常用化学热处理工艺方法及应用范围

机械零件和工模具的化学热处理，根据渗入的元素种类和数量不同分为：渗碳和碳氮共渗、渗氮和氮碳共渗、渗硼、渗硫、渗硅和渗铝、渗铬、渗钛、渗铌以及其二元、三元和多元共渗等。下面，将逐一阐述广泛使用的几种化学热处理工艺方法。

1.渗碳和碳氮共渗

渗碳和碳氮共渗通常按渗剂形态不同分为：气体、液体和固体渗碳及碳氮共渗；按所用设备不同分为真空、离子和流态床以及感应加热渗碳及碳氮共渗等。常用的渗碳和碳氮共渗方法及其特点，如表1-38所示。

表1-38 渗碳和碳氮共渗常用的方法及其特点

2.渗氮和氮碳共渗

渗氮和氮碳共渗均在钢的相变点温度（727℃）以下进行。因此，具有变形小、渗层薄和硬度高等特点。渗氮广泛应用在机械零件和工模具等要求硬化层薄、载荷较小、对变形要求严格且耐磨的情况。但渗氮有其不足之处，如生产周期长、效率低和成本高、适用的钢种有限以及渗层脆性大等。为此，出现氮碳共渗（即软氮化）技术。氮碳共渗虽然硬度（根据材料不同，可达600～1100HV）稍逊于渗氮（可达1000～1200HV），但具有生产周期大大缩短、生产效率显著提高和成本有效降低以及适用的钢种几乎不受限制、脆性明显降低等优点，因此，大大拓展了其应用范围。

常用的渗氮和氮碳共渗方法，如表1-39所示。渗氮和氮碳共渗目的大致相同，即都是为了提高表面硬度、耐磨性和耐疲劳性能以及耐蚀性等。

表1-39 各种渗氮和氮碳共渗方法及特点

（续）

3.渗硼

目前，工厂采用的主要是固体渗硼和盐浴渗硼。此外，还有气体渗硼、电解渗硼等。

渗硼有以下特点：

1）零件渗硼后形成铁的硼化物，具有很高的硬度，可达1800～2000HV，大大提高零件的耐磨性。

2）渗硼可以提高刃具的热硬性，在800℃以下硬度不会降低。

3）渗硼后，零件在硫酸、盐酸及碱中具有良好的耐蚀性，可用于各种腐蚀条件下工作的零件。

4）渗硼层可以提高机械零件的抗氧化能力，可以代替某些不锈钢制零件。

渗硼不足之处是渗硼层脆性较大；零件渗硼后其表面的残留物不易清理。

（1）固体法渗硼工艺特点

1）固体渗硼与固体渗碳的装箱方法相近，如图1-16所示。零件与零件之间、零件与箱壁之间保持10～20mm距离；零件与箱盖之间距离不小于20mm。为了便于清理箱壁上的残留物，可在渗箱四周先垫一层纸，然后填充渗剂。

2）固体法渗硼采用600～700℃装炉，以免在低温加热过程零件被氧化（600℃以下渗剂不发生反应，不起保护作用）。

3）固体法渗硼后，中、高合金钢件可将渗箱随炉降至所处理钢的淬火温度，保持一段时间后出炉，开箱直接淬火；碳素钢和低合金钢件应将渗箱随炉降至室温，开箱后，按普通淬火温度重新加热淬火。

图1-16 固体渗硼箱示意图

（2）盐浴法渗硼工艺特点

1）盐浴渗硼介质的配制：还原剂为碳化硅时，一般获得单相（Fe₂B）硼化物层。欲得到双相（FeB＋Fe₂B）硼化物层，则需选用铝、硅、钙、硅钙或稀土等。活化剂为氟化钠、碳酸钠。当用氟硼酸钠和氟硼酸钾时，也兼有供硼剂作用。

2）将坩埚加热到850°C，把脱水后的硼砂分批加入到坩埚内，待硼砂全部熔化后，再加入混合好的添加剂，最后加入还原剂；也可将还原剂与添加剂混合均匀后同时加入，将盐浴搅拌均匀并升温到所需温度。常用的盐浴渗硼介质的配方如表1-40所示。

表1-40 常用的盐浴渗硼介质的配方

4.渗硫

广泛使用的渗硫方法是电解法。

（1）电解渗硫的特点

1）渗硫后零件表面呈灰白色。

2）渗硫层组织为FeS，或FeS与Fe₂S的混合物。

3）渗层深度为5～15μm。

（2）低温电解渗硫工艺规范（见表1-41）

5.硫氮共渗

硫氮共渗方法有气体硫氮共渗、盐浴硫氮共渗和离子硫氮共渗等。

（1）硫氮共渗的特点

1）硫氮共渗后零件表面呈灰白色。

2）硫氮共渗层组织，最外层为Fe₂S，次层为Fe_1-XS，次层以里为硫化物和氮化物共存层。

表1-41 低温电解渗硫工艺规范

3）硫氮共渗层深度为0.45～0.95μm。

4）基体硬度与材料成分及淬火回火工艺有关。

（2）气体硫氮共渗 以氨气和硫化氢为介质，按NH₃∶H₂S＝（9～12）∶1（体积比）通入炉中。氨分解率约为15％。炉容积较大时，硫化氢供给量应减少。气体硫氮共渗温度为550～570°C，保温时间一般为4～6h，随后油中冷却。渗层深度达95～97μm。

（3）盐浴硫氮共渗 在成分（质量分数）为50％CaCl₂＋30％BaCl₂＋20％NaCl的熔盐中添加8％～10％的FeS₂，并按13L／min的流量通入氨气（容积较大时，取上限）。盐浴硫氮共渗温度为520～600°C，保温时间为0.25～2.0h。共渗层可达30～60μm。

（4）离子硫氮共渗 通常在离子渗氮炉中进行。渗剂为NH₃（162L／h）＋H₂S（5.4L／h），离子硫氮共渗温度为520～600°C，保持2～4h，炉内压力（7～8）×133.32Pa。炉中冷却到室温出炉。电参数：电压为700～750V，电流密度为1.7～2.0mA／cm²。

6.渗硅

渗硅方法有：固体渗硅、液体渗硅和气体渗硅等。

（1）渗硅的特点

1）渗硅旨在提高零件在硫酸、硝酸、海水及多数盐、碱液中的耐蚀性。

2）硅含量低的硅钢片渗硅含量达7％（质量分数）后，可显著降低铁损。

3）渗硅后，经170～200°C油中浸煮后，有较好的减摩性。

4）在一定程度上，提高零件的高温抗氧化能力。

5）渗硅后的组织：表层为含硅的铁素体，过渡区为含碳增多的珠光体＋铁素体。

6）表面硬度为250～300HBW；渗层深度一般为0.4～1.4mm。

（2）固体渗硅(www.xing528.com)

1）渗剂：常用以下几种配方（质量分数）：75％硅铁＋20％耐火土＋5％氯化铵，适用于普通渗硅；80％硅铁＋15％氧化铝＋5％氯化铵，适用于普通渗硅；80％硅铁＋8％氧化铝＋12％氯化铵，适用于多孔减摩渗硅；30％硅铁＋60％氧化铁＋10％氯化铵，适用于消除孔隙渗硅。渗剂通常按上述配方研成，粒度小于0.297mm（约为50目）。

2）工艺：在950～1050°C的渗入时间可根据零件图样或工艺文件要求的渗层深度，按0.25～0.3mm／h计算；在温度1100～1200°C的渗入时间，按0.08～0.10mm／h计算。

3）固体渗硅的装箱方法和其他操作等，参照固体渗碳操作要点。固体渗硅后，缓冷或出炉空冷均可。

（3）液体渗硅

1）介质：液体渗硅介质以硅酸钠∶氯化钠＝2∶1（质量分数）为基盐，另加含硅的其他物质的混合盐。例如，质量分数为65％基盐＋35％碳化硅；质量分数为80％～85％基盐＋15％～20％硅钙合金；质量分数为90％基盐＋10％硅铁合金。将其研成1.0～1.4mm的粒度后放入炉中熔化。

2）工艺：由于渗硅层深度与其温度成正比，因此具体的温度和时间，可根据设备实际条件和零件图样要求的深层深度，参照图1-17所示规律来确定。

7.渗铝和铝硅共渗

常用渗铝和铝硅共渗方法有：固体法、液体法和膏剂法等。

（1）渗铝和铝硅共渗的特点：

1）渗铝和铝硅共渗旨在提高零件的耐热性、耐蚀性和抗高温氧化能力。

2）渗铝后的零件表面硬度为500HV左右。

3）渗铝层组织：表面为铁铝金属间化合物，中间层为针状或网状铁铝化合物及含铝的铁素体，心部为原始组织。

图1-17 温度对渗硅层深度的影响（时间为2h）

4）铝硅共渗后耐热度比单一渗铝进一步提高，渗层深度达115μm。

5）渗铝和铝硅共渗后，零件表面呈银灰色。

（2）固体渗铝

1）固体渗铝剂：生产中常用的介质有以下几种，质量分数为60％铝铁合金＋39％～39.5％氧化铝＋0.5％～1.0％氯化铵；质量分数为99％～99.5％铝铁合金＋0.5％～1.0％氯化铵；质量分数为50％铝＋49％～49.5％氧化铝＋0.5％～1.0％氯化铵。

2）固体渗铝工艺：固体渗铝装箱与固体渗碳方法相似，只是在盖上留一小孔即可；固体渗铝加热温度为850～1100℃，保温时间3～12h（具体时间按零件图样或工艺文件规定的渗层深度确定）。例如，在900℃固体渗铝时，渗层深度与时间的关系如表1-42所示。

表1-42 900℃固体渗铝时，渗层深度与时间的关系

（3）液体热浸渗铝

1）液体热浸渗铝剂：生产中使用的液体热浸渗铝剂有以下两种：在100％铝浴槽中以760～780℃热浸；质量分数为92％～94％铝＋6％～8％硅，另加总质量的2％氯化铵，在760～820°C浴槽中热浸。

2）液体渗铝工艺：经760～780°C或760～820°C热浸后，在950～1050°C进行3～8h的均匀化退火，以降低表面铝的浓度和增加深度。渗铝时间按零件图样或工艺文件规定的渗层深度确定。表1-43所示为液体渗铝温度和时间与渗层深度的关系。

表1-43 液体渗铝温度和时间与渗层深度的关系

（4）膏剂铝硅共渗

1）膏剂铝硅共渗剂：膏剂铝硅共渗剂成分（质量分数）为60％～70％铝铁＋28％～38％硅＋1％～2％氯化铵。

2）膏剂铝硅共渗流程：清除零件表面油污和其他污物及锈迹→将渗剂与粘结剂混合均匀后，调成悬液状→将渗剂刷涂于零件表面，厚度约3mm→在150℃温度下，烘干3～10min→零件表面包裹约4mm厚度的耐火泥进行密封→在150℃预热10～15min（如表面有裂纹再重新封补）。

3）膏剂铝硅共渗工艺：在电阻炉中于950°C加热，保持2h，然后清除零件表面耐火泥；重新加热到1050°C，保持1h后在水中淬火冷却。

8.渗铬和铬铝共渗

（1）渗铬和铬铝共渗方法 生产实践中采用的渗铬有固体渗铬、液体渗铬，另外还有真空蒸发渗铬和气体渗铬等。铬铝共渗，可以两种元素同时渗入，也可先渗铬后渗铝或者先渗铝后渗铬。

（2）渗铬和铬铝共渗的特点

1）低碳钢渗铬后表面硬度为200～250HV；高碳钢为1250～1300HV。

2）渗铬层深度：一般为0.1～0.3mm。

3）渗层组织：低碳钢为50％左右（质量分数）铬在铁素体中的固溶体；高碳钢为含铬的碳化物Cr₇ C₃和（CrFe）7 C₃。

4）渗铬层的耐蚀性：在盐、碱和弱酸中浸24h不产生锈蚀痕迹。

5）铬铝共渗后的最佳效果取决于渗层中的铬与铝的比例。试验表明，以Cr∶Al＝5∶1（质量分数）最好。

（3）固体渗铬

1）渗剂：常用的固体渗铬剂有两种配方：质量分数为50％～55％铬铁＋40％～50％氧化铝＋2％～3％氯化；质量分数为60％～65％铬铁＋30％～35％氧化铝＋3％～4％氯化铵。将按比例混合好的渗剂研成粒度小于0.297mm（约50目）的粉末状备用。

2）产前准备：将渗剂与清理干净的零件相间摆放在渗铝箱内，同时放一只同种材料的试样。装箱方法与固体渗碳相似，只是箱盖上留一小孔便于排除多余气体。

3）工艺：装炉温度为800～850℃，保温1～1.5h后升温到1000～1050℃，保温12～15h（视层深要求而定）。然后，随炉冷却到600～700℃出炉空冷即可。

（4）液体渗铬

1）液体渗铬剂：可采用质量分数为70％氯化钡＋30％氯化钠为基盐，将金属铬或铬铁粉末经盐酸处理后放入基盐中。

2）工艺：在1000～1050℃加热，保温1.0～1.5h（视层深要求而定）。渗铬过程应不间断地用惰性气体或还原气体保护盐浴表面，以免发生氧化。

（5）固体铬铝共渗 常用的固体铬铝共渗剂及共渗工艺如表1-44所示。

表1-44 铬铝共渗剂及共渗工艺

9.渗锌

渗锌，除了传统的固体渗锌、液体渗锌外，还有蒸汽法渗锌等。

（1）渗锌的特点

1）渗锌后，表层为含锌较多的FeZn₇锌铁合金；里层为含铁较多的FeZn₃锌铁合金，两者总厚度应为10～15μm。

2）渗锌后，在40℃的氯化钠水溶液中浸放300h，没有锈蚀痕迹。

（2）固体渗锌

1）固体渗锌介质：常采用的配方有两种：质量分数为100％纯锌粉，另加0.05％氯化铵；质量分数为50％纯锌粉＋30％三氧化二铝＋20％氧化锌。每次使用需要新加质量分数为1％～2％新渗剂，连续使用时，用过18～20次后去除1／3旧渗剂，以等量新渗剂补充即可。

2）固体渗锌工艺：固体渗锌可在较宽的温度范围进行，温度和时间与渗层深度的关系如图1-18所示。通常是根据渗层深度要求和生产条件等确定其加热温度和保温时间。

（3）热浸渗锌 一般在430～460℃熔融的锌浴中浸渍数分钟，即可获得0.02～0.03mm的渗锌层。具体时间应根据所需渗层深度要求，通过试验和积累经验确定。

图1-18 粉末渗锌温度和时间与渗层深度的关系