01 化學熱處理的定義

化學熱處理

化學熱處理是將金屬或合金工件置于含有適當的活性介質中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。

化學熱處理亦稱“表面滲擴”或“熱擴滲”處理。實際上，化學熱處理是把金屬材料或制件置于含有一種或多種化學元素的固體、液體或氣體介質中，在爐中加熱到一定溫度，通過介質高溫裂解物在金屬材料表面的分解、吸附、固溶、化合反應使這些元素進入金屬表面，并經過熱擴散逐漸滲入金屬材料，在金屬表層形成富一種或多種合金元素的滲層。

化學熱處理技術在現代工業中占有很高的比重，它之所以被廣泛應用，是因其可在很大程度上提高工件“表硬內韌”的性能要求，如要求工件表面高強度、高硬度、高耐磨性等力學性能、抗咬合性能、抗疲勞性能以及特殊的耐蝕性、抗高溫氧化性能等物理化學性能等，同時工件自身還應保持原有的良好的塑韌型等基本性能，從而提高機器零件在各種復雜工況下的耐用度。

化學熱處理的主要特征是：固體擴散滲入，既改變工件表面層的化學成分，又改變其組織，滲層與基體之間有擴散層，獲得單一材料難以獲得的性能或進一步提高工件的使用性能。化學熱處理的驅動力是濃度梯度。化學熱處理形成滲層的結構遵守相圖，其結構是連續的，屬于冶金結合。

02 化學熱處理的分類

01 按滲入元素的種類分類

可分為滲碳、滲氮（氮化）、滲硼、滲鋁、滲硫、碳氮共滲、碳鉻復合滲等。 

2 按滲入元素的種類和先后順序分類

1 單元滲，滲入單一種元素

如滲碳（單元滲碳）、滲硼（單元滲硼）等。

2 二元共滲。同時滲入兩種元素的稱為二元共滲

如同時滲入碳、氮兩種元素即稱碳氮二元共滲（簡稱碳氮共滲），同時滲入硼、鋁兩種元素即稱硼鋁二元共滲（簡稱硼鋁共滲）等。

3 多元共滲。同時滲入兩種以上元素的稱為多元共滲

如同時滲入碳、氮、硼三種元素即稱碳氮硼三元共滲等。

4 二元復合滲。先后滲入兩種元素的稱為二元復合滲

如先后滲入鎢和碳兩種元素即稱鎢碳二元復合滲等。

5 多元復合滲。先后滲入兩種以上元素的稱為多元復合滲

如氮碳硫三元復合滲等。

3 按滲入元素的活性介質所處狀態的不同分類

1 固體法

包括粉末填充法、膏劑（料漿）法、電熱旋流法等。

2 液體法

包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等

3 氣體法

包括真空法、固體氣體法、間接氣體法、流動離子爐法等

4 離子轟擊法

包括離子轟擊滲碳、離子轟擊氮化、離子轟擊滲金屬等。

4 按照表面化學成分的變化特點分類

擴散滲入又可分為4個類別：

滲入各種非金屬元素；

滲入各種金屬元素；

同時滲入金屬-非金屬元素；

擴散消除雜質元素等。

5 按照滲入元素與鋼中元素形成的相結構分類

1 第一類是滲入元素溶于溶劑元素的晶格中形成固溶體

如滲碳、碳氮共滲等。

2 第二類是反應擴散

此類又可分兩種：第一種是滲入元素與鋼中元素反應形成有序相（金屬化合物），如滲氮（俗稱氮化）；第二種是滲入元素在溶劑元素晶格中的溶解度很小，滲入元素與鋼中元素反應形成化合物相，如滲硼。

6 按照滲入元素對鋼件表面性能的作用/目的進行分類

1 提高工件表面的硬度、強度，疲勞強度和耐磨性。如滲碳、氮化、碳氮共滲等。

2 提高工件表面的硬度、耐磨性。如滲硼、滲釩、滲鈮等。

3 減少摩擦系數、提高抗咬合、抗擦傷性。如滲硫、氧氮化、硫氮共滲處理等。

4 提高抗腐蝕性。如滲硅、滲鉻、滲氮等。

5 提高抗高溫氧化性。如滲鋁、滲鉻、滲硅等。

7 按鋼材在進行化學熱處理時的組織狀態進行分類

 表1 按照鋼的組織狀態所形成的分類表

如表1所示，由于鋼處于鐵素體狀態下，化學熱處理溫度一般均低于600℃，故將處于鐵素體狀態下的化學熱處理，又稱為低溫化學熱處理；而鋼處于奧氏體狀態下的化學熱處理溫度一般均高于600℃ ，則稱為高溫化學熱處理。

低溫化學熱處理工藝具有處理溫度低，節能，工件畸變小，耐腐蝕和抗咬合性好，硬度高，耐磨、減摩性能好等優點。

同時，從表1還可以看出，鋼的化學熱處理通常以滲入不同的元素來命名的，如滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

03 化學熱處理的特點

與表面淬火、表面形變強化等表面強化方法相比，其具有以下特點。

1 通過滲入不同的元素，可有效地改變工件表面的化學成分和組織，以獲得各種不同的表面性能，從而滿足不同工作條件對工件的性能要求。

2 一般化學熱處理的滲層深度可根據工件的技術要求來調節，而且滲層的成分、組織和性能由表至里是逐漸變化的，滲層與基體屬于冶金結合，結合牢固，表層不易剝落。

3 通常化學熱處理不受工件幾何形狀的限制，無論形狀如何復制均可使外殼和內腔獲得所要求的滲層或局部滲層，不像表面淬火、滾壓、冷壓、冷軋等冷作硬化處理那樣，要受到工件形狀的限制。

4 絕大部分化學熱處理具有工件變形小、精度高、尺寸穩定性好等特點。如氮化、軟氮化、離子氮化等工藝，均使工件保持較高的精度、較低的表面粗糙度和良好的尺寸穩定性。

5 所有化學熱處理均可獲得改善工件表面性能的綜合效果，大部分化學熱處理在提高表面力學性能的同時，還能提高工件表面層的耐蝕性、抗氧化性、減摩、抗咬合性、耐蝕性等多種性能。

6 一般化學熱處理對提高機械產品的質量、挖掘材料潛力、延長使用壽命具有更為顯著的成效，因此可節約較貴重的金屬材料，降低成本，提高經濟效益。

7 多數化學熱處理既是一個復雜的物理化學過程，也是一個復雜的冶金過程，它需要在一定的活性介質中進行加熱，通過界面上的物理化學反應和由表及里的冶金擴散來完成。因而其工藝較復雜，處理周期長，而且對設備的要求也較高。

04 結束語

化學熱處理

本期文章主要和大家分享了化學熱處理的定義、分類及特點。相信通過這期基礎性的資料介紹，大家對化學熱處理有了進一步的了解。