钢材的化学热处理方法

钢的化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中一种或几种活性原子渗入工件表面层，通过改变表面层化学成分和组织来获得所需性能的一种热处理工艺。

化学热处理能同时改变工件表面的化学成分和组织，获得单一材料难以获得的性能，或进一步提高工件的使用性能。如渗碳、碳氮共渗可提高工件表层硬度、耐磨性与疲劳强度；渗氮、渗铬、渗硼等可提高工件表层的耐磨性和耐腐蚀性；渗硫可提高减摩性；渗铝提高工件表层的抗氧化性。

根据渗入元素的不同，化学热处理可以分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铝、渗铬、渗硼及多元共渗碳。

1.钢的渗碳

把零件置于渗碳介质中，加热保温适当时间，使活性炭原子渗入钢的表面，以提高工件表面的碳的质量分数的热处理工艺称为渗碳。

渗碳后经淬火和低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。

为了保证工件心部具有较高的韧性，渗碳用钢是碳的质量分数为0.15%～0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、20CrNi、18Cr2Ni4W等。

根据所用渗碳介质的工作状态，渗碳方法一般分为气体渗碳法、固体渗碳法和液体渗碳法。由于气体渗碳生产效率高、渗层质量易控制、劳动强度低，故在生产中被广泛应用。近几年，为进一步提高渗碳效率和质量，还有采用真空渗碳。

(1)气体渗碳法。气体渗碳法是将工件放入密封的渗碳炉内，加热到900℃～950℃，向炉内滴入易分解的渗碳剂(如煤油、煤油＋甲醇、苯、丙酮等)，使其在高温下裂解成渗碳气氛。气氛产生以下反应，生成活性炭原子。

(2)固体渗碳法。固体渗碳法是将工件装入有固体渗碳剂的密封箱中(一般用黄泥或耐火泥密封)，放入炉中加热至渗碳温度保温，使工件表面增碳的方法。

(3)液体渗碳法。液体渗碳法也称液体碳氮共渗，其盐浴温度在720℃左右，渗层厚度可在0.08～0.3mm。渗碳后，工件表面形成高硬度、高强度、高抗磨性的碳氮马氏体薄层，心部仍保持高的韧、塑性。适用于抗冲击载荷、抗磨损的零件的热处理，如小模数汽车、机床齿轮箱的传动齿轮，摩托车传动件、高速缝纫机的滑动摩擦件、自行车的轴瓦和轴挡、注塑机的顶杆、碾米筛等以及大批量的薄板零件，耐磨、耐冲击的小五金件等。

(4)真空渗碳法。真空渗碳法是将零件放入特制的真空渗碳炉中，先抽真空达到一定的真空度，然后将炉温升至渗碳温度，再通入一定量的渗碳气体进行渗碳。由于炉内无氧化性气体等其他不纯物质，零件表面无吸附气体，因而表面活性大，通入渗碳气体后渗碳速度快，获得同样渗层厚度的渗碳时间约为普通气体渗碳的1/3，而且表面光亮。

2.钢的渗氮(氮化)

渗氮是将工件放入含氮介质中加热并保温，使氮原子渗入钢的表面，形成高氮硬化层的化学热处理工艺。渗氮可以提高表面层的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。

根据使用介质的不同，分为气体、液体和固体渗氮。其中气体渗氮应用最广。

(1)渗氮原理。气体渗氮是将氨气通入加热至渗氮温度(500℃～600℃)的密封渗氮罐中，氨气在钢的表面分解出活性氮原子，其反应式为(www.xing528.com)

活性氮原子被钢表面吸收，首先溶入α－Fe中，当氮溶解度超出正常溶解度后，便与铁和合金元素形成化合物，并向心部扩散，形成一定厚度的氮化层。

渗氮温度较低，一般在500℃～600℃，渗氮层的深度为0.3～0.7mm，渗氮时间一般为20～50h，为了缩短渗氮时间，生产中常采用二段氮化法。

渗氮前须将工件调质处理，以获得回火索氏体组织，保证工件心部具有较高的屈服强度和韧性，并减少渗氮的变形。

(2)特点。

①氮化层表面硬度高(>950HV)，耐磨性好，具有较高的红硬性。②提高钢的疲劳强度。

③具有较高的抗蚀能力。

④氮化后工件变形小。

3.碳氮共渗

向钢件表层同时渗入碳和氮的过程称为碳氮共渗。碳氮共渗一般分为高温、中温和低温三种。前两种以渗碳为主，最后一种以渗氮为主。目前后两者应用较为广泛。

(1)中温碳氮共渗。中温碳氮共渗的温度是840℃～860℃，共渗介质有多种，最常见的是将渗碳气体和氨气同时通入密封炉内，在共渗温度下分解出活性炭、氮原子，并渗入工件表层形成共渗层。零件共渗后需进行淬火和低温回火。一般零件的共渗层深度为0.5～0.8mm，共渗保温为4～6h。

(2)低温碳氮共渗。低温碳氮共渗的温度为520℃～570℃，以渗氮为主，保温时间为3～4h，共渗剂一般用吸热式气氛和氨气混合气，也有用尿素、甲酰胺等加氨气的。该工艺可有效地提高工件的耐磨性、疲劳强度和抗咬合性等，同时生产周期短、成本低、工件变形小、不受钢材限制。

4.其他化学热处理

(1)渗硼。工件表面渗入硼原子，形成渗硼层的工艺称为渗硼。硼渗入工件表面，形成铁的硼化物，使工件表面有极高的硬度(1200～1800HV)和耐磨性、良好的耐热性及耐蚀性。此外，可用结构钢渗硼替代工具钢制造刃具，用碳钢渗硼替代合金耐热钢、不锈钢制造耐热、耐蚀零件，从而节约钢材。

(2)渗铝。工件表面渗入铝，形成耐热、耐蚀的渗铝层。渗铝主要是改善抗高温氧化性。可用低碳钢渗铝代替耐热钢制造加热炉的底板、坩埚、渗碳箱。

(3)渗铬。工件表面渗入铬原子的过程称为渗铬。渗铬的目的是提高合金的耐蚀性、抗高温氧化性。如低碳钢渗铬后能提高其耐蚀性、抗高温氧化性，可用于化工机械、各种阀门、锅炉及锻模、锉刀等。