概念詳解
化學表面熱處理是通過原子擴散、化學反應等方法,使被處理材料表面成分、組織、形貌發生改變,從而使表面獲得不同於基體材料性能的工藝方法。這一工藝方法已被廣泛套用於金屬材料以及無機非金屬材料的表面改性處理。
鋼材化學表面熱處理是將鋼件置於一定溫度的活性介質中保溫,使介質中的一種或幾種元素滲入工件的表面,以改變表層的化學成分和組織,從而使工件表面具有不同於工件心部性能的一種熱處理工藝。其主要特點是:表面層不但有組織的變化,而且有成分的變化。
化學表面熱處理後的鋼件表面可以獲得比表面淬火更高的硬度、耐磨性和疲勞強度或其他物理化學性能,同時心部仍保持良好的塑性和初性。因此化學表面改性工藝在套用鋼鐵材料各部門中已被廣泛使用。
鋼材化學表面熱處理很多,通常以滲入元素來命名。根據滲入元素的不同,可分為滲碳、滲氮(氮化)、碳氮共滲、多元共滲、滲硼、滲硫、滲金屬,等等。
化學表面熱處理的一般過程通常由分解、外擴散、吸附、介質中的擴散、金屬中的反應等五個基本過程組成,即:從滲劑中分解出含有被滲元素的“活性原子”的過程;滲入元素原子向工件表面擴散的過程;工件表面吸附並溶解被滲活性原子的過程:滲入元素原子由高濃度表面向內部的遷移過程;滲入元素的濃度超過工件基體的極限溶解度時形成新相的過程。擴散的結果是在工件表面獲得一定層深的擴散層。
工件表面擴散層的厚度和濃度是由分解、外擴散、吸附、介質中的擴散、金屬中的反應速度及它們之間的相互關係決定的。這些過程相互聯繫、相互制約。在一般情況下,擴散是控制化學表面改性處理的主要過程。因為擴散是上述五個基本過程中最慢的一個環節,故加快擴散速度,可以加速化學表面改性處理過程。
目前生產中最常用的化學表面改性處理工藝是滲碳、氮化和碳氮共滲(氰化)。
常用化學表面熱處理方法的主要套用特性
| 工藝方法 | 對基體的熱影響 | 強化層組織及厚度 | 其他特點 | 性能及套用 |
| 滲碳（固體、氣體、流態床、真空、離子滲碳等）及碳氮共滲 | 加熱溫度常為880~1050度，共滲溫度較低 | 馬氏體，滲碳層厚為1~2mm，共滲形成碳氮結合物薄層，層厚小於0.8mm | 離子滲碳速度快，表層組織優 | 增加表面含碳量，提高其硬度、耐磨性、疲勞強度。碳氮共滲可採用含碳量較高的中碳鋼 |
| 滲氮（氣體、氣體軟滲氮、鹽浴滲氮、離子滲氮等）及碳氮共滲 | 氣體滲氮溫度一般為500~580度，碳氮共滲溫度常在530~570度 | 各種碳化物，共滲形成碳氮化合物，滲氮層深度等於0.6mm，共滲層為0.01~0.06mm | 離子滲碳範圍寬，可在400度下進行。工件變形小，但滲氮速度低 | 高硬度、高耐磨性、較高的疲勞強度。用於碳鋼及含Cr、Mo、Al、W、V、Ni、Ti等元素的合金鋼。共滲層的韌性和疲勞強度增加 |
| 含鋁共滲及複合滲 | Al-Si、Al-Cr、Al-Ti粉末法共滲及複合滲溫度常為1000度 | 獲得含鋁等化合物，Al-Si粉末法8h，20鋼滲層0.23mm，45鋼0.18mm；Al-Cr粉末法10h，1Cr18Ni9Ti滲層0.22mm | 含鋁共滲及複合滲較單獨滲鋁可獲得更高的熱穩定性和在某些腐蝕介質中的耐蝕性 | 提高熱穩定性和在某些腐蝕介質中的耐蝕性。如用碳鋼、低合金鋼、經Al-Si複合滲代替高合金耐熱鋼，用廉價鋼種經Al-Cr共滲代替高合金鋼 |
| 含鉻共滲及複合滲 | Cr-Si共滲溫度為1000度，Cr-Ti共滲溫度為1100度，Cr-RE複合滲溫度為950度 | 獲得含鉻等化合物，Cr-Si共滲10h；Cr-Ti共滲4h，厚為0.03~0.06mm；Cr-RE共滲為4~8h，厚為0.01~0.015mm | 滲層的化合物中 ，CrC硬度1800~2300HV；VC硬度3000~3300HV | 提高耐蝕（氣體腐蝕、電化學腐蝕）、耐磨、抗氧化性。加適量稀土可提高滲鉻速度，改善滲鉻層質量 |
| 含磞共滲及複合滲 | B-Al粉、B-Si粉法1050度，C-N-B鹽浴法730度 | 獲得含磞等化合物，45鋼滲磞鋁6h，滲層厚度為0.36mm；45鋼滲磞矽3h，滲層厚為0.24mm | 20碳鋼離子滲磞後硬度為1800~2500HV | 提高耐磨性。磞鋁、硼矽共滲與複合滲還可提高抗氧化性。五元共滲主要用於高速鋼刀具，提高壽命1~2倍 |
