化学热处理工艺及应用

化学热处理工艺及应用
除渗碳、渗氮外，渗金属主要有渗Al 、Cr、V、Si、B、S 等金属和非金属。

下面简单介绍。

1. 渗铬
适用于各种钢制件的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化能力。

渗后硬度：低碳钢为200~250HV ；高碳钢为1250~1300HV。

渗层深度：一般为0.10~0.30mm。

渗层金相组织：低碳钢50%左右铬在铁素体中的固溶体；高碳钢由铬的碳化物（Cr7C3）、
（CrFe）7C3 组成。

渗铬方法：固、液、气体渗，还有真空渗等。

固体法：将以下配方研成粒度小于50目（约0.297mm）粉末，然后装箱进行。

配方1：50%~55%铬铁粉末+40~50%氧化铝+2~3%氯化铵。

配方2：60%~65%铬铁粉末+30~35%耐火土+3~4%氯化铵。

装炉温度为800~850C，保温1〜1.5h后升温到1000〜1050E .。

保温12〜15h （视
层深要求而定）。

然后随炉冷却600〜700E出炉空冷即可。

液体法：采用70%氯化钡+30%氯化钠为基盐。

将金属铬或铬铁粉末经盐酸处理后放入
基盐中，加热到1000〜1050E保温1.0〜1.5h即开始渗，同时应不间断地用惰性气体或还原气
体保盐浴表面不被氧化。

气体法：利用干净铬块+氯化铵+氢气，在950〜1100C通入氯化铜蒸汽进行。

渗铬后的处理：在一定载荷下工作并要求一定的强度的零件，渗铬后正火处理可细化晶粒，提高基体强度和韧性，淬火和回火
处理可根据需要调整基体的性能。

2、渗B
渗硼是指将工件放在一定比例的含硼介质中加热。

适用范围：提高各种钢、铸铁和粉末冶金等材料制作的工件耐磨性。

渗后硬度：900~1200H V0.1 以上。

金相组织：为致密的单相Fe2B。

渗层深度：一般为40~100um
渗B方法：固体、液体、气体和膏剂渗。

固渗法：目前市场上有商品固体渗B剂可供应，并附有详细使用说明。

也可按下面配方:
5%KBF4+0.5~0.3%（NH2）CS （硫脲）+20~30%木炭+62~84BFe （硼的质量分数不小于20%，铝和硅的质量分数分别不大于3.5%~4.0%）。

固渗温度和时间，根据渗B层深度确定。

盐浴渗B应用较为广泛：
配方：90~70%Nc t B4O?+10~30%SiC 或者5%B4C+15%NaBF+80%NaCL 等。

使用温度为920~950C，常用钢盐浴渗硼深度与温度及时间的关系见下表。

膏剂渗硼：即将渗硼膏剂涂敷于工件表面需渗硼的部位，干燥后放入盛有惰性填料的箱
内，进行加热渗硼。

可采用下列配方：50%B4C+35%CaF+15%N©SiF6。

在
920~940C,保温4h后出炉。

膏剂涂层厚度应为13mm左右，在120〜150C 烘干。

惰性填
料以在高温条件下无氧化脱碳为宜，如新铸铁屑、石英粉+炭粉等均可。

渗硼在热锻模上的应用，见下表
模具材料
淬火回火后
的硬度渗硼层深度
/mm
渗层硬度HV
热轧锉刀毛坯件数
渗硼的淬火的倍数
T864HRC0.11 〜0.171700〜18502250035064.29 5CrNiW390-430HBW0.06 〜0.092100 〜2150130005000 2.6
30CrM nSi380-400HBW0.08 〜0.122000〜2100130004000 3.25
8Cr3390-430HBW0.07 〜0.101950〜2000160004200 3.81 3、渗V
渗钒是将工件放在产生钒原子的介质中，经一定温度加热和保温，将V渗入其表
面的热处理工艺。

使用范围：提高各种钢制作的工件的耐磨性和耐蚀性
（耐酸、盐腐蚀）。

渗后组织：表面组织为钒在铁素体中的固溶体，中高
碳钢为碳化钒或碳化钒与铁素体的混合物
渗后硬度：中高碳钢渗V后，硬度不低于2000HV
渗V方法：目前有盐浴法、粉末法和气体法等。

其中盐浴法处理温度较低，使用较为广
泛
盐浴法：
所用成分是在熔融的硼砂浴中加入质量分数为80%Na?B4O7及20%钒铁（钒的
质量分数在43%以上）的混合物［粒度为100-150目（约为0.097-0.150mm）］, 其加
入量以盐浴呈碱性（PH值为9）为准。

使用温度为930-970C。

钢件渗V后，表面由白亮层和过渡区组成。

几种钢930-970C渗V后的硬度和白亮层厚度见下表：钢材硬度HV白亮层厚度/mm渗V时间/h Cr12MoV2700〜290015 〜1610
GCr152290〜26003310
9SiCr2290〜25002410
T102290〜24002710
451850〜229074为了使心部获得一定的强度和韧性，渗V 后应空冷正火细化晶粒，然后按正常的强度进行淬火和回火。

但高合金钢（如淬火温度在970C以上的Cr i2MoV和W18Cr4V 等）可以渗钒后，继续升温到其正常淬火温度进行保温及冷却，然后回火。

粉末法：可以采用的渗剂成分（质量分数）为：60%钒铁+37%高岭土+3%的氯化铵。

装箱方法与固体渗碳相同。

渗钒温度为1000〜1100C。

低碳钢渗V后，表层为钒在铁素体
中的固溶体，中高碳钢渗V 后，表面层为碳化钒或碳化钒与铁素体的混合物。

气体渗V :通常使用氯化钒及氢气作介质，在专用炉中于1000〜1100C的温度下渗V。

二、多元共渗化学热处理工艺及其应用
多元共渗除碳氮共渗外，还有氮氧、氮硫、铬铝、硫碳氮、铝铬硅等共渗。

下面简单介绍分别以铬为基、以硼为基的多元共渗及应用；固体和盐浴覆层工艺及其应用。

1、以铬为基的多元共渗及应用
铬、铝、硅等是冶炼特殊性能（耐磨、耐蚀和抗高温氧化等）钢和铸铁时，不可缺的重要合金元素。

如果工件的基体对性能没有特殊要求时，则可以在普通钢制作的工件表面，通过化学热处理方法增加这些元素，使其表面具有所要求的特殊性能。

如此，在满足工件表面特殊性能要求的同时，又可节约昂贵的特殊钢。

1-1 铬铝共渗
铬铝共渗是通过渗入Cr 提高工件的耐磨性和耐蚀性能；渗入Al 提高抗高温氧化能力的化学热处理工艺。

铬铝共渗方式:可以先渗铬后渗铝，或先渗铝后渗铬，或两者同时共渗。

铬铝共渗方法:固体粉末法、气体法和盐浴法等。

常用的是固体粉末法，共渗剂
成分及热处理工艺见下表:
铬铝共渗的抗氧化能力比单一渗铬或铝更好，主要取决于渗层中的铬与铝的比例。

实践表明，渗入量以
Cr：Al=5 : 1 （质量比）的比例最佳。

共渗层的脆性比单独渗Al
的少，950C以下的耐热疲劳性能比渗Al的更好。

其力学性能比单独渗Cr好。

1-2铬硅共渗
铬硅共渗是利用渗铬提高工件的耐磨性、耐蚀性、渗硅是提高工件对酸类、海水等的耐蚀性的化学热处理工艺。

铬硅共渗可以先渗Cr后渗硅，或者铬和硅同时渗入。

实例1,先渗铬后渗硅的固体复合渗工艺。

先在成分（质量分数）为50%铬+38%三氧化二铝+2%氧化铵的渗剂中，进行1000E加热保持4h的渗铬；然后再在通有氯气的硅粉中，进行900E加热保持2h 渗硅。

实例2,铬和硅同时渗的固体共渗工艺。

在成分（质量分数）为49%〜55%铬+42%三氧化二铝+1%〜7%硅+2%氯化铵的渗剂中，于900r〜1000r加热保持10h。

适用于工业纯铁。

1-3铝硅共渗
炼制高温合金、耐热钢和耐热铸铁时，铝和硅经常是铬和镍的代用元素，使其具有抗氧化能力。

在普通钢鉄材料上进行铝硅共渗，可达到上述目的。

实例：20钢镀锌板的铝硅共渗采用膏剂共渗法。

渗剂配方成分（质量分数）：60%〜70%铝铁
+28%〜38%硅+1%〜2%氯化铵。

操作过程如下：
①清除工件表面油污和杂物。

②将渗剂和粘结剂混合均匀，调成悬浮液状；
③将渗剂刷涂于工件表面，厚度约3mm;
④在150C的温度下烘干3〜10min；
⑤工件表面包裹4mm 厚度的耐火泥进行密封；
⑥在150C预热10〜15min （如果表面有裂纹，再重新封补）。

共渗处理工艺：在电阻炉中，950E加热保持2h。

然后，清除表面耐火泥，重新加热至1050C，保持1h后于水中淬火冷却。

处理结果：渗层深度为115um,清理后表面呈光滑的银灰色。

1-4 铬铝硅共渗
对镍基合金和钴基合金制作的汽轮机零件，进行铬铝硅共渗可以提高其抗高温腐蚀和抗高温氧化的综合性能。

1- 4-1 高温铬铝硅共渗
高温铬铝硅共渗采用粉末装箱进行。

渗剂配方（质量分数）：15%铬[ 粒度为250 目（约为
0.057mm）]+5%铝[粒度为200 目（约为0.074mm）]+79.4%碳化硅[粒度为240 目（约为
0.059）]+0.4% 溴化铵及0.2%三氧化二铝[粒度为100 目（约为0.15mm）] 。

操作过程如下：
①按上述配方将渗剂混合均匀后装箱；
②共渗工艺：在箱式炉中，于850C加热透烧后，炉温升至1090E保持7h, 然后冷至95C
取出工件。

③对冷却后的工件进行清刷，并用氢氧化铵液清洗。

处理结果：钻基合金共渗深度为25〜75um；镍基合金共渗后深度为50〜100um; 铁基合金共渗层深25〜250um
1-4-2 中温铬铝硅共渗
中温铬铝硅共渗也要用粉末装箱法进行，对渗剂技术要求如下：
①铝粉纯度为99.9%（质量分数），细度为0.09mm；
②三氧化二铝粉纯度为99%（质量分数）；
③耐火粘土中含有不低于60%（质量分数）的二氧化硅；
④氯化铵和氯化钠均为化学纯试剂。

渗剂配方（质量分数）如下：
37%AI 2O3+20%AI+32%Cr2O3+8%SiO2+2%NH4CL+1%NaF。

共渗剂在混合罐内混合好后
静置10min即可装箱。

箱分双层，内箱装工件，外箱与内箱之间放渗剂。

工件放在料架上，不得面与面相互接触。

共渗剂装箱时，一层（5mm）渗剂再放一层钢纤维，逐层直至箱顶部，最后再放一层渗剂。

共渗工艺及操作过程：共渗箱在80〜100C的电阻炉中烘干2h后，将炉温升至750E 并保持1h，再升温至850C并保持2h后出炉。

待共渗箱冷却至200C以下拆箱。

1-5铬钒共渗
铬钒共渗，旨在使工件获得比单一渗铬或钒更优良的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性和抗热疲劳能
力。

生产实践中的铬钒共渗，经常采用盐浴共渗法。

盐浴铬钒共渗的渗剂成分和工艺见下表：
2. 以硼为基的多元共渗及其应用
2- 1硼氮共渗
硼氮共渗的目的，是为了比单一渗硼进一步提高耐磨性、耐蚀性和热硬性等。

采用成分（质量分数）为5%B4C+5%KBF4+1%活性炭+0.5%NH4CL+
5% （NH2）2CO,余量为SiC的固体硼氮共渗剂。

操作过程：将工件清洗干净，烘干后装入共渗箱内。

将工件加热到580〜600 r
保持2〜3h预热的，升温到560〜910C，保持4〜10h，然后随炉冷却到400C
左右出炉空冷，在室温开箱。

通常需要重新加热淬火，以满足工件心部的使用性能要
求和避免使用时极薄的共渗层被压裂。

实例：1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢模具装入共渗箱内，经580E预热3h后，升温到900E并保持8h。

处理结果：表面显微硬度为1553〜1980HV0.2;共渗层深度为0.05〜0.08mm；最外层组织为FeB+FqB,次层为Fe2B+a Fe，第三层为Fe2B+ a Fe+r-Fe
2-2 硼铝共渗
比单一渗硼进一步提高耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能等。

在生产中，常采用固体粉末装箱共渗法和膏剂共渗法。

①固体粉末法，其渗剂成分（质量分数）为：
21%B4C+4%Na2B4O7+72%FeAl+3%NH 4CL
或49%Al2O3+29.4%B2O3+19.6%Al+2%Na2F。

处理工艺和操作：将渗剂和工件装在共渗箱
内（工件摆放和渗剂添充与固体渗碳相同），用水玻璃调制耐火泥密封箱口。

根据所处理的钢种和
心部要 求的性能，选择共渗温度，一般为800〜1050C ;根据所要求的深度，保持4〜 6h 。

②
膏剂共渗法： 采用的渗剂配方（质量分数）为： 70%Al+30%B+ 粘结剂或
50%B 4C+50%Na 3AIF 6+ 粘结剂。

粘结剂的配制和使用： ① 以酚醛树脂为基 +丙酮+胶的混合物，经聚乙醇缩丁醛处理后作为粘结剂。

② 粘结剂与渗剂均匀混合后，涂刷在工件表面。

③
在具有活性的膏剂上涂敷50% （质量分数）H 2BO 4+50%（质量分数）SiO 2，并混有 水解硅酸乙酯的防护层。

④
工艺操作：将工件表面涂刷厚度为 2mm 的膏剂涂层。

烘干后装箱并密封。

在 电阻炉中于950C 〜1050E 加热，根据所要求的共渗层深度保持 1〜6h 。

然后 根据工件工作条件要求，决定是否重新淬火。

2-3 硼硅共渗
经常使用的方法有固体粉末装箱法和盐浴法
① 固 体 粉末 法 ： 其 渗 剂 成 分 （ 质 量 分 数 ） 为 ：（ 84%B 4C+16Na 2B 4O 7） 和 （95%Si+5%NH 4CL ），一般按各50% （质量分数）混合。

处理工艺和操作 将渗剂和工件装在共渗箱内（工件摆放和渗剂添充与渗碳相
同），用水玻璃调制耐火泥密封箱口。

根据所处理的钢种和心部要求的性能，选
择共渗温度，一般为800C 〜1050C ;根据所要求的渗层深度，保持 4〜6h 。

渗 层深度可达200〜
300um 。

② 盐 浴法 ：共 渗 剂成 分（ 质 量 分 数） 为 ： 65%Na 2SiO 3+7%B 4C+28%SiC 或
35%SiC+52%Na 2SiO 3+13%Na 2B 4O 7。

处理方法和操作：前面介绍的渗硼部分。

2-4 硼钛共渗
其工艺为950E 〜1050E 加热，保持3〜4h,可获得130um 的共渗层厚度 为：90%〜95%Na ?B 4O 7+5% 〜10%TiO 2。

电流密度为 0.2〜
硼钛共渗采用电解法进行 电解熔盐组成（质量分数）
2
0.4A/cm 。

2-5 硼锆共渗
电解法：其工艺为900C加热，保持2h，可获得100um的共渗层深度。

电解熔盐组成（质量分数）为：90%〜95%Na2B4O7+5%〜10%ZrO。

电流密度为0.2A/cm2
3. 固体和盐浴覆层工艺及其应用
固体和盐浴覆层工艺具有设备简单、操作方便，只要有盐浴炉即可实施的优势覆层处理，一般是将坚硬的金属碳化物或金属氮化物及特殊性能合金，通过热处理的固体法或盐浴法沉积于工件表面，使其获得极高的硬度，优异的耐磨性和耐蚀性
3- 1 碳化物覆层工艺
常用固体覆层法和熔盐覆层法
1. 固体法覆层碳化钛工艺及实例
固体法覆层碳化钛所使用的介质组成（质量分数）：35%工业用钛粉+5%AlCL 3+ （0.5〜
2）%ReCL3+2%NH4CL+ 余量AI2CL3。

覆层工艺：900C〜1000C保持1〜6h后，进行淬火+回火或正火+淬火+回火
操作过程
1 ）将工件除锈、脱脂、去污并烘干；
2）在能承受高温加热的铁箱里，将工件埋入按上述配方混合好的介质中，并在其上放一层5〜10mm 厚的工业用SiO2 粉末和SiC 粉末，然后加盖并用耐火泥将箱口密封；
3）放入可控温的电阻炉中加热并保温。

覆层处理后，可获得18〜22um厚度的坚硬的碳化钛层。

2. 盐浴法碳化物覆层工艺及应用
1）用85%〜90%硼砂+10%〜15%铁合金微粒进行碳化物覆层处理。

根据欲覆层的金属碳化物种类不同，使用相应的钒铁、铬铁、铌铁、钛铁等的微粒或粉末。

在900〜1000E处理
5〜10h,可获得厚度为5〜15um的覆层，所得覆层的硬度分别为：VC 层为：3200〜
3700HV,NbC 层为2500〜3000HV，Cr23C6 层为1400〜2000HV。

2）用下列盐浴成分（质量分数）进行覆层处理：
①95%BaCL2 和KCL （质量比为：1：2）+5%K2TiF6 为主，添加少量海绵钛；
②70%BaCL2 和KCL （质量比为1: 2）+5%Ti 粉+15%SiC+10%K2TiF6 按上述任一
种配方，将用盐均匀混合后，放入不锈钢坩埚内，并加盖密封（留有排气孔）后，供电升
温和通氩气。

待温度达到950C，并保持3h后，将清洗干净、脱脂、除绣的工件浸入盐浴中
进行覆层处理。

在950E保持5h，碳素钢可获得大于20um的TiC覆层，富碳合金钢获得大于10um
的TiC 覆层。

表面硬度为4000HV 0.1以上，具有极佳的耐磨性和耐蚀性及冲击韧度。

3-2 镍磷覆层工艺
镍磷覆层工艺，即用化学还原方法使镍离子还原为金属镍，并覆层在具有催化作用的材料（钢铁、钴、
镍、钯和钼等）制作的工件表面上，形成一定厚度的镍磷合金层，使工件具有高硬度、高耐磨性等性能。

在工业生产中，常在PH值为4.2〜5.0,温度为85〜90C的酸槽中实施镍磷覆层工艺。

⑴ 覆层介质的组成，覆层介质的组成（质量分数）为：20%硫酸镍（NiSO4・6H2O）+20% 次磷酸钠
（NaH z PO,H2O）+10%柠檬酸钠（Ba3C6H5O76H2O）+10%氢氧化铝[Al （OH）3]。

需要指出，不能直接使用市场供应的颗粒状氢氧化铝，必须用新生的胶状氢氧化铝。

三氯化铝与氢氧化钠置换反应产物，过滤后即可获得胶状的氢氧化铝
Al（OH） 3 可供使用。

⑵ 工序过程：除锈—脱脂—水洗—酸洗—水洗—活化—化学覆层—水洗—吹干—热处理f清洗f检验。

⑶ 热处理低磷（质量分数为4%〜6%）者采用400C加热，保持1h;高磷（质量分数）为8.5%〜10%
者采用600〜700E加热，保持1h。

⑷ 处理结果：低磷覆层组织为Ni3P 相从固溶体中析出，Ni3P 相分布在镍固溶体基体
上；高磷覆层组织为镍固溶体分布在Ni3P 相基体上。

热处理前表面硬度为500〜600HV;热处理的表面硬度为1000〜1100HV.。