化学热处理.docx

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化学热处理

化学热处理

　　化学热处理是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。

　　化学热处理的工艺过程一般是：

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。

　　每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果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，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。

　　化学热处理是古老的工艺之一，在中国可上溯到西汉时期。

已出土的西汉中山靖王刘胜的佩剑，表面含碳量达O.6～0.7%，而心部为O.15～O.4%，具有明显的渗碳特征。

明代宋应星撰《天工开物》一书中，就记载有用豆豉、动物骨炭等作为渗碳剂的软钢渗碳工艺。

　　明代方以智在《物理小识》“淬刀”一节中，还记载有“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”。

硝是含氮物质，当有一定的渗氮作用。

这说明渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理工艺，早在古代就已被劳动人民所掌握，并作为一种工艺广泛用于兵器和农具的制作。

　　随着化学热处理理论和工艺的逐步完善，自二十世纪初开始，化学热处理已在工业中得到广泛应用。

随着机械制造和军事工业的迅速发展，对产品的各种性能指标也提出了越来越高的要求。

除渗碳外，又研究和完善了渗氮、碳氮和氮碳共渗、渗铝、渗铬、渗硼、渗硫、硫氮和硫氮碳共渗，以及其他多元共渗工艺。

　　电子计算机的问世，使化学热处理过程的控制日臻完善，不仅生产过程的自动化程度越来越高，而且工艺参数和处理质量也得到更加可靠的控制。

　　按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。

前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳（硫氰）共渗等；后者主要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素，二元、多元渗金属工艺，如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。

此外，金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺也不断涌现，例如铝硅共渗、硼铬共渗等。

　　钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织，区分为铁素体化学热处理和奥氏体化学热处理。

前者的扩散温度低于铁氮共析温度，如渗氮、渗硫、硫氮共渗、氧氮共渗等，这些工艺又可称为低温化学热处理；后者是在临界温度以上扩散，如渗碳、渗硼、渗铝、碳氮共渗等，这些工艺均属高温化学热处理范围。

　　渗碳是使碳原子渗入钢制工件表层的化学热处理工艺。

渗碳后，工件表面含碳量一般高于0.8%。

淬火并低温回火后，在提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高。

但缺点是处理温度高，工件畸变大。

　　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。

　　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。

　　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。

　　渗鹏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。

　　渗硼工艺已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆、阀座等上获得应用。

但渗硼工艺还存在处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。

　　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。

　　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。

　　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。

　　化学热处理的发展将着重于扩大低温化学热处理的应用；提高渗层质量和加速化学热处理过程；研制适应常用化学热处理工艺的专用钢；发展无污染化学热处理工艺和复合渗工艺；用计算机控制多种化学热处理过程，建立相应的数学模型，研制各种介质中适用的传感器和外接仪表、设备等。

　　化学热处理：

指金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，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。

常见的化学热处理工艺有：

渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗铝，渗硼等。

化学热处理的目的：

主要是提高钢件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗氧化性等。

表面热处理

对工件表面进行强化的金属热处理工艺。

它不改变零件心部的组织和性能。

广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。

表面热处理分为表面淬火和化学热处理两大类。

　　表面淬火通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。

为了达到只加热工件表层的目的，要求所用热源具有较高的能量密度。

根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。

工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。

化学热处理将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。

通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理，以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。

根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。

离子氮化

　　离子渗氮作为强化金属表面的一种化学热处理方法，广泛适用于铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。

零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。

　　离子氮化作为七十年代兴起的一种新型渗氮方法，与气体渗氮相比具有渗氮速度快、渗氮层组织易于控制、脆性小、无环境污染、节约电能，气源、变形小等优点。

什么是化学热处理

化学热处理是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

化学热处理的工艺过程一般是：

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。

每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果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，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。

化学热处理是古老的工艺之一，在中国可上溯到西汉时期。

已出土的西汉中山靖王刘胜的佩剑，表面含碳量达O.6～0.7%，而心部为O.15～O.4%，具有明显的渗碳特征。

明代宋应星撰《天工开物》一书中，就记载有用豆豉、动物骨炭等作为渗碳剂的软钢渗碳工艺。

明代方以智在《物理小识》“淬刀”一节中，还记载有“以酱同硝涂錾口，煅赤淬火”。

硝是含氮物质，当有一定的渗氮作用。

这说明渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理工艺，早在古代就已被劳动人民所掌握，并作为一种工艺广泛用于兵器和农具的制作。

随着化学热处理理论和工艺的逐步完善，自二十世纪初开始，化学热处理已在工业中得到广泛应用。

随着机械制造和军事工业的迅速发展，对产品的各种性能指标也提出了越来越高的要求。

除渗碳外，又研究和完善了渗氮、碳氮和氮碳共渗、渗铝、渗铬、渗硼、渗硫、硫氮和硫氮碳共渗，以及其他多元共渗工艺。

电子计算机的问世，使化学热处理过程的控制日臻完善，不仅生产过程的自动化程度越来越高，而且工艺参数和处理质量也得到更加可靠的控制。

按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。

前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳（硫氰）共渗等；后者主要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素，二元、多元渗金属工艺，如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。

此外，金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺也不断涌现，例如铝硅共渗、硼铬共渗等。

钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织，区分为铁素体化学热处理和奥氏体化学热处理。

前者的扩散温度低于铁氮共析温度，如渗氮、渗硫、硫氮共渗、氧氮共渗等，这些工艺又可称为低温化学热处理；后者是在临界温度以上扩散，如渗碳、渗硼、渗铝、碳氮共渗等，这些工艺均属高温化学热处理范围。

渗碳是使碳原子渗入钢制工件表层的化学热处理工艺。

渗碳后，工件表面含碳量一般高于0.8%。

淬火并低温回火后，在提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高。

但缺点是处理温度高，工件畸变大。

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。

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。

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，共渗件淬火的畸变小，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。

渗鹏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。

渗硼工艺已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆、阀座等上获得应用。

但渗硼工艺还存在处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。

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。

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。

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。

钢铁零件的化学热处理，是将零件置于不同的化学活性介质中，在特定工艺温度下对其加热并保温，向工件表层内渗入化学元素，改变工作表层的化学成分与组织，获得所需要的表层使用性能。

化学热处理的方法很多，下面仅就目前生产中广泛应用的气体化学热处理、液体化学热处理及辉光离子氮化生产中的安全技术作一简介。

一、气体化学热处理设备的安全技术

气体化学热处理设备主要有井式炉、周期式多用炉和连接式贯通马弗炉。

可用来进行气体渗碳、氮化、软氮化和氰化。

所使用的渗剂有：

甲醇、乙醇、煤油、丙酮、三乙酸胺、尿素、氨气、吸热式气氛、天然气、城市煤气等。

操作人员除必须熟悉设备的性能和安全操作规程外，还应对所采取的化学物品的性能、安全使用保管有所了解，对它们在化学热处理过程中的分解产物及对周围环境的影响也要有所了解。

气体化学热处理中的废气，都必须点燃，因为其中一般含有一氧化碳、氰氢酸、氨、不饱和烃等，点燃后即可分解。

例如气体软氮化时，炉内的HCN含量为6~8mg/m3，废气点燃后，工作环境中含HCN量仅为0~0.08mg/m3，低于规定允许值0.3mg/m3。

气体氮化的废气中含有一些未分解的NH3，可以将废气通入水中减少污染。

采用液体渗剂进行化学热处理时，渗剂的滴入量必须按工艺要求严格控制。

在升温阶段，如果液体超规定大量滴入炉内，在升到较高温度时，液体迅速气化，炉压会很快上升。

此时，应立即关闭滴定器阀门，开大放散阀，使炉压自然下降。

切不可在炉压升高时忙着打开炉门，使炉内大量可燃气体骤然与空气混合，这会引起爆炸事故。

严重时不断可能使炉盖、炉门飞出，损坏设备，危及操作人员的生命安全。

二、液体化学热处理设备的安全技术

液体化学热处理是指在液体化学活性介质中进行软氮化、氰化、硫氮共渗、渗金属等。

操作时既要注意热处理浴炉的安全操作问题，还要注意所使用的有毒物质及产生有毒气体、废液、废渣的问题。

下面重点阐述液体氰化浴炉的安全技术。

1．操作人员必须严格遵守氰化盐浴炉的操作规程，小心谨慎地进行液体氰化的工艺操作。

2．必须加强化学药品的保管，严格执行化学药品的分类保管制度。

对剧毒的氰化盐类，必须坚决地执行双人、双锁、双领用的规定。

3．操作氰化浴炉时，必须戴口罩和防护眼镜（或面罩），穿好劳动防护服，戴好手套。

工作完毕即脱掉。

这些防护用品不得戴出工作场所，定期用10%硫配亚铁熔液清洗两次。

在工作场所，不得饮水、吃东西、吸烟或存放食品。

氰化间通风采光要好，设备都应装置抽风机，以防氰盐粉尘及蒸气飞扬，污染工作环境。

4．液体氰化零件必须烘干进炉，否则，熔盐遇水会发生崩爆溅出，易造成皮肤灼伤。

如发生这类情况，应立即用10%硫酸亚铁水熔液洗涤，再用清水冲洗后，去医务部门处理。

5．必须认真处理氰化过程中的废渣、废水、粉尘，不得任意堆放或排放。

废渣、粉尘可集中经硫酸亚铁中和后深理。

废水可用碱性氧化的方法，把氰根氧化变成无害的二氧化碳和氮气。

排放前必须抽样化验氰根的含量，合格后方可排放。

三、辉光离子氮化设备的安全技术

辉光离子氮化是近年来发展较快的热处理技术。

辉光离子氮化设备的炉膛是一真空容器，在一定的真空度（L33×10-2Pa）和高压直流电场（100~1000V）作用下，通入少量氮化气氛，使氮原子离子化，并在电场作用下，高速冲击工件表面，产生辉光放电，使工件表面达到离子氮化温度并使氮原子渗入工件表面。

离子氮化工艺与原气体氮化相比，具有生产效率高、变形小、成本低和污染少等优点。

在设备设计和制造时，应注意设备阳极和阴极间的高压绝缘问题。

因为设备外壳即是高压直流电的阳极，必须良好接地。

设备中放置工件的阴极接线柱，对地绝缘电阻必须用1000V绝缘摇表检查，其绝缘电阻不得小于20MΩ。

在电气线路里，必须有保护装置，确保真空罩打开时，高压直流电自动断开。

辉光离子氮化设备的厂房，应光线明亮、通风良好、屋内应保持清洁整齐、干燥、无杂物。

操作时必须注意：

1．离子氮化设备必须有两名以上操作者方可开炉，并指定操作负责人。

操作者必须熟悉和遵守离子氮化设备的安全操作规程。

2．工件必须洗涤干净，去除毛刺、铁屑和油污。

3．不得在设有可靠安全措施情况下，在真空罩下进行操作。

吊放真空罩应平稳，在阴极底板上放置工件应稳妥。

4．应遵守气体氮化和氨气瓶安全使用规程。

真空泵抽气时，排出的废气应通往室外。

化学热处理的发展将着重于扩大低温化学热处理的应用；提高渗层质量和加速化学热处理过程；研制适应常用化学热处理工艺的专用钢；发展无污染化学热处理工艺和复合渗工艺；用计算机控制多种化学热处理过程，建立相应的数学模型，研制各种介质中适用的传感器和外接仪表、设备等。