3.3 滲鉻及鉻釩共滲

3.3.1 滲鉻

滲鉻是鋼表面被鉻擴散飽和的過程。在下列情況下工作的工件宜進行滲鉻：①在磨損，包括氣蝕磨損和在高、低溫浸蝕磨損的條件下；②在引起化學腐蝕的介質中于高溫和低溫受應力作用；③在引起受電化學腐蝕的介質中受應力作用；④在機械疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞下；⑤在磁場和電場作用的條件下。

滲鉻的目的是提高工件的耐蝕性、抗高溫氧化性和耐磨性。滲鉻方法有以下幾種：

1.固體滲鉻

固體滲鉻曾是常用的一種工藝，是將滲鉻劑與工件一起裝箱、密封，放在箱式或井式的高溫爐中加熱。固體滲鉻有粉末、粒狀和膏劑三種。常用的固體滲鉻劑及滲鉻工藝見表3-20。

表3-20 常用固體滲鉻劑及滲鉻工藝

注：1.為了防止鉻粉氧化，滲劑事先應烘干、混勻，滲鉻罐用水玻璃+耐火泥或低熔點的硅酸鹽密封，也可以將滲鉻罐焊牢，引出導管通保護氣體，每隔10s通、排各1次。

2.滲鉻重復使用4～5次后應補充質量分數為20%的新滲劑，NH₄ Cl也應按比例追加。

3.Cr-Fe粉中Cr的質量分數為65%，碳的質量分數為0.1%，粒度為0.071～0.154mm，Al₂ O₃粒度為0.071～0.154mm，用前需經1000～1100℃焙燒脫水，滲劑按比例配好，經150～200℃烘干后裝箱，待工件裝箱后加熱300℃×30～40min，以排除箱中空氣，再用水玻璃調耐火泥將箱密封，然后升溫于400～500℃×2～3h，再升溫至980～1100℃×6～5h，隨爐冷至600～700℃出爐空冷，100℃以下開箱，即可得到0.02～0.1mm滲鉻層。

4.為了提高滲鉻件的疲勞壽命，應在滲鉻后經擴散退火，再淬火回火。

山東大學研究的固體粉末滲鉻劑成分（質量分數）為10%Cr₂O₃+4%Al+2%NH₄Cl，其余為Al₂O₃。T12鋼經950℃×4h滲鉻處理，可獲得11 _μm的（Cr、Fe）7 C₃滲層。

粒狀滲鉻可減少粉塵污染、滲劑粘結和結塊現象。某單位使用的粒狀滲鉻劑配方（質量分數）為：20%Cr-Fe+5%～10%KBF₃+2%～5%NH₄Cl+1%～2%NH₄F，再添加膠粘劑制成粒狀使用。

固體粉末通入H₂滲鉻，像一般滲鉻一樣裝箱，在滲鉻鐵箱上設置進出氣管。滲鉻劑成分（質量分數）為57%NH₄Cl+43%Cr₂O₃，加熱到1000℃，保溫30min后定期通氫排氣。氫氣使NH₄Cl+Cr₂O₃反應生成氯化亞鉻，再還原成新生態鉻原子，即CrCl₂+H₂→2HCl+[Cr]進行滲鉻。

2.氣體滲鉻

氣體滲鉻像氣體滲碳一樣，常用密封的井式爐和貫通式爐。滲鉻氣體多用含鉻的氯化物（CrCl₂）、氟化物（CrF₂）和氫氣。鉻的氯化物及氟化物由鉻或鉻鐵與氯化物氣體（如HCl、NH₄Cl）和氟化物氣體（如NH₄HF₂、HF）反應生成的。法國曾用鐘罩式爐處理，工藝為900～1100℃×5～12h，滲鉻層厚度為0.25～0.38mm，表層鉻的質量分數達23%；用于汽車消聲器、化工容器等。

3.真空滲鉻

真空滲鉻是將工件與粒度為3～5mm的純鉻一起放在真空爐膛中，真空度達到0.013Pa時，開始升溫滲鉻，溫度為1100～1150℃，鉻在真空和高溫下要升華，形成氣相。蒸發的Cr被工件表面吸附，從而進行滲鉻。例如，1150℃×12h，20鋼滲鉻層深度達到300μm，T12鋼達10_μm，滲鉻保溫后爐冷至250℃以下出爐。

4.離子滲鉻

離子滲鉻工藝是由離子滲氮工藝發展起來的，在真空工作室內通入含鉻元素的氣體化合物，同時通入工作氣體（氬或氬和氫的混合氣）。以工件為陰極，陰極和陽極之間施加直流電壓，產生輝光放電，強化了鉻元素的化學反應，加速了擴散過程，形成滲層。

有人在8kW離子滲氮爐中進行膏劑滲鉻，在試樣周圍設置一個與它等電壓的仿形陰極套，利用空心陰極效應提高加熱效率，使爐溫達到1050℃。在試樣表面涂滲鉻膏劑。膏劑的成分（質量分數）為50%～70%Cr-Fe+5%～10%Na₂AlF₆+10%～20%NH₄Cl+5%～10%Al，其余為Al₂O₃，用水解硅酸乙酯為粘結劑。爐壓為50～133Pa。45鋼經950℃×1h處理后，獲得100μm滲鉻層，硬度為700HV。

雙層輝光離子滲鉻：早在1980年太原理工大學就研制成功雙層輝光滲金屬設備。它是在真空容器中設置陽極、陰極（工件）和由滲入合金元素材料制作的源極，在陽極和陰極之間、陽極與源極之間各設一個可調壓的直流電源。當真空室內氬氣壓力達到一定值后，調節各自電源，則在陽極與陰極和陽極與源極之間分別起輝光放電，即雙層輝光放電。輝光放電使源極的滲入元素在離子轟擊下被濺射出來，加速后飛向陰極（工件），同時輝光放電使電能轉變為熱能，使工件加熱到高溫，源極濺射出來的離子被高溫工件表面吸收，擴散后形成合金滲層。雙層輝光放電在鋼表面可實現Cr、W、Mo、V、Ni、Zr、Ta、Al、Ti、Pt單元滲，滲層厚度可達數百微米。雙層輝光放電滲鉻工藝為：源極為工業純鉻塊，通Ar，壓力為1.33～133Pa，工作電壓高于1000V，溫度為900～1100℃，時間為2～5h，電流大小取決于工件數量及尺寸。

另外，多弧離子滲金屬、交變電場真空離子滲金屬、脈沖輝光放電滲金屬等新工藝、新設備都可以實現離子滲鉻。

5.液體滲鉻

液體滲鉻是在硼砂鹽浴中加入鉻鐵或加入氧化鉻和鋁粉、硅鈣稀土合金，可獲得滿意的滲鉻層，此法是TD法的一種。用傳統的加熱方法，滲鉻溫度高、時間長，不僅使工件心部性能惡化，而且滲鉻所用的設備能耗大、壽命短、效益低，抑制了滲鉻工藝的發展。常用液體滲鉻工藝及配方見表3-21。

表3-21 常用液體滲鉻配方及工藝

注：1.CrCl₂的熔點為820℃，制取方法是在體積分數為5%的濃鹽酸中緩慢加入鉻鐵粉，攪拌均勻，靜置24h，使其自然干燥，再按配方比例加入鹽浴中。

2.在硼砂鹽浴中滲鉻后，可直接出爐淬火，低溫回火。淬火后應在復合清洗劑中煮50min以上。

3.特別難于清洗的工件可在稀鹽酸或稀硝酸中清洗，應多次用冷水沖洗干凈。

4.滲鉻后，工件尺寸脹大量約為滲層厚度的1/3，不能機械加工，只能拋光或研磨。

5.在相同溫度下滲鉻，鋼中碳含量越低，滲層越薄；反之亦然。在相同的溫度時間內，鋼中碳含量越高，滲層越厚。

6.碳化物形成元素W、Mo、Cr、V、Nb、Ti等擴大α相區，促進滲鉻，增加滲層厚度；Ni、Co、Mn擴大γ相區，減緩滲鉻速度，減少滲層厚度。

7.滲鉻致密性檢查方法是將滲鉻件放入稀硝酸水溶液中，若20～40min無氣泡出現，說明致密性好；或放入質量分數為15%CuSO₄的溶液中，如果不致密必有藍色印跡。

8.表層組織檢查方法：在體積分數為3%的硝酸酒精液中浸蝕后，表層有不受浸蝕的白亮帶，滲鉻層下面無貧碳區。表面X射線衍射檢查，鉻的質量分數為25%～30%時較好。

9.催滲劑應適量，過多會形成腐蝕斑，應加以控制。

10.表層的組織：低碳鋼為（Fe、Cr）7C₆化合物，高碳鋼為（Fe、Cr）23 C₆、（Fe、Cr）7 C₆化合物。

3.3.2 鉻釩共滲

實踐表明，鉻釩共滲層的耐磨性、耐蝕性，高溫抗氧化和熱疲勞性能均優于滲鉻、滲釩。有些單位在模具上獲得成功應用。對5CrNiMo鋼熱作模具采用固體鉻釩共滲，滲劑與工件裝入密封的滲罐中，在箱式電爐中加熱，滲劑的成分（質量分數）為：50%Cr-Fe+43%Al₂O₃+2%NH₄Cl+5%釩粉，1050℃×5h共滲。鹽浴鉻釩共滲配方及工藝見表3-22。

表3-22 鹽浴鉻釩共滲配方及工藝