲劳强度渗碳（碳氮共渗）、渗氮（氮碳共渗）等化学热处理工艺，能使工件表面产生残余压应力，可提高材料的弯曲疲劳性能。常用化学热处理方法及作用见表5-1。

表5-1 常用化学热处理方法及作用