[科普中国]-化学处理

简介

化学处理是将工件置于活性介质中加热和保温，使介质中活性原子渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织结构和性能的热处理工艺。根据渗入元素类别的不同，化学热处理分为渗碳、氮化和碳氮共渗等。

化学处理的主要目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳极限。

基本原理化学热处理过程可分为分解、吸附和扩散三个连续阶段。

1、分解

分解是指渗剂中生成能渗人钢表面的活性原子的化学反应，活性原子可能通过下面的三种反应生成：

分解反应：如2NH3→2[N]+3H2

置换反应：如SiCl4+2Fe→2FeCl2+[Si]。

还原反应：如2BF2→BF4+[B]

单纯的分解反应要求的温度高。化学热处理时，通常是利用置换反应和还原反应。化学反应速度除取决于反应物的本性外，还与温度、压力.浓度、催化剂有关。一般增加浓度和升高温度，能增加反应速度。反应活化能的减少，能显著地增加反应速度。添加催化剂可以降低活化能，从而使反应速度剧增。以渗氮时的氨分解为例，无催化剂时，活化能约为380000J/mo1。铁为催化剂时，活化能降低到163410J/mol，反应速度可增加很多。

2、吸附

吸附是活性原子（或离子）与金属原子产生键合而进人表层的过程。一切固体都能或多或少地把周围介质中的分子、原子或离子吸附到自己的表面上来。金属表面原子的结合键比内部原子少，存在着指向空间的剩余引力。当周围介质中的分子、原子或离子碰撞到固体表面时,便被其吸收，并降低其表面能。粗糙的表面比平滑的表面吸附作用强，晶界比晶内吸附作用强。

固体表面的吸附作用，按作用力性质可分为物理吸附与化学吸附。物理吸附是靠吸附剂与被吸附分子间的吸引力。物理吸附不需要活化能，一般无选择性，任何固体都能吸附任何气体，并且大多为多分子层，只是吸附力的强弱随固体和气体的性质不同而异。化学吸附是靠吸附剂与被吸附粒子之间的类似化学键的结合力，具有化学反应的特征。化学吸附需要一定的活化能。金属对气体吸附的活化能一般小于41808J/mol，比化学反应的活化能小。化学吸附具有明显的选择性，并且只能是单分子层。化学吸附速度小，且随温度升高而增大。

3、扩散

扩散就是工件表面吸附活性原子（或离子）后,其表面浓度的提高形成浓度梯度，创造了扩散条件，使渗入元素向其内部迁移形成一定厚度扩散层的过程。晶体结构对扩散系数影响较大。碳在奥氏体中扩散激活能比在铁素体中要大，这与面心立方结构奥氏体的致密度大有关。

化学热处理分类化学热处理的种类及工艺方法很多,随着对工件表面性能要求的提高,原有合金化体系和处理方式已不能完全满足不同工况下工艺条件的要求，多元共渗、复合处理等工艺方法的应用面越来越大。

近年来，各种新的技术手段不断涌现，为化学热处理提供了新的能源，出现了一些特殊的化学热处理种类（如激光束化学热处理、电子束化学热处理等），并开始得到工业应用。因此，要对化学热处理进行严格的分类是很困难的，分类标准也很多，只能进行粗略的划分。下面介绍两种常见的分类方法。1

根据介质的物理形态，化学热处理可分为：

1、固体法。包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层（电镀层、喷镀层等）扩散法等。

2、液体法。包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。

3、气体法。包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。

4、等离子法。

根据钢铁基体材料在进行化学热处理时的组织状态，化学热处理工艺可分为：

1、渗碳

渗碳是在增碳活性介质申将低碳钢或低碳合金钢加热并保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。其目的是增加工件表层的碳含量，获得一定的碳浓度梯度。渗碳是最古老、应用最广泛的化学热处理工艺。与其他化学热处理一样，渗碳处理包括碳原子的分解、吸收和扩散三个基本过程。在渗碳温度下，渗碳剂将发生分解，产生活性高、渗入能力很强的活性碳原子[c]；活性碳原子在工件表面被吸收，形成固溶体或化合物。当工件表面的碳浓度达到一定值后，碳原子从表面的高浓度区向里层的低浓度区扩散。

2、渗氮

渗氮又称氮化，是将工件放在含氮介质中，加热到480～600℃的温度，使氮原子渗入其表面，形成以氮化物为主的渗层。

渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的表面硬度可以高达950～1200HV（相当于65～72HRC）无需再进行热处理，而且到600℃仍可维持相当高的硬度。渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度。此外．由于渗氮温度较低，故变形小。渗氮也可以提高工件的耐蚀性．因此除碳钢外．其他难熔金属（如钛、钼等）及合金也广泛采用渗氮。但是渗氮工艺过程较长、劳动条件差、渗层较薄、不能承受太大的接触应力。

3、碳氮共渗

碳氮共渗是指在一定温度下，同时将碳、氮渗入工件表面奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺。碳氮共渗层比渗碳有更高的耐磨性、疲劳强度和耐蚀性；比渗氮有较高的抗压强度和较低的表面脆性，而且其生产周期短、渗速快、所用材料广泛。

碳氮共渗按所使用介质的不同可分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮共渗。固体碳氮共渗与固体渗碳相似，常用的渗剂成分为质量分数30～40%的黄血盐，10%的碳酸盐和50%～60%的木炭，这种方法生产率低、能耗大、劳动条件差。目前生产上已很少使用。液体碳氮共渗主要以氰盐为渗剂，故又称氰化。但由于所用氰盐为剧毒物质，易造成公害，有被淘汰的趋势。气体碳氮共渗表面质量容易控制，操作简便，生产过程易于实现机械化与自动化，目前应用广泛。