课程：学生姓名：学号：课程教师：金属表面化学热处理技术与应用姓名（南昌大学，机电工程学院，江西南昌330031）摘要：为提高金属表面机械强度和摩擦磨损性能，通常需要对材料表面进行化学热处理。

此项技术正逐步朝着能源消耗低、环境污染少的方向发展。

本文论述了渗硼、渗碳、真空化学热处理、催渗、等离子化学热处理等化学热处理技术在金属材料表面加工中的作用机理和应用；简介了复合处理新兴工艺并展望了化学热处理技术未来的发展方向。

关键词：化学热处理；金属材料；渗硼；电化学热处理Metal surface chemical treatment technology and applicationsZHANG Dan-ting（School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031,China）Abstract：In order to improve the mechanical strength and the friction and wear propertiesof the metal surface，it usually requires chemical treatment of the material surface．This technology is developing toward low energy consumption，less environmental pollution and direction gradually．This article discusses applications and the mechanism of metallic material’s chemical heat treatment technologies such as boronizing，carburizing，vacuum heat chemical treatment，reminders infiltration and the plasma chemical treatment；Introduce the composite processing technology briefly and outlook development of chemical treatment technology in the future．Key Words：Chemical treatment；Metallic materials：Boriding；Electrochemical heat treatment金属材料表面化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一种表面处理技术。

它是利用元素扩散性能，使合金元素渗人金属表面的一种热处理工艺。

其基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，是活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并溶入表面，溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变工件表层、组织和性能[1]。

根据渗入元素的活性介质所处状态不同，化学热处理可分为：固体法、液体法、气体法和等离子法。

通过一定的化学热处理工艺，金属表层、过渡层与心部，在成分、组织和性能上有很大差别。

强化效果不仅与各层的性能有关，而且还与各层之间的相互联系有关。

如渗碳表面层的碳含量及其分布、渗碳层深度和组织等均可能影响材料渗碳后的性能。

当前，我国热处理已有了不少重大的发展和进步，但与世界先进水平相比仍存在着很大的而且还在不断扩大着的差距,这种差距是深层次的。

因此对化学热处理技术发展历程及现状进行全面深入的了解显得十分必要，本文列举渗硼、渗碳、真空化学热处理、催渗、等离子化学热处理等表面处理技术来说明近年来工艺发展的趋势。

1渗硼技术1.1 渗硼技术发展现状渗硼是现代化学热处理方法之一，由于渗硼层极高的硬度和耐磨性远非一般表面硬化层可比，所以近年来渗硼工艺得到了国内外普遍重视[2]。

渗硼就是将工件置于高温状态的渗硼介质中，渗硼介质经化学反应析出活性硼原子，硼原子被工件表面吸收，在高温下逐步向工件内层扩散形成硼化层。

这种方法可用于钢铁材料，金属陶瓷和某些有色金属材料，如钛、钽和镍基合金。

渗硼工艺的历史已近百年，1895年莫桑（Moissan）发表了在钢铁材料表面进行气体渗硼的论文。

20世纪初期，前苏联、德国、美国等开始研究固体渗硼。

但由于得到的渗硼层薄、不均匀和疏松严重，没有实用价值，因此未能引起人们的重视。

20世纪60年代又重新重视固体渗硼。

G．Kartal，O．L．Eryilmaz，G．Krumdick[3]等人在研究中指出在低碳钢板基材，使用电化学渗硼在范围为850℃-1000℃的高温下，保温时间是从5分钟到120分钟，能得到一定致密度和厚度渗硼层硼化层，组织成分主要包括Fe2B和FeB相。

结果显示：电化学渗硼后硬度有了明显提高，从200±20HV提高到1700±200HV。

M．Keddam，R．Chegroune[4]使用以灰铸铁为渗硼试样，通过固体渗硼，从而得出渗硼层中Fe2B的增长与处理时间符合抛物线关系。

I．Campos-Silva，M．Ortiz-Dominguez[5]等研究以硼势和渗硼时间为主要因素，对灰铸铁试样进行渗硼试验，得出Fe2B形成动力学。

他们通过灰铸铁Fe2B层的增长动力学得到一个最佳渗硼的浓度，并与试验有很好的一致性，而且不同的渗硼源和渗硼媒介，可以不同程度促进和优化在不同金属的渗硼过程。

我国从1958年开始研究渗硼，首先研究了液体渗硼和膏剂渗硼。

今几年来在固体渗硼方面进展较大。

广大热处理工作者根据我国的具体条件研制了以硼铁为供硼剂的粉末渗硼剂、粒状渗硼剂，进而研究出硼砂石墨型渗硼剂。

从过去只能获得双相硼化层发展到可以稳定得到单相Fe2B的硼化层，使我国在固体渗硼方面步入世界前列[6]。

曲敬信，武晓丽，邵荷生[7]等对渗硼层磨料磨损特性的研究后指出：通过试验他们得出钢铁材料渗硼后由于可以大幅度提高硬度和耐磨性。

赵善中，曲敬信，邵荷生[8]等对几种常用热模具钢渗硼层进行磨损实验。

5CrMnMo，3Cr2W8V，4Cr5MoSi和40Cr钢的渗硼层在本实验条件下，从室温到500℃温度范围内，具有较低的磨损率，与同一成分未渗试样比较，其耐磨性提高3-7倍。

刘健健，陈祝平[9]等对膏剂渗硼进行研究，研究中指出膏剂渗硼的优点是可实现局部渗硼、渗剂消耗少和设备简单等优点；在膏剂渗硼中，影响渗硼层深度和质量的因素除选择合理的温度和时间外，主要是渗剂的成分；渗剂活性越强，渗硼层越厚，其中FeB含量越多；反之，渗硼层越薄，FeB含量越少。

1.2 渗硼技术的应用冷作模具主要的要求是抗磨损,故渗硼对于因磨损失效的模具非常合适。

对于只要求表面耐磨而基体强度要求不高的模具,渗硼后可不再进行热处理,这样既可保持模具的表面光洁度,又可保持基本不变形。

而对于热作磨具如：热冲压冲头、热引伸冲头等，经渗硼回火后使用寿命提高3～6倍。

另外在压铸模方面以普通碳素钢渗硼替代3Cr2W8V高合金钢取得了成功。

渗硼技术也应用到了石油机械上，如用于超低碳铬镍不锈钢制的阀杆、耐热钢制分离器壳体等均获得成功。

渗硼工艺还成功地应用于饲料粉碎机的锤片、泥浆泵钢套和可锻铸铁制件，以及纺织机械导板配件。

2渗碳技术2.1 渗碳方法与研究现状渗碳可提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度，在工业中应用十分广泛。

结构钢经渗碳后，能使工件表面活动高的硬度、耐磨性、耐侵蚀磨损性、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部具有一定强度、塑性、韧性的性能。

除了常规的气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳，当前已经开发了许多新的渗碳工艺，有效的提高表面渗碳效率，缩短工艺周期，提高生产率获得高质量的工件，如高温渗碳、等离子渗碳、真空渗碳、放电与电解渗碳等。

从相应的比较出发，国外的渗碳和渗氮工艺在近二十多年来的进展已形成具有明显特色的一些先进工艺技术。

德国Clausen等2001年发表的高温渗碳论文中介绍渗碳温度从950℃提高至1050℃可使渗碳周期缩短50%。

日本学者S．Nakamura等[10]，I．Machida 等[11]和T．Moritov等[12]分别在2002、2008和2010年在美国申请高浓度渗碳专利(US2002/0050307A1，US2008/0156399A1和US2010/0126632A1)，都能获得在常规渗碳淬火的马氏体基体上分布着细小弥散的碳化物粒状。

国内实施的高浓度渗碳工艺，一般采用在Ac1～Ac3或Ac1～Ac cm之间的温度下进行。

工件表面均处于［γ+(Fe，Cr，Mo)3C］两相区，以便形成细小、均匀的合金渗碳体颗粒，并保持在不聚集长大的状态。

有的采用循环加热渗碳工艺，有利于形成细小球形颗粒。

渗碳气氛碳势高于渗碳温度下奥氏体的饱和碳浓度值。

刘志儒等[13]采用稀土催渗的高浓度气体渗碳方法和(860±5)℃，8h(气氛碳势C p=1.2%)油淬工艺得到含大量细小弥散颗粒碳化物的渗层，表面硬度高于1000HV0.1，具有高耐磨性，试样的冲击韧度还高于常规渗碳工艺。

石巨岩等[14]对20CrMnTi钢在双室结构的滴控箱式气体渗碳炉上采用的工艺为：830℃(碳势C p=1.2%)预渗1h→925±5℃(C p=1.1%)1h，油冷→925±5℃(C p=1.1%)2h，油冷→925±5℃(C p=0.9%)1h，降温至880℃(C p=0.9%)1h，油冷，获得高饱和渗碳层的组织，表面硬度1057HV0.1，该值和耐磨性分别比常规渗碳的值提高13%和20%。

2.2 渗碳技术的应用高温渗碳周期短，生产效率高，使得高温渗碳齿轮钢的研发非常有意义。

但是由于高温渗碳速率快，易发生过渗现象，渗层深度过大，渗碳层残余应力就会下降，反而使材料的疲劳极限下降。

还需做更多工艺控制研究，使之成为成熟的渗碳技术。

深层渗碳对大模数重载齿轮的生产十分适用，这一技术要求除对基体材料的成分和强度有要求外，还对齿轮的渗层深度和碳浓度分布提出特殊规定。

许多工业发达国家，如瑞士、德国和日本都采用渗碳淬火和磨齿工艺技术。

低压真空渗碳在商用和军用飞机和航天器的应用包括制动系统、传动装置、飞行控制和导航系统、液动力设备、降落齿轮箱部件和轴承、球螺栓螺母、行星齿轮、小齿轮和轴等众多的零部件等领域广泛应用。

我国现在也制订了“航空发动机用高温渗碳轴承钢”相关标准，材料牌号为G13Cr4Mo4Ni4V。

要获得优良的渗碳硬化层性能和显微组织，只有采用真空渗碳才易于达到。