概述
1、概念
l将金属制件放在特定的活性介质中，加热保温使一种或几
种元素渗入它的表层，改变其表面的化学成分和组织，以达
到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺总称。
l简单说是向钢的表面渗入某种元素的热处理工
艺。
l注意：化学热处理既改变表面的化学成分，又改变其组织。
2、目的
获得单一材料难以获得的性能或进一步提高制件的使用性能。
3、分类
以渗入元素命名：渗金属，渗非金属。命名方法见表。
4、作用：
l强化表面：表面硬度，耐磨性，疲劳极限，多次冲击韧性的提高。如渗碳、渗氮等。
l保护工件表面：提高工件的物理化学性能，耐高温，耐腐蚀。如渗氮等。
5、特点：
l最有效地改善钢件表面的化学成分，组织和性能，而且这种改善是由表面向心部逐渐过渡，渗层与基体的结合是牢固的。
l不受工件外形的限制，表面都可以获得分布均匀的渗层和淬硬层。
l经化学热处理后的工件大部分具有变形小，精度高，尺寸稳定性好等特点。
l大部分化学热处理，在提高表面机械性能的同时还可以提高表面的耐腐蚀性，抗氧化，减磨，抗咬合，耐热等。
一、化学热处理的基本过程
l通过界面反应渗剂分解，产生被渗元素的活性原子；
l活性原子被表面吸附；
l活性原子由工件表面向内部扩散。
例如：
渗碳时：CH4＝2H2+[C]
渗氮时：2NH3=3H2＋2[N]
1、渗剂分解
l渗剂一般由含有被渗元素的物质组成，有时加入一定量的催渗剂，催化渗剂分解反应。渗剂必须具有一定活性。
l渗剂活性：在相界面反应中易于分解出被渗元素原子的能力。
l催化剂：是促进含有被渗元素的物质分解或产生出活性原子的物质。
例如：渗碳时除木炭外加碳酸钡或碳酸钠
1）分解反应：如普通气体渗碳、渗氮时，
2）置换反应：渗金属时，
3）还原反应：如渗金属时，
•
固体表面对气相的吸附作用按其作用力的性质不同可分为物理
吸附和化学吸附两类。
l1）物理吸附：没有电子转移和化学键生成的吸附现象。
n这种吸附能迅速达到平衡，并在较低温度下发生。
n温度升高时吸附量下降，温度下降时吸附量又增加。
l2）化学吸附：当气体（吸附质）与金属表面（吸附剂）接触时二者以高速发生反应形成化学键，即发生电子交换，组成离子键结合或共价键结合叫化学吸附。
n化学吸附在低温时速度较小，随温度升高明显增大，这种吸附可以使分子解离。
扩散指金属表面溶入被渗元素后，该元素浓度增
加，形成浓度差，发生迁移现象。
（1）纯扩散与反应扩散
l纯扩散指渗入元素原子在母相金属中形成固溶体,
在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。
l纯扩散常发生在化学热处理的初期，或渗剂的活
性不足以形成饱和浓度的场合。如渗碳。
l反应扩散指通过扩散使固溶体溶质组元的浓度超过
固溶度极限而形成新相的过程。
渗层指在钢的表面渗入某种元素后，从表面向内保持该元素较高浓度的距离。
1）渗层深度与扩散时间的关系
l说明渗层深度δ与时间 t 呈抛物线关系；
l即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；
l随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。
1）渗层深度与扩散时间的关系
l说明渗层深度δ与时间 t 呈抛物线关系；
l即延长化学热处理时间，相邻区域的浓度差减小，扩散速度逐渐降低；
l随时间延长，扩散浓度的增加值也越来越少（先快后慢）。
1、物理催渗法
l概念：是利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，及加速渗入元素的扩散等。
l基本方法：
A)高温化学热处理；
B)高压或负压化学热处理；
C)高频化学热处理；
D)采用弹性振荡加速。
2、化学催渗法
l概念：
是在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，以提高渗剂活性和增加活性原子的浓度。从而提高渗入能力。
l分类：
A)卤化物催渗法；
B）提高渗剂活性的催渗方法。
一、渗碳的概述
l概念：
向钢件表面渗入碳原子（元素）的工艺。
l目的：
提高零件的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部保持良好的塑性与韧性。
l分类：
按渗碳介质状态不同，分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。以气体渗碳应用最广泛。
l渗碳的材料
含碳量为0.1－0.25％的低碳钢或合金钢。
如20、20CrMnTi、18CrMnTi等。
二、评定渗碳质量的主要技术指标：
1、渗碳层的碳浓度：0.85－1.05％ 。
l碳浓度低，则耐磨性不够，疲劳强度较低。
l碳浓度过高渗层变脆，出现网状或块状碳化物，则很容易剥落影响使用寿命。
l渗碳层的浓度梯度也应满足一定要求，渗层的碳浓度梯度应平衡下降。
三、渗碳方法
1、固体渗碳
（1）概念：将工件放入填充固体渗碳剂的密封箱中，在一定温度下加热保温进行渗碳的工艺。
（2）固体渗碳剂组成
主要由两类物质组成:
l提供活性碳原子的供碳剂（木炭、焦炭）
l催渗剂，如碳酸钡，碳酸钠
（3）渗碳工艺
l渗碳温度：
900～930℃；（含Ti、V、W、Mo的钢，950～980℃）。
l保温时间:每小时渗0.1mm;
生产中常用试棒来检验渗碳效果，渗碳时间应通过试验进行修正。
（4）特点
l优点：不需专门设备，工艺简单，适宜单件或小批量生产。
l缺点：加热时间长，生产率低，劳动条件差，渗碳层深度以及质量不易控制。
2、液体渗碳
（1）概念：工件在一定温度下的含碳活性盐浴中加热保温进行渗碳的工艺。
（2）特点：
l优点：加热速度快，加热均匀，渗碳后直接淬火；
l缺点：多数盐浴有毒。
（3）渗碳液体组成
由三部分物质组成:
l加热介质 NaCl、BaCl2 混合盐
l渗碳介质 NaCN,KCN，“603”渗碳剂等（100目木炭粉，5％NaCl，10％KCl，15％Na2CO3，20％（NH2)2CO）
l催化剂 碳酸盐Na2CO3、BaCO3
基本化学反应：
Na2CO3＋C→Na2O＋2CO
2CO↔CO2＋[C]
3[NH2]2CO+Na2CO3 → Na2CNO+4NH3+2CO2
2NaCNO →2NaCN+Na2CO3+CO+2[N]
渗碳温度一般为920～940℃，渗碳速度较快。
3、 气体渗碳
（1）概念：把工件放在一定温度的富碳气体介质中，加热和保温进行渗碳的工艺。
（2）特点： 操作简便，周期短，质量容易控制，劳动条件好。
（3）渗剂
渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体（煤油，丙酮等），气体
分解，析出活性碳原子，渗入工件表面。
（4）分类
可分为滴注法渗碳，吸热式气氛渗碳等。
1）滴注式可控气氛渗碳：
l同时向炉内滴入两种有机液体，热裂分解为活性原子并渗入工件表面。
l一种液体（甲醇）产生的气体碳势较低，作为稀释气体；
l另一种液体（如醋酸乙脂、煤油或丙酮）产生的气体碳势较高，作为富化气。
l通过改变两种液体的滴入比例，就可以控制碳势。
2）吸热式气氛渗碳
l吸热式气氛指用天然气、城市煤气等，以一定比例与空气混合不完全燃烧，放出的热量不能维持正常反应，需要外部供给热量。
l大量生产中广泛应用吸热式气氛做稀释气体，同时通入富化气（如丙烷、丁烷等）。
l通过调节两种气体的相对量来控制渗碳炉内碳势，达到渗碳的质量要求。
1、直接淬火
渗碳后，预冷到一定温度，立即进行淬火冷却，这种方法适合于气体或液体渗碳，固体渗碳不适合。
2、一次淬火法
工件渗碳后随炉冷却到室温，然后再重新加热到淬火温度，经保温后淬火。
3、两次淬火法
将渗碳缓冷到室温的工件进行两次加热淬火。
注意：淬火后需要进行低温回火。
六、渗碳件的质量检查
1、渗碳层的深度的检查（测定）
常用随炉渗碳试样来判别。
（1）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。
为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。
（2）金相分析法：退火态下测量。
l 碳钢件：从表面测到过渡区的1/2处。
l 合金钢：从表面到出现原始组织为止。
六、渗碳件的质量检查
1、渗碳层的深度的检查（测定）
常用随炉渗碳试样来判别。
（1）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。
为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。
（2）金相分析法：退火态下测量。
l 碳钢件：从表面测到过渡区的1/2处。
l 合金钢：从表面到出现原始组织为止。
六、渗碳件的质量检查
1、渗碳层的深度的检查（测定）
常用随炉渗碳试样来判别。
（1）断口分析法：将渗碳试样淬火后打断观察，渗层断口呈白色瓷状，未渗碳部位为灰色纤维状，两层交界处的含碳量约为0.4％。
为了清楚地显示渗碳层，可将试样断口磨平抛光，4％硝酸酒精溶液腐蚀，渗碳层呈黑色，中心部分呈灰色，直接用读数放大镜测出渗层深度。
（2）金相分析法：退火态下测量。
l 碳钢件：从表面测到过渡区的1/2处。
l 合金钢：从表面到出现原始组织为止。
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