金属材料先进化学热处理技术及应用

黄周锋

（陕西航空职业技术学院材料工程系 陕西 汉中 723102）

0 前言

化学热处理是将工件置于特定的活性介质中加热、保温，使介质中一种或几种活性原子渗入工件的表层，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。化学热处理既改变工件表面的化学成分，又改变其组织，获得单一材料难以获得的性能或进一步提高工件的使用性能。通过一定的化学热处理工艺可以提高渗层强度及耐磨性能，提高抗氧化、耐高温性能，提高抗啮合、抗擦伤性能，提高抗腐性能等。但是，由于化学热处理渗剂有气体、液体和固体，大部分温度较高，热处理生产形成的废气、废水、废盐、剧毒物、粉尘、噪声、电磁波都会对环境造成污染[1,2]。先进的化学热处理技术是对环境没有污染的技术，是在生产中做到少无污染、少无质量分散和畸变、少无浪费、少无氧化脱碳、少无废品、少无人工的技术。因此，加强钢铁材料的先进化学热处理技术推广及应用对于热处理生产的节能降耗，保护环境具有积极的意义[3]。

1 加速化学热处理过程的催渗方法

加速化学热处理过程的催渗方法就是要提高化学热处理速度，降低化学热处理温度，较少化学热处理时间，节约化学热处理成本，提高化学热处理效率，提高提高化学热处理效益[4]。一是物理催渗法，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，加速渗入元素的扩散等。常用高温化学热处理，高压或负压化学热处理，高频化学热处理，采用弹性振荡加速。二是化学催渗法，主要有卤化物催渗法、提高渗剂活性的催渗方法。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，提高渗剂活性和增加活性原子的浓度，从而提高渗入能力，改善渗层质量。

2 钢铁材料先进化学热处理技术及应用

2.1 钢铁材料低温快速渗碳或碳氮共渗技术

低温快速渗碳或碳氮共渗技术是适用于低温快速渗碳或碳氮共渗的节能新技术。该技术只需利用催渗剂进行适当的工艺调整即可。低温快速渗碳或碳氮共渗技术的核心是通过在渗碳气氛中添加微量的催渗剂，使丙烷、丙酮、煤油等渗碳介质在气氛中产生部分活性高的正四价的碳离子，在奥氏体中扩散阻力小、扩散速度快。可减少变形，减少产品晶粒粗化倾向，使本质粗晶粒钢渗碳直接淬火后的马氏体级别得到一定控制，显著节约能量，合理利用价格便宜的本质粗晶粒钢，提高零件的强度和韧性，进一步延长设备及其耐热元件寿命。在同样工艺温度下，低温快速渗碳或碳氮共渗技术可显著减少工件在高温阶段的保持时间，防止氧化和脱碳，节约电费，提高生产效率，减少变形。低温快速渗碳或碳氮共渗技术还可以提高渗碳或碳氮共渗气氛中碳的活性，减少炭黑，延长氧探头寿命。

2.2 钢铁材料表面金属碳化物扩散覆层技术

金属碳化物扩散覆层技术是在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳、氮原子产生化学反应，在工件表面扩散而形成一层几微米至二十余微米的钛、铌、铬、钒等金属碳化物层[5]。目前在解决冷作模具磨损失效的应用其技术、品质、成本等综合优势明显。金属碳化物扩散覆层适合于磨损失效、在常温下工作的工件。由于模具表面硬度大大提高，全面解决磨损、拉毛等现象，同等工况下，使用寿命平均提高十倍以上。由于扩散覆层与基体冶金结合，表现出最优异的抗剥离性，可反复处理，论工件形状如何，都能形成均匀的被覆层，处理过程中模具变形较小；被扩散覆层后的表面粗糙度与处理前大致相同，若母材表面加工光滑，扩散覆层处理后可直接使用。

金属碳化物扩散覆层技术是在工件表面形成TiC、NbC、VC等，使工件表面硬度可达HV 2200 HV～3600HV，光洁度可达Ra0.2，模具工件使用寿命大大提高，降低了模具的制作和维修费用，产品废品率和次品率大幅降低，生产过程中不用经常拆装、维修模具，劳动效率大幅提高。由于在部分冲压加工工艺中可完全省去原用的磷化、皂化工序，生产过程更环保、更安全，生产现场更易于管理[6]。金属碳化物扩散覆层可直接的应用以磨损失效的冷作模具、标件，冲压、挤压、冷镦工艺中的成形、整形。

2.3 物理气相沉积和化学气相沉积技术

物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛，工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层与基体附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。物理气相沉积广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。生产中将气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。

3 结束语

先进的热处理技术应该是对环境没有污染的技术，是尽量减小热处理质量分散和热处理畸变的技术，是节能的热处理工艺技术，从零件的设计、材料的选择、材料质量的保证、加工过程和工艺路线的确定，是严格的管理、先进的工艺、可靠的设备、精确的传感器及精密控制的成套系统工程的技术，是实现无废品生产的充分保证的技术，是科技含量高、经济效益好、能源消耗低、环境污染少的可持续发展技术。

［1］于杨，解念锁.先进表面工程技术及应用研究[J].科技创新导报，2009(31):78.

［2］王瑾.面向环境的产品设计制造及应用研究[J].机械管理开发，2011，26(1):59-60.

［3］解念锁.环境材料在促进循环经济发展中的作用[J].商场现代化，2006(15):177-178.

［4］廖波，肖福仁.热处理节能与环保技术进展 [J].金属热处理，2009，34(1):1-5.

［5］武立志，解念锁.Ti6Al4V钛合金微弧氧化工艺研究[J].陕西理工学院学报：自然科学版，2011，27(2):1-4.

［6］王瑾.绿色制造技术在机械工业中的应用研究[J].商场现代化，2006(23):214-215.