化学热处理技术应用和发展摘要：浅谈化学热处理原理、反应机理，以及化学热处理分类、应用和发展前景、技术特点关键词：化学热处理；碳渗；氮渗；稀土化学前言化学热处理是一种通过改变金属和合金工件表层的化学成分、组织和性能的金属热处理。

它的工艺过程一般是：将工件置于含有特定介质的容器中，加热到适当温度后保温，使容器中的介质(渗剂)分解或电离，产生的能渗入元素的活性原子或离子，在保温过程中不断地被工件表面吸附，并向工件内部扩散渗入，以改变工件表层的化学成分。

通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。

一、化学热处理原理化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使活性物质的原子渗入工件的表层中，改变其表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺，是表面合金化与热处理相结合的一项工艺技术。

二、化学热处理的过程化学热处理包括三个基本过程，即①化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；②活性原子或离子被金属表面吸收和固溶的吸收过程；③被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。

(1) 分解过程渗剂通过一定温度下的化学反应或蒸发作用，形成含有渗入元素的活性介质，然后通过活性原子在渗剂中的扩散运动而到达工件的表面。

(2) 吸收过程渗入元素的活性原子吸附于工件表面并发生相界面反应，即活性物质与金属表面发生吸附—解吸过程。

(3) 扩散过程吸附的活性原子从工件的表面向内部扩散，并与金属基体形成固溶体或化合物。

三、化学热处理的分类1.按渗入元素的数量分类（1）单元渗：渗碳，渗氮，渗硫，渗硼，渗铝，渗硅，渗锌，渗铬，渗钒等。

（2）二元渗：碳氮共渗，氮碳共渗，氧氮共渗，硫氮共渗，硼铝共渗，硼硅共渗，硼碳共渗，铬铝共渗，铬硅共渗，铬钒共渗，铬氮共渗，铝稀土共渗，铝镍共渗等。

（3）多元渗：氧氮碳共渗，碳氮硼共渗，硫氮碳共渗，氧硫氮共渗，碳氮钒共渗，铬铝硅共渗，碳氮氧硫硼共渗等。

2.按渗剂的物理形态分类(1) 固体法：颗粒法，粉末法，涂渗法(膏剂法、熔渗法)，电镀、电泳或喷涂后扩散处理法。

(2) 液体法：熔盐法(熔盐渗、熔盐浸渍、熔盐电解)，热浸法(加扩散处理〕，电镀法(加扩散处理)，水溶液电解法。

(3) 气体法：有机液体滴注法，气体直接通人法，真空处理法，流态床处理法。

(4) 辉光离子法：离子渗碳或碳氮共渗，离子渗氮或氮碳共渗.离子渗硫，离子渗金属。

3.按钢铁基体材料在进行化学热处理时的组织状态分类(1) 奥氏体状态：渗碳，碳氮共渗，渗硼及其共渗，渗铬及其共渗。

渗铝及其共渗，渗钒、渗钦、渗错等。

(2) 铁素体状态：渗氮，氮碳共渗，氧氮共渗及氧氮碳共渗，渗硫，硫氮共渗及硫氮碳共渗，氮碳硼共渗，渗锌。

4.按渗入元素种类分类(1) 渗非金属元素：渗碳，渗氮，渗硫，渗硼，渗硅。

(2) 渗金属元素：渗铝，渗铬，渗锌，渗钒。

四、化学热处理的特点(1) 渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高，渗层不易脱落或剥落。

(2) 由于外部原子的渗入，通常在工件表面形成压应力层，有利于提高工件的疲劳强度。

(3) 通过选择和控制渗入的元素及渗层深度，可使工件表面获得不同的性能，以满足各种工况条件。

(4) 化学热处理通常不受工件几何形状的局限，并且绝大部分化学热处理具有工件变形小、精度高、尺寸稳定性好的特点。

(5) 所有化学热处理均可改善工件表面的综合性能。

大多在提高机械性能的同时，还能提高表面层的抗腐蚀、氧化、减摩、耐磨、耐热等性能。

(6) 化学热处理后的工件实际上具有(表面—心部)复合材料的特点，可大大节约贵重的金属材料，降低成本，经济效益显著。

五、化学热处理的作用每一种化学热处理工艺都各有其特点，通常需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，那么就需要根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。

化学热处理还可以使工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，被处理工件具有抗冲击载荷的能力。

六、化学热处理的应用1.化学热处理的渗非金属和渗金属技术（1）渗碳渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。

渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。

用微处理机可实现渗碳全过程的自动化，能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。

（2）渗氮渗氮是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。

钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。

当钢中含有铬、铝、钼等氮化物时，可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。

渗氮主要用于对精度、畸变量、疲劳强度和耐磨性要求都很高的工件，例如镗床主轴、镗杆，磨床主轴，气缸套等。

（3）碳氮共渗和氮碳共渗碳氮共渗和氮碳共渗是在金属工件表层同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺。

前者以渗碳为主，与渗碳相比，共渗件淬冷的畸变小，耐磨和耐蚀性高，抗疲劳性能优于渗碳，70年代以来，碳氮共渗工艺发展迅速，不仅可用在若干种汽车、拖拉机零件上，也比较广泛地用于多种齿轮和轴类的表面强化；后者则以渗氮为主，它的主要特点是渗速较快，生产周期短，表面脆性小且对工件材质的要求不严，不足之处是工件渗层较薄，不宜在高载荷下工作。

（4）渗硼渗硼是使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

硼在钢中的溶解度很小，主要是与铁和钢中某些合金元素形成硼化物。

渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层，而且有较高的热稳定性和耐蚀性。

渗硼层脆性较大，难以变形和加工，故工件应在渗硼前精加工。

这种工艺主要用于中碳钢、中碳合金结构钢零件，也用于钛等有色金属和合金的表面强化。

（5）渗硫渗硫是通过硫与金属工件表面反应而形成薄膜的化学热处理工艺。

经过渗硫处理的工件，其硬度较低，但减摩作用良好，能防止摩擦副表面接触时因摩擦热和塑性变形而引起的擦伤和咬死。

（6）硫氮共渗、硫氮碳共渗硫氮共渗、硫氮碳共渗是将硫、氮或硫、氮、碳同时渗入金属工件表层的化学热处理工艺。

采用渗硫工艺时，渗层减摩性好，但在载荷较高时渗层会很快破坏。

采用渗氮或氮碳共渗工艺时，渗层有较好的耐磨、抗疲劳性能，但减摩性欠佳。

硫氮或硫氮碳共渗工艺，可使工件表层兼具耐磨和减摩等性能。

（7）渗金属渗金属是将一种或数种金属元素，渗入金属工件表层的化学热处理工艺。

金属元素可同时或先后以不同方法渗入。

在渗层中，它们大多以金属间化合物的形式存在，能分别提高工件表层的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能。

常用的渗金属工艺有渗铝、渗铬、渗锌等。

2.钢铁材料表面金属碳化物扩散覆层技术金属碳化物扩散覆层技术是在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳、氮原子产生化学反应，在工件表面扩散而形成一层几微米至二十余微米的钛、铌、铬、钒等金属碳化物层。

目前在解决冷作模具磨损失效的应用其技术、品质、成本等综合优势明显。

3.物理气相沉积和化学气相沉积技术物理气相沉积广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。

化学气相沉积广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。

4.稀土化学热处理技术在稀土化学热处理方面主要是高效稀土催渗剂的应用。

5.可控气氛化学热处理方面主要是向热处理炉中加入两种介质一种是含有多余深入元素的富化气，另一种是深入元素不足或深入元素的稀释气，以实现少氧化、无氧化、无脱碳加热，控制渗碳等介质成分，获得表面组织和力学性能良好的工件。

6.化学热处理的废气回收与再利用技术现已经应用于清洁废气的排放，且已经实现完全吸收。

7.等离子体化学热处理主要用于轻载、高速条件下工作的耐磨、耐蚀件及精度要求较高的细长杆类件等。

七、化学热处理的发展我国在热处理技术这一方面已得到了长久的发展, 在热处理的基础理论和某些热处理新工艺、新技术研究方面已达到国际先进水平, 但目前在我国工业生产中大部分应用的仍然是常规热处理工艺, 今后仍将占有重要的地位和相当大的比重, 正在日益改进和不断完善。

我国热处理生产工艺和热处理设备方面还存在较大的差距, 主要表现在少无氧化热处理应用少、产品质量不稳定、能耗大、污染严重、管理水平低、成本高。

所以我国的化学热处理的发展及今后的发展趋势：根本出发点是绿色环保，节约能源。

其具体的途径有：一是化学催渗；二是物理场强化。

具体有以下几个方面:1.稀土化学热处理近年来，虽然稀土化学热处理应用和开发获得了迅速发展，但要取得规模化推广应用，还需突破以下几个方面的问题：（1）有关稀土化学热处理工艺内在规律的探讨；（2）高效稀土催化剂的开发；（3）应用新领域的开拓。

2.可控气氛化学热处理技术在生产中应用广泛，工艺成熟。

3.采用新工艺，不断优化化学热处理①分段控制新工艺②洁净的短时渗透技术③添加适量的催渗剂，提高渗剂或工件表面的活性④采用化学热循环处理⑤适当提高扩渗温度4.采用多元共渗工艺，共渗工艺发展较快，工艺成熟，所以目前生产中广泛使用共渗工艺。

5.复合表面工程的发展在单一化学热处理技术发展的同时，综合运用化学热处理技术与一种或多种其它表面工程技术的复合表面工程技术有了迅速的发展。

6.化学热处理的废气回收与再利用技术目前将渗氮废气经过完全吸收实现清洁排放（排除N2和H2）的技术已在国内申请专利。

7.真空化学热处理的发展真空渗碳的速度比气体渗碳的速度快2倍以上，质量也明显优于一般气体渗碳工艺，而且还可以大量节约渗剂的用量，且较容易进行质量控制。

所以其发展速度较快，工艺日趋成熟。

8.等离子体化学热处理离子渗氮在技术上最为成熟，而离子渗碳、离子渗流、离子渗金属等则尚需开发与推广。

9.流态床化学热处理目前，国外在流态床化学热处理方面的新发展有：将计算机控制技术引进流态床渗碳的在线控制上；探讨采用流态床沉积超硬层（TD法）、渗金属等新工艺。

10.高能束化学热处理激光淬火技术已日趋成熟，正在加速推广，而激光化学热处理技术则处于开发与应用阶段。

八、参考文献【1】《化学热处理发展与前景展望》【2】《离子化学热处理及其发展》.中国表面工程 .2000年第1期【3】《金属材料先进化学热处理技术及应用》.科技视界.2012年05月第13期【4】《表面处理技术概论》.刘光明 .化学工艺出版社【5】《化学热处理过程的基本过程》.张士勋.《华南理工大学学报(自然科学版)》 1980年01期。