化學熱處理技術在現代工業中被廣泛應用，能夠提高金屬工件得表面強度、硬度、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，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：

固體擴散滲入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。絕大多數化學熱處理后對工件的變形小、精度高、尺寸穩定性好的特點。該過程是一個復雜的物理化學過程，工藝處理周期較長，對設備的要求也比較高。

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。

化學熱處理的分類方法多樣，包括按照元素種類、滲入先后順序及滲入時金屬狀態進行分類：

定義：

將鋼件置于具有足夠碳勢的介質中加熱到奧氏體狀態并保溫，使其表層形成一個富碳層的熱處理工藝。

碳勢：

純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時達到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時的表面含碳量。

目的：

滲碳介質在工件表面產生的活性碳原子，經過表面吸收和擴散將碳滲入低碳鋼或低碳合金鋼工件表層，使其達到共析或略高于共析成分時的含碳量，以便將工件淬火和低溫回火后，提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度，同時保持心部具有一定強度和良好的塑性與韌性。

應用范圍：

在機器制造業中，有許多重要零件，如汽車變速箱齒輪、活塞銷、摩擦片等。可以滲碳的鋼一般是碳的質量分數為0.12%-0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。

根據滲碳劑的不同，滲碳方法可分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳。

（1）固體滲碳---粒狀或膏狀滲碳劑中滲碳。

將工件置于填滿木炭(90%左右)和催滲劑(BaCO3、CaCO3或 Na2CO3等)(10%左右)的固體滲碳箱內進行的，如圖1所示。固體滲碳在滲碳法中歷史最老，不適于連續處理大量工件，作業環境不良，已有衰退傾向，不過爐及其他設備也較簡單，多種少量的處理也較方便，不至完全絕跡。

圖1 固體滲碳箱
1-滲碳劑　2-工件　3-箱體4～6mm
鐵板　4-泥封　5-試棒?10mm
6-蓋：鐵板厚6～8mm

優點：操作簡單； 

缺點：滲速慢，勞動條件差

（2）液體滲碳---鹽浴滲碳   

液體滲碳就是在液體介質中進行的滲碳工藝。

可分為兩類：一類是加有氰化物的鹽浴，另一類是不加氰化物的鹽浴。因氰化物有劇毒現已基本不用。不加氰化物的鹽浴由NaCl或KCl、Na2CO3、和(NH2)2CO或木粉組成，如圖2所示。

圖2　井式氣體滲碳爐
1-風扇電動機　2-廢氣火焰　3-爐蓋　4-砂封　5-電阻絲  6-耐熱罐　7-工件　8-爐體

優點：液體滲碳技術滲層性能優良，工藝簡單，采用無毒低氰滲劑容易操作，且對人體危害小，可以廣泛的得到推廣與應用

（3）氣體滲碳---有機含碳氣氛　

氣體滲碳是指零件在氣體滲碳劑中進行滲碳的工藝。氣體滲碳法的生產率高，滲碳過程容易控制，滲碳層質量好，且易實現機械化與自動化，應用最廣。

優點: 質量好, 效率高； 

缺點: 滲層成分與深度不易控制

1）滲碳介質的分解　

由介質中分解出活性碳原子。滲碳氣氛在高溫下分解出活性碳原子[C]，即：

注：在供應的原料氣組分穩定的情況下，只要控制氣氛中的微量組分CO2、H2O、CH4或O2中的任何一個含量，便可控制上述反應達到某一平衡點，從而實現控制氣氛碳勢的目的。通常，生產中用露點儀控制H2O含量；用紅外線儀控制CO2含量；用氧探頭法控制O2含量。

2)碳原子的吸收　工件表面吸收活性碳原子，也就是活性碳原子由鋼的表面進入鐵的晶格而形成固溶體，或形成特殊化合物。

3)碳原子的擴散　被工件吸收的碳原子，在一定溫度下，由表面向內部擴散，形成一定厚度的滲層。

1）氣氛碳勢

一般滲碳件的表面含碳量可在0.6%-1.1%間變化。確定最佳表面碳含量的出發點首先是獲得最高的表面硬度；其次是使滲層具有最高的耐磨性和抗磨損疲勞性能。研究表明，滲碳層的表面碳的質量分數最好在0.8%-1.0%范圍內最佳表層碳含量確定后就可根據表面碳含量與碳勢的關系，確定碳勢。

2）滲碳溫度

滲碳溫度首先影響著分解反應平衡，粗略地說，如果氣氛中的CO2含量不變，則溫度每降低10℃將使氣氛碳勢增加約0.08%；其次，溫度也影響碳的擴散速度，如果氣氛碳勢不變，溫度每提高100 ℃可使滲碳層深度增加1倍；第三，溫度還影響著鋼中的組織轉變，溫度過高會使鋼的晶粒粗大。生產上廣泛使用的溫度是900-930 ℃。對于薄層滲碳溫度可降到880-900 ℃，這主要是為了控制滲碳層深度；而對于深層滲碳(大于5mm)，溫度可提高到980-1000 ℃，這主要是為了縮短滲碳時間。

3）滲碳時間

滲碳時間主要影響滲層深度，同時也在一定程度上影響濃度梯度。

d—滲層深度(mm)；t—滲碳時間(h)；T—滲碳溫度(K)

1)外觀 

工件表面無氧化、銹蝕、剝落、碰傷、裂紋等。

2)硬度 

在淬火、回火后檢驗，表面硬度、心部硬度及非滲碳區硬度應符合技術要求。對滲碳齒輪，JB/T7516-1994規定表面硬度以分度圓處齒面為準[1]，心部硬度的檢測部位為齒根圓與輪齒中心線相交處[2]。檢率按規定執行。硬度不合格時，應加倍抽檢，仍不合格則視情況進行返修或判報廢。

3)滲碳層深度 

常用滲碳層深度檢測法有以下四種：

①宏觀斷口分析 

將隨爐滲碳的試樣直接淬火，然后打斷，觀察其斷口。在斷口上滲碳層呈白色瓷狀斷口，未滲碳部分為灰色纖維狀斷口，根據兩種斷口交界至表面的距離就可以量出滲碳層深度，從而可以確定出爐時間。

②金相測量法 

滲碳緩冷后的試樣經磨制、腐蝕后，在顯微鏡下測定。碳鋼的滲碳層深度是從表面垂直量至1/2過渡區[3]，其滲碳層包括過共析層+共析層+1/2過渡區, 并要求過共析與共析區之和應占總層深的75%以上；合金鋼滲層深度是從表面垂直量至出現心部原始組織為止，包括過共析層+共析層+過渡區全部，并要求過共析與共析區之和應占總層深的50％以上。

③硬度測量法 

根據GB/T9450-2005進行測量。

④剝層化學分析法 

此法精確可靠，但取樣和分析較麻煩，生產中很少采用。

4)金相組織檢驗 

一般在淬火、回火后，按有關行業標準進行檢驗。檢驗項目包括碳化物（大小、數量和分布等），馬氏體針的大小及殘余奧氏體數量多少，心部游離鐵素體的大小和數量等。

5)裂紋 

可靠性要求高的齒輪在熱處理和磨齒后，100%檢驗，一般齒輪進行抽檢。檢驗方法有磁粉探傷、超聲波探傷、金相法等。

6)畸變 

按圖樣技術要求進行檢驗。

[1] 也可用齒頂硬度代替；對斜齒輪、圓錐齒輪，還可用齒端面硬度代替，但均應考慮與齒面硬度的差異。對無法用硬度計檢驗的齒輪，可用標準銼刀檢驗，或用隨爐試樣檢測。

[2] 心部硬度也可用隨爐試樣檢測。其他零件心部硬度在距表面三倍滲碳層深度以外處進行檢測。

[3]所謂過渡區，是指由共析區內側至心部外側組織之間的區域。

（一）常見缺陷

1）表面硬度偏低

2）滲層深度不夠或不均勻

3）金相組織不合格

4）滲碳層內出現氧化

5）零件變形超差

6）心部硬度過高

（二）產生原因

1.表面硬度偏低  

可能是表面脫碳，或出現非馬氏體組織，或是表層馬氏體回火抗力低等

2.滲層深度不足或不均勻

深度不足：滲碳時間過短；

深度不均勻：爐氣循環不良或溫度不均勻，往往與爐子設計和零件裝爐情況不良有關。

3.金相組織不合格  

不采用過高的氣氛碳勢；采用細晶粒鋼；采用一次加熱淬火；采用冷處理；適當提高淬火溫度

4.滲碳層內氧化  

滲碳氣氛中含有O2，H2O，CO2等氧化性組分，而鋼中又含有與氧原子親和力比鐵強的合金元素。

5.變形超差

6.心部硬度過高

（1）硬度 

獲得高硬度是滲碳的重要目的之一。滲碳并淬火后零件的表面層硬度可達58～62HRC。而硬度沿滲碳層的變化規律，大體上和碳濃度梯度的變化相一致，這是因為馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量。

（2）耐磨性 

滲碳是提高耐磨性的重要手段之一，滲碳后鋼的耐磨性比普通淬火、回火的中碳鋼耐磨性高得多。 

一般硬度升高，耐磨性亦隨之增加，但硬度并非是影響耐磨性的唯一因素。理論與實踐證明，細小或隱晶馬氏體和均勻分布的粒狀碳化物組織的表面層具有高的切斷抗力，也具有高的耐磨性。從提高耐磨性角度來看，碳量高一些好，但過高會引起起強度、塑性下降。通常滲碳件表面碳濃度以不超過1.05%為宜。

（3）強度 

ⅰ滲碳層強度 圖6為滲碳層強度與合碳量的關系。 

從圖可以看出，表層含碳且不應超過1.1%C，而在0.8－1.05%C最為合適。滲碳層組織對強度有著決定性的影響，當出現網狀碳化物或粗大馬氏體針和殘余奧氏體過多時，均會顯著降低滲碳層的強度。 

ⅱ 心部強度 隨著心部強度的增加，滲碳后整個工件強度亦增加。影響心部強度的主要因素是鋼的淬透性。淬透性愈好，愈易在心部得到低碳馬氏體。其次，心部含碳量愈高，強度也愈高。

圖6 滲碳層強度與含碳量的關系

（4）塑性 

圖7為滲碳層的塑性（用壓痕直徑表示）與含碳量的關系。常用厚度為3毫米的薄片樣品作滲碳試驗，用它來了解滲碳層的塑性與表面層含碳量的關系。這是因為壓痕增大，表示滲碳層的塑性亦增加。實驗發現，含碳量增加會使滲碳層的塑性下降，當含碳量超過1.1%時，塑性將顯著下降。

圖7 滲碳層的塑性與含碳量的關系

（5）沖擊韌性和斷裂韌性 

鋼經滲碳后沖擊韌性和斷裂韌性都會降低，而且表面碳含量越高、滲層越深，這兩種性能降低得也越多。

（6）疲勞強度 

同高頻感應加熱淬火一樣，滲碳也可顯著提高鋼的疲勞強度，這是因為在淬火時，高碳的滲層發生馬氏體轉變比心部晚，而且其馬氏體的比容比心部大得多，使表層存在較大的殘余壓應力。這種殘余壓應力可以抵消相當一部分由于外加負載在表層引起的拉應力，從而提高疲勞強度。自然，滲層的高強度也有助于疲勞強度的提高。而工件表面壓應力的大小則受滲碳層的深度及碳濃度高低的影響。當滲碳層濃度以及組織完全相同的條件下，增加滲碳層深度會提高疲勞強度。但是，在通常的情況下，增加滲層厚度將會增加表面碳濃度并使組織惡化。所以，增加滲層深度并不一定使疲勞強度增加。

總結：

滲碳可以大大改善鋼的力學性能，特別是使疲勞強度和耐磨性有明顯提高，因此滲碳是化學熱處理中最重要最常用的一種有效強化方法。隨著科學技術的發展，滲碳工藝也在不斷發展。例如，為了縮短滲碳時間，提高滲碳溫度的辦法已得到應用，其溫度可達980～1080℃。由于真空爐的推廣，也大大促進了真空滲碳工藝的發展。離子氮化成功地用于生產也帶動了離子滲碳的研究。為了節約能源和石油消耗，直接在工作爐內滴注有機液體以獲得滲碳氣氛，或以氮基氣為載體氣的氣體滲碳法目前也有了長足的進展。采用微機對滲碳過程進行全自動控制是一個重要的發展方向。

滲氮層硬度和耐磨性高于滲碳層，硬度可達69~72HRC，且在600～650℃高溫下仍能保持較高硬度； 

滲氮層具有很高的抗疲勞性和耐蝕性； 

滲氮后不需再進行熱處理，可避免熱處理帶來的變形和其他缺陷； 滲氮溫度較低。 

滲氮只適用于中碳合金鋼，需要較長的工藝時間才能達到要求的滲氮層。