金属表面化学热处理技术与应用

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金属表面化学热处理技术与应用

姓名

（南昌大学，机电工程学院，江西南昌330031）

摘要：为提高金属表面机械强度和摩擦磨损性能，通常需要对材料表面进行化学热处理。此项技术正逐步朝着能源消耗低、环境污染少的方向发展。本文论述了渗硼、渗碳、真空化学热处理、催渗、等离子化学热处理等化学热处理技术在金属材料表面加工中的作用机理和应用；简介了复合处理新兴工艺并展望了化学热处理技术未来的发展方向。

关键词：化学热处理；金属材料；渗硼；电化学热处理

Metal surface chemical treatment technology and applications

ZHANG Dan-ting

（School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031,China）Abstract：In order to improve the mechanical strength and the friction and wear propertiesof the metal surface，it usually requires chemical treatment of the material surface．This technology is developing toward low energy consumption，less environmental pollution and direction gradually．This article discusses applications and the mechanism of metallic material’s chemical heat treatment technologies such as boronizing，carburizing，vacuum heat chemical treatment，reminders infiltration and the plasma chemical treatment；Introduce the composite processing technology briefly and outlook development of chemical treatment technology in the future．Key Words：Chemical treatment；Metallic materials：Boriding；Electrochemical heat treatment

金属材料表面化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一种表面处理技术。它是利用元素扩散性能，使合金元素渗人金属表面的一种热处理工艺。其基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，是活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并溶入表面，溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变工件表层、组织和性能[1]。根据渗入元素的活性介质所处状态不同，化学热处理可分为：固体法、液体法、气体法和等离子法。

通过一定的化学热处理工艺，金属表层、过渡层与心部，在成分、组织和性能上有很大差别。强化效果不仅与各层的性能有关，而且还与各层之间的相互联系有关。如渗碳表面层的碳含量及其分布、渗碳层深度和组织等均可能影响材料渗碳后的性能。

当前，我国热处理已有了不少重大的发展和进步，但与世界先进水平相比仍存在着很大的而且还在不断扩大着的差距,这种差距是深层次的。因此对化学热处理技术发展历程及现状进行全面深入的了解显得十分必要，本文列举渗硼、渗碳、真空化学热处理、催渗、等离子化学热处理等表面处理技术来说明近年来工艺发展的趋势。

1渗硼技术

1.1 渗硼技术发展现状

渗硼是现代化学热处理方法之一，由于渗硼层极高的硬度和耐磨性远非一般表面硬化层可比，所以近年来渗硼工艺得到了国内外普遍重视[2]。渗硼就是将工件置于高温状态的渗硼介质中，渗硼介质经化学反应析出活性硼原子，硼原子被工件表面吸收，在高温下逐步向工件内层扩散形成硼化层。这种方法可用于钢铁材料，金属陶瓷和某些有色金属材料，如钛、钽和镍基合金。

渗硼工艺的历史已近百年，1895年莫桑（Moissan）发表了在钢铁材料表面进行气体渗硼的论文。20世纪初期，前苏联、德国、美国等开始研究固体渗硼。但由于得到的渗硼层薄、不均匀和疏松严重，没有实用价值，因此未能引起人们的重视。20世纪60年代又重新重视固体渗硼。

G．Kartal，O．L．Eryilmaz，G．Krumdick[3]等人在研究中指出在低碳钢板基材，使用电化学渗硼在范围为850℃-1000℃的高温下，保温时间是从5分钟到120分钟，能得到一定致密度和厚度渗硼层硼化层，组织成分主要包括Fe2B和FeB相。结果显示：电化学渗硼后硬度有了明显提高，从200±20HV提高到1700±200HV。M．Keddam，R．Chegroune[4]使用以灰铸铁为渗硼试样，通过固体渗硼，从而得出渗硼层中Fe2B的增长与处理时间

符合抛物线关系。I．Campos-Silva，M．Ortiz-Dominguez[5]等研究以硼势和渗硼时间为主要因素，对灰铸铁试样进行渗硼试验，得出Fe2B形成动力学。他们通过灰铸铁Fe2B层的增长动力学得到一个最佳渗硼的浓度，并与试验有很好的一致性，而且不同的渗硼源和渗硼媒介，可以不同程度促进和优化在不同金属的渗硼过程。

我国从1958年开始研究渗硼，首先研究了液体渗硼和膏剂渗硼。今几年来在固体渗硼方面进展较大。广大热处理工作者根据我国的具体条件研制了以硼铁为供硼剂的粉末渗硼剂、粒状渗硼剂，进而研究出硼砂石墨型渗硼剂。从过去只能获得双相硼化层发展到可以稳定得到单相Fe2B的硼化层，使我国在固体渗硼方面步入世界前列[6]。

曲敬信，武晓丽，邵荷生[7]等对渗硼层磨料磨损特性的研究后指出：通过试验他们得出钢铁材料渗硼后由于可以大幅度提高硬度和耐磨性。赵善中，曲敬信，邵荷生[8]等对几种常用热模具钢渗硼层进行磨损实验。

5CrMnMo，3Cr2W8V，4Cr5MoSi和40Cr钢的渗硼层在本实验条件下，从室温到500℃温度范围内，具有较低的磨损率，与同一成分未渗试样比较，其耐磨性提高3-7倍。刘健健，陈祝平[9]等对膏剂渗硼进行研究，研究中指出膏剂渗硼的优点是可实现局部渗硼、渗剂消耗少和设备简单等优点；在膏剂渗硼中，影响渗硼层深度和质量的因素除选择合理的温度和时间外，主要是渗剂的成分；渗剂活性越强，渗硼层越厚，其中FeB含量越多；反之，渗硼层越薄，FeB含量越少。

1.2 渗硼技术的应用

冷作模具主要的要求是抗磨损,故渗硼对于因磨损失效的模具非常合适。对于只要求表面耐磨而基体强度要求不高的模具,渗硼后可不再进行热处理,这样既可保持模具的表面光洁度,又可保持基本不变形。而对于热作磨具如：热冲压冲头、热引伸冲头等，经渗硼回火后使用寿命提高3～6倍。另外在压铸模方面以普通碳素钢渗硼替代3Cr2W8V高合金钢取得了成功。

渗硼技术也应用到了石油机械上，如用于超低碳铬镍不锈钢制的阀杆、耐热钢制分离器壳体等均获得成功。渗硼工艺还成功地应用于