化学热处理：改变工件性能的有效工艺

化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表层并向内扩散，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合性、抗氧化性等性能。化学热处理就是利用化学反应和物理冶金相结合的方法改变金属材料表面的化学成分和组织结构，从而使材料表面获得某种性能的工艺过程。目前使用最多的工艺是渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、TD处理法等。

任何化学热处理通常都是由以下基本过程组成：

①在一定温度下介质中各组分发生化学反应或蒸发，形成渗入元素的活性组分。

②活性组分在工件表层向内扩散，反应产物离开界面向外逸散。

③活性组分与工件表面碰撞，产生物理吸附或化学吸附，溶入或形成化合物，其他产物解析离开。

④被吸附并溶入渗入元素向工件内部扩散，当渗入元素的浓度超过基体金属的固溶度时，发生反应扩散，产生新相。

1）渗碳

渗碳是将工件放入含有活性碳原子的介质中，进行加热、保温，使碳原子渗入工件表面，使工件在保持心部高韧性的条件下获得高硬度的表面层，从而提高模具的耐磨性和疲劳强度的热处理工艺。主要用于低碳钢和低碳合金钢制造模具零部件的表面强化。常用的渗碳温度为900～930℃。常用的渗碳方法有：在以木炭为主的渗碳剂量中加热的固体渗碳方法；在以NaCl为主要成分的熔盐中加热的液体渗碳方法；在渗碳性介质气体中加热的气体渗碳方法等。

最常用的是气体渗碳方法，如图2-6所示为气体渗碳示意图，将工件置于密封的渗碳炉中，滴入易于热分解和汽化的液体（如煤油、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气等），加热到渗碳温度，上述液体或气体在高温下分解形成渗碳气氛，活性碳原子被工件表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向工件内部扩散，形成一定深度的渗碳层。

图2-6　气体渗碳示意图

气体渗碳生产率高、操作方便，渗碳层质量容易控制，渗碳后可以直接淬火，应用范围广泛，可用于成批生产，但是操作时间长；液体渗碳操作简单，加热速度快，渗碳时间短，可以直接淬火，适用于批量生产，但多数渗剂有毒，工件表面粘有残盐，需要清洗；固体渗碳时间长，劳动条件差，渗层质量不好控制，但对热加炉要求不高，适用于小批量生产。

渗碳技术主要应用与同时承受严重磨损和较大冲击载荷的模具，在冷作模具、热作模具、塑料模具及模架零件上都可起到提高模具使用寿命的作用。例如，汽车软管凸模，原用Cr12MoV钢制造，硬度为58～62 HRC，因模具承受很大的冲击载荷，寿命不足2 000件就会产生断裂失效，后凸模材料改用20Cr钢，经渗碳处理后，渗层深1.0～1.2 mm，硬度为60～62 HRC，寿命提高到了3万件。

2）渗氮

渗氮是指于一定温度下在含有活性氮的介质中使氮原子渗入工件表面并向内扩散，形成氮化物层，以提高模具表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗咬合性等的化学热处理技术。常用的渗氮工艺有：在含氮气氛中加热的气体渗氮；真空炉中的离子渗氮；在以NaCl为主要成分的盐浴中加热的盐浴渗氮；电解催渗渗氮。

为了使渗氮有较好的效果，模具材料应选择含有Al，Cr，Mo等合金元素的钢种，以便渗氮后形成坚硬耐磨的氮化物，如AlN，CrN，MoN，使渗氮后工件表面有很高的硬度和耐磨性。

气体渗氮是采用氨气作为渗氮介质进行的渗氮处理，渗氮温度为500～750℃。气体渗氮适用于要求表面硬度高、耐磨性好、热处理变形小及精度高的零件，如精密机床主轴等。其缺点是渗氮速度慢，例如，要获得0.2～0.5 mm的氮化层，一般需要20～50 h。

离子渗氮是在真空室内利用含氮的稀薄气体的辉光放电现象进行氮化处理，如图2-7所示为离子渗氮装置示意图，将渗氮的工件放在密封的真空容器内加热到350～570℃，真空度为2.6 Pa，再充入一定比例的氮、氢混合气体或氨气，气压在70 Pa左右，以工件为阴极，在真空容器内相对一定的距离设置阳极，在两极加以400～1 000 V的直流电压，使之产生辉光放电，根据渗氮温度的不同，电流密度一般为0.5～3 mA／cm2。在高压电场作用下气体介质发生电离，产生高能离子，并以极高的速度轰击工件表面，使氮离子转换为氮原子渗入工件表面，再经过扩散形成渗氮层。

图2-7　离子渗氮装置示意图

与气体渗氮相比，离子渗氮层的韧性和抗疲劳强度显著提高，并且渗氮速度快，获得同样厚度的渗氮层只需要气体渗氮时间的4／1～1／2；工件变形小，对材料的适应性强，各种钢材、铸铁和有色合金都能进行离子渗氮。

渗氮常用于受冲击作用较小的热锻模、冷挤压模、压铸模和冲模等的表面处理，以提高其耐蚀性、耐磨性、抗热疲劳性、抗黏附性等性能及提高模具的使用寿命。(www.xing528.com)

3）碳氮共渗

碳氮共渗是指在一定温度下，使工件表面同时渗入碳原子和氮原子的热处理工艺。其目的是在保持心部高韧性的条件下获得高硬度的表面层。碳氮共渗层不仅比渗碳层具有较高的耐磨性，而且有较高的耐蚀性、疲劳强度和抗压强度。此外，碳氮共渗还具有热处理变形小，生产周期短等特点。

碳氮共渗工件的组织和性能主要取决于共渗温度，按照温度的不同，可分为高温（900～930℃）、中温（750～880℃）及低温（500～700℃）碳氮共渗3种。高温碳氮共渗以渗碳为主，应用较少。中温碳氮共渗以渗碳为主，目的是提高工件表面的硬度和耐磨性。与渗碳相比，具有加热温度低，时间短，工件变形小，渗碳层有较高的耐磨性、抗疲劳强度和抗压强度，有一定的抗蚀能力等优点。低温碳氮共渗以渗氮为主，即软氮化，其共渗温度为520～570℃，时间为2～4 h，共渗层深度为0.02～0.06 mm，比渗氮有较高的抗压强度和较低的表面脆性。

碳氮共渗适用于基体具有良好韧性且表面硬度高、抗黏着性好、耐磨性好的模具，如塑料模具及冲裁模的凸模和凹模等。例如，柴油机壳体拉深凹模采用球墨铸铁QT600-3制造，碳氮共渗后，凹模表面硬度为760～850 HV，因为有石墨并存，所以既有良好的耐磨性，又有良好的润滑和减摩擦作用，可使模具的黏着磨损减少到最低程度，从而可大大提高模具使用寿命。

4）渗硼

渗硼是指将工件置于含硼的介质中，经过加热和保温，在工件表面渗入硼元素，形成FeB和Fe2B化和层的化学热处理工艺。渗硼层具有极高的表面硬度（1 500～2 000 HV）、耐磨性（远高于其他表面硬化层）、热硬性（900～950℃）以及在盐酸、硫酸及碱中的高耐蚀性。

渗硼温度在900～1 050℃，之后需要进行淬火，以提高模具心部强度，避免渗层在使用过程中压碎剥落。渗硼是模具制造行业常用的一种高温化学热处理工艺，适用于钢、铸铁及硬质合金等材料，在冷、热作模具上效果很好。采用中碳钢渗硼取代价格昂贵的高合金钢制造模具，也可以明显地提高经济效益。模具渗硼的缺点是渗层脆性高，淬火时易产生裂纹，因此，最好是渗硼温度与钢的淬火温度接近，渗硼与淬火相结合进行。渗硼钢的硬度、耐磨性、耐热性和耐蚀性均高于渗碳钢和渗氮钢，是一种提高模具寿命的有效方法。由于渗硼层脆性大、较薄，因此，渗硼不适用于承载大的冲击、承受接触疲劳及形状复杂、尺寸精度要求高的工件。

常用的渗硼工艺有固体渗硼、盐浴渗硼、气体渗硼和电解渗硼等，其中，气体渗硼和电解渗硼在工业上较少使用。固体渗硼的处理温度为800～950℃，保温时间为2～6 h，优点是设备简单、操作方便、工件表面易清洗，应用较为广泛。盐浴渗硼的处理温度一般为950～1 000℃，时间一般不超过6 h，否则渗层变脆。设备较简单，操作也方便，但不易清洗，故不宜用于带小孔、不通孔的模具。

5）TD处理法

TD处理法是指将含有碳元素的被处理工件浸入高温盐浴（如硼砂浴）中，碳元素和加在盐浴中的金属元素钒、铌、铬等形成碳化物层，并覆盖在被处理工件表面。如图2-8所示为TD处理法用盐浴炉示意图，有直接加热和间接加热两种。将放入耐热钢坩埚的硼砂熔融后，若欲镀覆某种碳化物，可向硼砂浴中相应添加能形成该种碳化物的物质，如镀覆VC薄膜，则在硼砂浴中加入Fe-V合金粉末或V2 O5金属氧化物合金粉末；镀覆NbC则在硼砂浴中加入Fe-Nb，Nb2O5合金粉末或金属氧化物粉末。

图2-8　TD处理法用盐浴炉示意图

熔盐浸镀的金属碳化物层具有极高的硬度，如VC的硬度约为3 000 HV，NbC的硬度约为2 500 HV，在800℃温度下也能保持硬度在800 HV以上，并且它们的摩擦系数较小，因此，其耐磨性明显高于渗氮、渗硼等表面处理，与硬质合金的耐磨性相比，甚至更好。碳化物层的热稳定性高，抗热黏结和抗咬合性能优良，还有良好的耐蚀性，能抵抗Al，Zn合金液的侵蚀。经熔盐浸镀法处理得到的碳化物层并不降低材料的韧性，反而有良好的抗剥落性。

TD处理法设备简单，操作方便，成本低，且形成碳化物覆盖、层均匀，不受模具形状的影响；处理后，表面粗糙度不降低，熔盐的使用寿命长，覆层磨损后即可重新处理，使用材料广泛，并且能通过淬火使基体强化。

（1）盐浴渗钒

盐浴渗钒是指在中、高碳钢或合金钢模具表面被覆碳化钒层的过程，主要目的是提高模具的耐磨性和抗黏着性能。模具渗钒温度为850～1 200℃，渗钒时间为2～6 h，渗钒碳化物层厚4～16μm。盐浴渗钒可用于冲裁模、弯曲挤压拉深冷镦模等各种冷作模具，使用寿命与渗氮处理的模具相比，可提高几倍至几十倍。

冷镦M20六角螺母用的凹模，经渗钒后使用寿命为15万件，比常规热处理的模具使用寿命提高9倍，比盐浴渗硼的寿命高0.5倍，且无剥落和起皮现象发生。拉延汽车发动机油粗过滤器外壳的凹模，用Cr12MoV钢制造，采用1 050℃油淬，520℃回火3次，寿命为20～30件，采用盐浴渗钒处理后，寿命至少在130件以上，未出现拉毛现象。

（2）盐浴渗铌

模具在沙硼盐浴中渗铌后，表面获得很高的硬度。主要目的是提高模具的抗磨损性、抗咬合性、耐氧化性和抗热疲劳性能。模具渗铌温度一般在900～1 050℃为宜，渗铌的保温时间，根据不同的材料和深层厚度要求，一般为4～10 h。盐浴渗铌主要用于冲模、成形模、粉末冶金成形模等模具，可以使模具寿命提高几倍至几十倍。例如，Cr12钢制冷冲模具盐浴渗铌后，寿命比常规处理提高5～10倍以上。

（3）盐浴渗铬

中、高碳钢或中、高碳合金钢模具渗铬后，表面可形成厚度为0.01～0.04 mm的铬碳化物层，其硬度为1 300～1 800 HV，具有良好的耐蚀性、耐磨性、耐热疲劳性和抗氧化性。盐浴渗铬温度为950～1 050℃，保温时间为4～6 h。

盐浴渗铬对在高温下工作或承受磨损的模具有显著效果，适用于锤锻模、压铸模、塑料模、拉深模等冷、热作模具。例如，用H13钢制造铝型材热挤压模，经盐浴渗铬后，在表面形成5～6μm的铬碳化物层，与渗氮后相比，模具寿命提高50%以上，铝型材表面的粗糙度也比渗氮的低。T8A钢制罩壳拉深模，经常规处理后，每拉深100～200件需要修模一次，总寿命为1 500件，经盐浴渗铬处理后，可拉深1 000件以上再修模，总寿命可达10 000万件。