气体热扩渗技术的发展现状

气体热扩渗技术的发展现状

摘要：气体热扩渗是应用较广泛的一种化学热处理方法。但是，随着对气体热扩渗机理研究和生产应用实践的深化，近几年来在常规气体热扩渗工艺的改进、新工艺的发展以及拓宽热扩渗工艺的应用领域等方面，都取得了新的进展。本文综述这方面的主要成果。

关键词：气体，热扩渗，发展

1前言

气体热扩渗是把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到有利于渗剂原子在基体中产生显著扩散的温度。使工件表面获得该渗剂元素的工艺过程。产生活性原子气体的渗剂可以是气体、液体、固体。但在扩渗炉内都成为气体；在气体热扩渗过程中，渗剂可以不断补充更新，使活性原子的供给、吸收和内部扩散的过程持续维持：可以随时调整炉内气氛，实现可控热扩渗[1]。气体热扩渗包括气体渗碳、气体渗氮、气体碳氮共渗和气体氮碳共渗。

2气体渗碳的发展现状

近几年国内气体渗碳技术发展很快。为了提高零件的质量，使产品进入国际市场，国内许多企业引进了国外的先进设备和先进工艺。同时，国内一些大专院校和科研单位也对渗碳设备和渗碳工艺进行了研制和创新。这使得国内气体渗碳处理技术处在一个非常活跃的时期，新成果、新经验、新工艺不断出现，对产品质量的提高，起了巨大的推动作用[2]。

2.1广泛使用先进的渗碳设备

先进的渗碳设备普遍采用微机按输入的预定程序，对渗碳过程自动控制，从设备的类型看主要是两大类，一是连续生产线，二是大型井式渗碳炉。这些设备大部分是从国外购进的，也有一部分是国产的。先进的渗碳设备的特点是技术先进、气氛可控、性能稳定、质量可靠、机械化自动程度高，体现了生产发展水平。

2.2合理选择渗碳用钢

现在世界各国正从微观上研究提高渗碳钢使用的合理性。从渗碳用钢角度来看，主要是钢的含碳量和合金元素的含量这两个方面。有研究表明，为了获得最高的弯曲抗力和疲劳极限以及合理的应力分布，钢的含碳量(指未渗碳前钢的原始含碳量)不能高于0.25%C。最近由于对材料内氧化机理的研究，人们认识到内氧化是影响渗碳零件寿命的一个重要因素，法国已把内氧化作为渗碳质量检验的一项内容。这里讲的内氧化是指在渗碳过程中，氧原子扩散到零件内部，与某些合金元素形成氧化物。易形成氧化物的合金元素有Mn、Cr、Ti、B等，难于形成氧化物的合金元素有Ni、Mo等。大家都已经了解，Cr、Ni共同使用能提高材料的综合性能[3]。

2.3稀土在渗碳钢上的应用

目前很多单位在研究稀土元素对渗碳钢组织和性能的影响。综合起来讲，稀土元素能细化奥氏体晶粒。

2.4真空渗碳

在真空炉中进行的渗碳是一种高温气体渗碳工艺，由于渗碳是在真空高温状态下进行，因此具有净化零件表面，金相组织均匀，消除渗碳过程中内氧化等优点，并且渗碳时间比一般渗碳时间缩短一半。

2.5离子渗碳

离子渗碳过程简述如下，零件在真空炉中被加热到920℃，然后导入丙烷或丙烯，并在零件上加以10KV/cm的电场，使炉内气体发生辉光放电，产生碳离子，碳离子向零件表面轰击引起碳原子向零件内部的扩散。离子渗碳具有渗碳速度快、渗碳质量易控制、不产生内氧化等优点。

2.6中温气体渗碳

为了减少零件的变形、延长设备的使用寿命、提高生产率，国内许多厂家研制并开始使用中温气体渗碳工艺。所谓的中温气体渗碳工艺是在催渗剂的作用，渗碳过程在860~900℃温度下完成。其工艺具有渗碳组织细小，淬火变形小、节约电能、延长设备使用寿命等优点。陕西机械学院研制成功的《微氮中温渗碳技术》已获国家专利。第二汽车制造厂模具分厂已把这项技术应用生产，收到了较好的经济效益[4]。其实稀土渗碳工艺也是中温渗碳技术。

3气体渗氮的发展现状

近年来，由于气体渗氮温度低、变形小、工序少等诸多优点，在精密齿轮的制造中，渗氮处理已逐渐取代了传统的气体渗碳淬火处理[5]。

现今发展起来的有快速深层渗氮工艺，在快速深层渗氮工艺利用稀土催渗，快速渗氮新技术包括表面预氧化，表面预变形，表面纳米化预处理，激光表面氮化及其他新技术。各种快速渗氮技术都能在一定程度上提高渗氮速度。渗氮优化工艺能在20h以内使渗氮层厚度达0.8mm，较普通渗氮时间缩短了2/3；若能将不同的优化渗氮工艺的方法与各种新技术相结合，那么一定能进一步缩短渗氮时间，增加渗氮层的厚度。若能进一步缩短深层渗氮的时间，那么将大大降低精密齿轮的加工成本，提高经济效益，为齿轮加工业的发展创造更广阔的前景[6-7]。4气体碳氮共渗发展现状

气体碳氮共渗是在20世纪60年代被大量研究，70年代得到广泛使用的一项传统热处理技术。该技术由于氮的渗入使钢的临界点(A1、A3)下移，可以适当降低淬火温度，提供了进一步减少淬火变形的可能。氮的渗入还使淬透性增加，所以除合金钢外，碳素钢也可以实施碳氮共渗及油淬处理，从而提高硬度和表面耐磨性,这两个特点也正是该技术被广泛应用的原因。

20世纪末到本世纪初以来，出现了一种预抽真空式碳氮共渗技术。从C、N 来源和使用渗剂方法来看，共渗机理、结果和气体碳氮共渗是一样的，渗剂中仍有含氧介质。渗层组织中仍有表面晶界氧化层，并无法杜绝。不过此法由于使用

了真空排气和密封技术，不仅工艺过程缩短，效率提高，渗剂使用量略有减少，而且晶界氧化层深度也有所减轻。

本世纪以来，H.Altena和F.Schrank介绍了往真空炉中通入丙烷、氨气的新技术来提高合金钢和非合金钢的表面硬度，借助真空中工艺过程的控制来影响金属表层碳、氮浓度及渗层的深度，说明了碳、氮渗入的过程和影响因素，报道了关于设备的构想。2004年日本专利公开，该专利提到的新技术特征：在真空炉内，工件被加热至渗碳温度，通入渗碳气体进行渗碳、扩散，然后降低温度，再向真空状态的炉内通入渗氮气体，进行渗氮。碳钢或表面硬化钢用这种新技术都可以得到要求的表面硬度、层深和韧性[8]。

5气体氮碳共渗的发展现状

气体氮碳共渗的应用范围仅次于气体渗碳。以日本为例，在日本工业中，氮碳共渗占了化学热处理市场总量的30%。随着应用范围的进一步扩广，气体氮碳共渗将进一步得到发展[9]。

5.1气体稀土氮碳共渗

稀土元素在化学热处理中的应用研究起始于80年代初期，但发展很快。稀土元素对气体氮碳共渗的影响80年代末、90年代初人们进行了大量的研究。研究结果表明:无论稀土化合物还是稀土单质当添加量适当时，对氮碳共渗有明显的催渗作用，可提高渗速30%左右，适量稀土能有效提高氮碳共渗后的硬度、耐磨性、冲击韧性和抗腐蚀性能。应用于自行车冷作模具，其使用寿命比常规氮碳共渗提高35%以上。

5.2气体铁素体合金化氮碳共渗

气体铁素体合金化氮碳共渗(简称合金化渗氮)是一种新的表面硬化技术。它在渗氮(碳)同时，使工件表面渗人所添加的元素(如Al、Cr、Ti和V等)其实它是低温金属元素一氮一(碳)共渗。合金化渗氮可形成高硬度(比常规气体氮碳共渗高l00～500HV)、低脆性(I级)和致密的渗层;渗速比气体氮碳共渗高10～20%。本技术解决了铁素体氮碳共渗后表面硬度不够高的问题。在合金化渗氮基础上西安理工大学又进行了室温形变合金化渗氮研究，结果表明:(l)室温形变使合金化渗氮层深度随形变量增加而增加，当形变量超过一定值(该值随材质而异)后，渗氮层探度随形变量增加而减小。(2)合金化渗氮硬度随形变量增加而增加。

5.3加压气体氮碳共渗

南昌航空工业学院试验研究了加压气体氮碳共渗的工艺特性，结果表明，铁素体氮碳共渗随着炉压的增加，渗层的表面硬度、化合物层和扩散层厚度均有所增加。奥氏体氮碳共渗采用加压脉冲工艺，在680℃工艺温度下，能将氨分解率控制在75%左右，容易实施以氨为渗剂的奥氏体氮碳共渗，并且加压奥氏体氮碳共渗后化合物层较致密，基本上无疏松[10]。