[科普中国]-化学表面热处理-

化学表面热处理( thermo-chemical treatment)又称化学热处理。将钢件或合金工件置于适当的介质中加热保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分和组织,从而获得所需性能的热处理工艺。工业中广泛采用的化学热处理方法都是在工件表层渗入某种元素,即所谓的渗入法,按所渗入的元素,可以将化学热处理分为渗非金属、渗金属及金属与非金属共渗3大类。渗非金属包括渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫以及氮碳共渗、碳氮共渗、氧氮共渗、硫氮共渗、硼硅共渗、硫氮碳共渗等;渗金属有渗铬、渗铝、渗锌、渗钒及铬铝共渗等;金属与非金属共渗有铝硅共渗、铬铝硅共渗、铝硼共渗、钛硼共渗、钛氮共渗等。近年来,发展了另一大类化学热处理,是将具有某种特殊性能的化合物直接沉积于金属基体表面,形成一层覆盖层,例如气相沉积氮化钛、碳化钛等。化学热处理主要用于提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度或某种化学性能及物理性能等。1

概念详解化学表面热处理是通过原子扩散、化学反应等方法,使被处理材料表面成分、组织、形貌发生改变,从而使表面获得不同于基体材料性能的工艺方法。这一工艺方法已被广泛应用于金属材料以及无机非金属材料的表面改性处理。

钢材化学表面热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温,使介质中的一种或几种元素渗入工件的表面,以改变表层的化学成分和组织,从而使工件表面具有不同于工件心部性能的一种热处理工艺。其主要特点是:表面层不但有组织的变化,而且有成分的变化。

化学表面热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火更高的硬度、耐磨性和疲劳强度或其他物理化学性能,同时心部仍保持良好的塑性和初性。因此化学表面改性工艺在应用钢铁材料各部门中已被广泛使用。

钢材化学表面热处理很多,通常以渗入元素来命名。根据渗入元素的不同,可分为渗碳、渗氮(氮化)、碳氮共渗、多元共渗、渗硼、渗硫、渗金属,等等。

化学表面热处理的一般过程通常由分解、外扩散、吸附、介质中的扩散、金属中的反应等五个基本过程组成,即:从渗剂中分解出含有被渗元素的“活性原子”的过程;渗入元素原子向工件表面扩散的过程;工件表面吸附并溶解被渗活性原子的过程:渗入元素原子由高浓度表面向内部的迁移过程;渗入元素的浓度超过工件基体的极限溶解度时形成新相的过程。扩散的结果是在工件表面获得一定层深的扩散层。

工件表面扩散层的厚度和浓度是由分解、外扩散、吸附、介质中的扩散、金属中的反应速度及它们之间的相互关系决定的。这些过程相互联系、相互制约。在一般情况下,扩散是控制化学表面改性处理的主要过程。因为扩散是上述五个基本过程中最慢的一个环节,故加快扩散速度,可以加速化学表面改性处理过程。

目前生产中最常用的化学表面改性处理工艺是渗碳、氮化和碳氮共渗(氰化)。2

常用化学表面热处理方法的主要应用特性

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本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学