化学热处理渗层组织优化方法

在生产实际中，进行化学热处理的材料绝大多数是以铁碳二元合金为基础的材料，包括碳素钢、合金钢和铸铁。因此，研究钢在化学热处理过程中渗层形成的规律，不仅具有理论价值，而且具有重要的实用意义。

（1）钢进行化学热处理时碳的活动 某种元素渗入钢的表面后，随着表面成分的变化，钢中固有的两个基本元素（铁和碳）也势必有某种活动，其中碳的活动特别引人注目。由于碳的活动，不但影响到钢的各种性能，更直接影响到渗层的形成。

钢在化学热处理过程中，碳的重新分配有以下三种情况：

1）当钢中含有中等含碳量，渗入元素为非碳化物形成元素铝、硅或硼，而且渗入元素的表面浓度足以形成各种金属化合物相层（如Fe₂Al₅、Fe₃Si、Fe₂B、FeB等）时，由于这些化合物中都不能固溶碳，故在其化合物相层下将出现高碳区，如图15-6a所示。

2）当钢中含有中等以上的含碳量，渗入元素为强碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V、Zr、Ti等）时，渗层的外层将为碳化物相层，而在此相层之下将出现一层贫碳区，如图15-6b所示。

图15-6 钢经化学热处理后渗层中碳元素的重新分配示意图

3）不论钢中含碳量高低，如渗入元素为锰、镍、钴时，由于这些元素与铁的性质十分相近，所以钢中碳的重新分配作用并不明显。

钢在进行二元共渗时，如果共渗的两个元素都是强碳化物形成元素（如铬钨共渗或铬钒共渗），则在外表层的碳化物相层下面仍将有一个贫碳区；如果共渗的两个元素都是非碳化物形成元素（如铝硅共渗），则在外表层的金属化合物或固溶体相层下面将有一个富碳区。如果共渗的两个元素一个是强碳化物形成元素，另一个是非碳化物形成元素，情况将有所变化，渗层中碳的重新分配将比上述情况更为复杂。

图15-7 不同含碳量的钢在粉末渗铬时渗铬层的增厚曲线(www.xing528.com)

（2）钢的成分对渗层形成的影响 钢的成分主要包括含碳量、合金元素的种类及含量，它们对渗层形成的作用和产生的影响是不同的。钢中含碳量不仅影响到渗层的增厚速率，而且直接影响渗层中相的类型。以渗铬为例，纯铁渗铬所得的渗层常为单相α固溶体，因为当铁中铬的质量分数达到12.5％时，即可封闭γ相区。此固溶体的晶粒生长方向与表面相垂直，晶粒呈柱状，渗层深度可达25～120μm。当钢中碳的质量分数增加到0.10％～0.12％时，铬的扩散强烈地被抑制，渗层的增厚速率大为减慢。当钢中碳的质量分数为0.16％～0.20％时，渗铬层的增厚速率达到一个极小值，如图15-7所示，这时已形成比较完整的碳化物层。

当钢中碳的质量分数超过0.2％时，进一步增加含碳量，渗铬速率将逐步加快，这是由于含碳量增高为碳化铬相的形成提供了便利条件。直到钢中碳的质量分数达到0.7％～0.8％时，渗铬层的增厚速率达到一个极大值。如果钢中的含碳量超过这一界限，进一步增加时又会使渗铬层的增厚速率减慢，如图15-8所示。

图15-8 当钢中碳的质量分数超过0.2％时含碳量对粉末渗铬层深度的影响

钢中含碳量不仅影响到渗层的增厚速率，而且直接影响到渗层的相组成。仍以渗铬为例，随钢中含碳量的变化，对应的渗铬层组织见表15-1。

表15-1 钢中含碳量对渗铬层组织的影响

钢中渗入合金元素时，由于渗入元素与碳的相互作用，对渗层成分和组织产生显著的影响。缩小γ相区的非碳化物形成元素Si、Al、P、Cu渗入钢表面后产生α相区，从而将碳从表层挤向内层，在内层出现富碳区，表层为贫碳区；扩大γ相区的Ni、B也有类似的作用。当碳化物形成元素Cr、V、Ti、W、Nb等渗入钢件表面后，又强烈地将碳拉到表面，甚至在表面形成很薄的碳化物壳，表面出现富碳区，而内侧出现贫碳区。当同时渗入碳化物形成元素和非碳化物形成元素时，渗层组织可以根据两种元素渗入表面先后顺序的不同而改变。

钢中合金元素对渗层形成的影响十分复杂，目前还没有找到一个普遍规律，不同合金元素对不同渗入元素的影响有很大差别。例如，渗硼时在硼化铁中几乎不能溶解硅，溶解铬的数量也微乎其微，所以随着硼化铁相层向纵深扩展，硅（或铬）被驱至硼化铁相层之下，形成一个富硅层（或富铬层）。也就是说，含有合金元素硅（或铬）的钢在渗硼时，硅（或铬）也存在一个重新分配问题，因而抑制了渗硼层的增厚。而在渗氮时，硅的作用基本相同，铬却可以和氮形成氮化铬相（Cr₂N、CrN），不再有重新分配的扩散过程，所以对渗层增厚的抑制作用也就减轻了。

影响渗层组织的因素有很多方面，其一是渗入元素和被渗金属的物理、化学特性以及同时渗入基体金属元素的数目和基体的化学成分；其二是扩散温度和时间不同，渗层的组织可能不同，渗后的冷却速度不同，渗层的组织可能不同。渗剂活性的强弱和金属表面的状态也对渗层的组织有较大影响。