3.6　鋼的化學熱處理

化學熱處理是將工件置于特定介質環境加熱和保溫，使介質中的活性原子滲入工件表層，改變表層的化學成分和組織，從而達到強化表層性能的一種熱處理工藝。與表面淬火相比，化學熱處理后的工件表層不僅有組織的變化，而且有化學成分的變化，所以，化學熱處理使工件表層性能提高的程度超過了表面淬火的水平。

化學熱處理不僅可以顯著提高工件表層的硬度、耐磨性、疲勞強度和耐腐蝕性能，而且能夠保證工件心部具有良好的強韌性。因此，化學熱處理在工業生產中已獲得越來越廣泛的應用。

化學熱處理種類很多，根據滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮（氮化）、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲硫、滲金屬、多元共滲等。在機械制造工業中，最常用的化學熱處理工藝有鋼的滲碳、滲氮和碳氮共滲。

3.6.1　化學熱處理的基本過程

化學熱處理過程是一個比較復雜的過程。一般將它看成由滲劑的分解、工件表面對活性原子的吸收和滲入工件表面的原子向內部擴散三個基本過程組成。

（1）介質分解

在一定溫度下滲劑的化合物發生分解，產生滲入元素的活性原子（或離子）。例如：

2COCO₂+［C］

CO+H₂H₂O+［C］

CH₄2H₂+［C］

2NH₃3H₂+2［N］

值得注意的是，作為化學熱處理滲劑的物質必須具有一定的活性，即具有易于分解出被滲元素原子的能力。然而并非所有含被滲元素的物質都能作為滲劑。例如：N₂在普通滲氮溫度下就不能分解出活性氮原子，因此不能作為滲氮的滲劑。

（2）表面吸收

剛分解出的活性原子（或離子）碰到工件時，首先被工件表面所吸附；而后溶入工件表面，形成固溶體；在活性原子濃度很高時，還可能在工件表面形成化合物。

（3）原子擴散

工件表面吸收被滲元素的活性原子后，造成了工件表面與心部的濃度差，促使被滲元素的原子由高濃度表面向內部的定向遷移，從而形成一定深度的擴散層。

3.6.2　滲碳

將低碳鋼放入滲碳介質中，在900～950℃下保溫，使活性碳原子滲入鋼件表面以獲得高碳滲層的化學熱處理工藝稱為滲碳。滲碳的主要目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度，同時保持心部具有一定強度和良好的塑性與韌性。滲碳鋼的含碳量一般為0.1%～0.3%，常用滲碳鋼有20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi、20MnVB等。因此，一些重要的鋼制機器零件經滲碳、淬火和回火處理，通過碳原子的表層滲入使鋼能兼有高碳鋼和低碳鋼的性能；從而使它們既能承受磨損和較高的表面接觸應力，同時又能承受彎曲應力及沖擊載荷的作用。

（1）滲碳方法

根據所用滲碳劑的不同，滲碳方法可分為三種，即氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。常用的是前兩種，尤其是氣體滲碳應用最為廣泛。

1）氣體滲碳

氣體滲碳是零件在含有氣體滲碳介質的密封高溫爐罐中進行滲碳處理的工藝。通常使用的滲碳劑是易分解的有機液體，如煤油、苯、甲醇、丙酮等。這些物質在高溫下發生分解反應，產生活性碳原子，造成滲碳條件：

CH₄2H₂+［C］

2COCO₂+［C］

CO+H₂H₂O+［C］

2）固體滲碳

固體滲碳如圖3-24所示。將工件裝入滲碳箱中，周圍填滿固體滲碳劑，密封后送入加熱爐內，進行加熱滲碳。滲碳溫度一般為900～950℃。

（2）滲碳層成分

低碳鋼滲碳后，表層含碳量可達過共析的程度，由表往里碳濃度逐漸降低，直至滲碳鋼的原始組織成分，如圖3-25所示。所以滲碳件緩冷后，表層組織為珠光體加二次滲碳體（表層含碳量達0.85%～1.05%）；心部為鐵素體加少量珠光體組織；兩者之間為過渡層，越靠近表層鐵素體越少。一般，從表面到過渡層一半處的厚度為滲碳層的厚度。

滲碳層的厚度主要根據零件的工作條件來確定。滲碳層太薄，易產生表面疲勞剝落；太厚則使承受沖擊載荷的能力降低。一般機械零件的滲碳層厚度在0.5～2.0mm之間。工作中磨損輕、接觸應力小的零件，滲碳層可以薄些；滲碳鋼含碳量較低時，滲碳層應厚些；合金鋼的滲碳層可以比碳鋼的薄些。

（3）滲碳后的熱處理

為了充分發揮滲碳層的作用，使滲碳件表面獲得高硬度和高耐磨性，滲碳后一般還要繼續進行直接淬火或一次淬火。

直接淬火：工件滲碳后預冷到一定溫度直接進行淬火。這種方法一般適用于氣體或液體滲碳，固體滲碳時較難采用。

一次淬火：滲碳后讓工件緩慢冷卻下來，然后再次加熱淬火。與直接淬火相比，一次淬火可使鋼的組織得到一定程度的細化。對于心部性能要求較高的工件，淬火溫度應略高于心部成分的A_c3；對于心部強度要求不高而要求表面有較高硬度和耐磨性的工件，淬火溫度應略高于A_c1；對介于兩者之間的滲碳件，要兼顧表層與心部的組織及性能，淬火溫度可選在A_c1～A_c3之間。

不論采用哪種方法淬火，滲碳件在最終淬火后都應進行低溫回火。回火溫度一般為180～200℃。

3.6.3　滲氮

向鋼的表面滲入氮元素，以獲得富氮表層的化學熱處理稱為滲氮，通常叫作氮化。與滲碳相比，鋼件氮化后表層具有更高的硬度和耐磨性。氮化后的工件表層硬度高達950～1200HV。

目前較為廣泛應用的氮化工藝是氣體滲氮，即將氨氣通入加熱到氮化溫度的密封氮化罐中，使其分解出活性氮原子，反應如下：

2NH₃3H₂+2［N］

3.6.4　碳氮共滲

碳氮共滲又稱氰化，是在鋼件表面同時滲入碳和氮原子的化學熱處理工藝。其目的是在表面形成碳氮共滲層，以提高工件的硬度、耐磨性和疲勞強度。目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲應用較為廣泛。

中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度。

低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。將鋼件放入密封爐罐內加熱到820～860℃，并向爐內滴入煤油或其他滲碳劑，同時通入氨氣。