01 化学热处理的定义

化学热处理

化学热处理是将金属或合金工件置于含有适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

化学热处理亦称“表面渗扩”或“热扩渗”处理。实际上，化学热处理是把金属材料或制件置于含有一种或多种化学元素的固体、液体或气体介质中，在炉中加热到一定温度，通过介质高温裂解物在金属材料表面的分解、吸附、固溶、化合反应使这些元素进入金属表面，并经过热扩散逐渐渗入金属材料，在金属表层形成富一种或多种合金元素的渗层。

化学热处理技术在现代工业中占有很高的比重，它之所以被广泛应用，是因其可在很大程度上提高工件“表硬内韧”的性能要求，如要求工件表面高强度、高硬度、高耐磨性等力学性能、抗咬合性能、抗疲劳性能以及特殊的耐蚀性、抗高温氧化性能等物理化学性能等，同时工件自身还应保持原有的良好的塑韧型等基本性能，从而提高机器零件在各种复杂工况下的耐用度。

化学热处理的主要特征是：固体扩散渗入，既改变工件表面层的化学成分，又改变其组织，渗层与基体之间有扩散层，获得单一材料难以获得的性能或进一步提高工件的使用性能。化学热处理的驱动力是浓度梯度。化学热处理形成渗层的结构遵守相图，其结构是连续的，属于冶金结合。

02 化学热处理的分类

01 按渗入元素的种类分类

可分为渗碳、渗氮（氮化）、渗硼、渗铝、渗硫、碳氮共渗、碳铬复合渗等。 

2 按渗入元素的种类和先后顺序分类

1 单元渗，渗入单一种元素

如渗碳（单元渗碳）、渗硼（单元渗硼）等。

2 二元共渗。同时渗入两种元素的称为二元共渗

如同时渗入碳、氮两种元素即称碳氮二元共渗（简称碳氮共渗），同时渗入硼、铝两种元素即称硼铝二元共渗（简称硼铝共渗）等。

3 多元共渗。同时渗入两种以上元素的称为多元共渗

如同时渗入碳、氮、硼三种元素即称碳氮硼三元共渗等。

4 二元复合渗。先后渗入两种元素的称为二元复合渗

如先后渗入钨和碳两种元素即称钨碳二元复合渗等。

5 多元复合渗。先后渗入两种以上元素的称为多元复合渗

如氮碳硫三元复合渗等。

3 按渗入元素的活性介质所处状态的不同分类

1 固体法

包括粉末填充法、膏剂（料浆）法、电热旋流法等。

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

包括真空法、固体气体法、间接气体法、流动离子炉法等

4 离子轰击法

包括离子轰击渗碳、离子轰击氮化、离子轰击渗金属等。

4 按照表面化学成分的变化特点分类

扩散渗入又可分为4个类别：

渗入各种非金属元素；

渗入各种金属元素；

同时渗入金属-非金属元素；

扩散消除杂质元素等。

5 按照渗入元素与钢中元素形成的相结构分类

1 第一类是渗入元素溶于溶剂元素的晶格中形成固溶体

如渗碳、碳氮共渗等。

2 第二类是反应扩散

此类又可分两种：第一种是渗入元素与钢中元素反应形成有序相（金属化合物），如渗氮（俗称氮化）；第二种是渗入元素在溶剂元素晶格中的溶解度很小，渗入元素与钢中元素反应形成化合物相，如渗硼。

6 按照渗入元素对钢件表面性能的作用/目的进行分类

1 提高工件表面的硬度、强度，疲劳强度和耐磨性。如渗碳、氮化、碳氮共渗等。

2 提高工件表面的硬度、耐磨性。如渗硼、渗钒、渗铌等。

3 减少摩擦系数、提高抗咬合、抗擦伤性。如渗硫、氧氮化、硫氮共渗处理等。

4 提高抗腐蚀性。如渗硅、渗铬、渗氮等。

5 提高抗高温氧化性。如渗铝、渗铬、渗硅等。

7 按钢材在进行化学热处理时的组织状态进行分类

 表1 按照钢的组织状态所形成的分类表

如表1所示，由于钢处于铁素体状态下，化学热处理温度一般均低于600℃，故将处于铁素体状态下的化学热处理，又称为低温化学热处理；而钢处于奥氏体状态下的化学热处理温度一般均高于600℃ ，则称为高温化学热处理。

低温化学热处理工艺具有处理温度低，节能，工件畸变小，耐腐蚀和抗咬合性好，硬度高，耐磨、减摩性能好等优点。

同时，从表1还可以看出，钢的化学热处理通常以渗入不同的元素来命名的，如渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

03 化学热处理的特点

与表面淬火、表面形变强化等表面强化方法相比，其具有以下特点。

1 通过渗入不同的元素，可有效地改变工件表面的化学成分和组织，以获得各种不同的表面性能，从而满足不同工作条件对工件的性能要求。

2 一般化学热处理的渗层深度可根据工件的技术要求来调节，而且渗层的成分、组织和性能由表至里是逐渐变化的，渗层与基体属于冶金结合，结合牢固，表层不易剥落。

3 通常化学热处理不受工件几何形状的限制，无论形状如何复制均可使外壳和内腔获得所要求的渗层或局部渗层，不像表面淬火、滚压、冷压、冷轧等冷作硬化处理那样，要受到工件形状的限制。

4 绝大部分化学热处理具有工件变形小、精度高、尺寸稳定性好等特点。如氮化、软氮化、离子氮化等工艺，均使工件保持较高的精度、较低的表面粗糙度和良好的尺寸稳定性。

5 所有化学热处理均可获得改善工件表面性能的综合效果，大部分化学热处理在提高表面力学性能的同时，还能提高工件表面层的耐蚀性、抗氧化性、减摩、抗咬合性、耐蚀性等多种性能。

6 一般化学热处理对提高机械产品的质量、挖掘材料潜力、延长使用寿命具有更为显著的成效，因此可节约较贵重的金属材料，降低成本，提高经济效益。

7 多数化学热处理既是一个复杂的物理化学过程，也是一个复杂的冶金过程，它需要在一定的活性介质中进行加热，通过界面上的物理化学反应和由表及里的冶金扩散来完成。因而其工艺较复杂，处理周期长，而且对设备的要求也较高。

04 结束语

化学热处理

本期文章主要和大家分享了化学热处理的定义、分类及特点。相信通过这期基础性的资料介绍，大家对化学热处理有了进一步的了解。