金屬材料先進化學熱處理技術及應用

黃周鋒

（陜西航空職業(yè)技術學院材料工程系 陜西 漢中 723102）

0 前言

化學熱處理是將工件置于特定的活性介質中加熱、保溫，使介質中一種或幾種活性原子滲入工件的表層，改變其表面的化學成分和組織，以達到改變表面性能，滿足技術要求的熱處理工藝。化學熱處理既改變工件表面的化學成分，又改變其組織，獲得單一材料難以獲得的性能或進一步提高工件的使用性能。通過一定的化學熱處理工藝可以提高滲層強度及耐磨性能，提高抗氧化、耐高溫性能，提高抗嚙合、抗擦傷性能，提高抗腐性能等。但是，由于化學熱處理滲劑有氣體、液體和固體，大部分溫度較高，熱處理生產形成的廢氣、廢水、廢鹽、劇毒物、粉塵、噪聲、電磁波都會對環(huán)境造成污染[1,2]。先進的化學熱處理技術是對環(huán)境沒有污染的技術，是在生產中做到少無污染、少無質量分散和畸變、少無浪費、少無氧化脫碳、少無廢品、少無人工的技術。因此，加強鋼鐵材料的先進化學熱處理技術推廣及應用對于熱處理生產的節(jié)能降耗，保護環(huán)境具有積極的意義[3]。

1 加速化學熱處理過程的催滲方法

加速化學熱處理過程的催滲方法就是要提高化學熱處理速度，降低化學熱處理溫度，較少化學熱處理時間，節(jié)約化學熱處理成本，提高化學熱處理效率，提高提高化學熱處理效益[4]。一是物理催滲法，利用改變溫度、氣壓，或利用特定的物理場（等離子場、真空、高頻、電磁場等），加速滲劑的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速滲入元素的擴散等。常用高溫化學熱處理，高壓或負壓化學熱處理，高頻化學熱處理，采用彈性振蕩加速。二是化學催滲法，主要有鹵化物催滲法、提高滲劑活性的催滲方法。在滲劑中加入一種或幾種化學試劑或物質，促進滲劑的分解，去除表面鈍化膜，改善工件表面活化狀態(tài)，提高滲劑活性和增加活性原子的濃度，從而提高滲入能力，改善滲層質量。

2 鋼鐵材料先進化學熱處理技術及應用

2.1 鋼鐵材料低溫快速滲碳或碳氮共滲技術

低溫快速滲碳或碳氮共滲技術是適用于低溫快速滲碳或碳氮共滲的節(jié)能新技術。該技術只需利用催滲劑進行適當?shù)墓に囌{整即可。低溫快速滲碳或碳氮共滲技術的核心是通過在滲碳氣氛中添加微量的催滲劑，使丙烷、丙酮、煤油等滲碳介質在氣氛中產生部分活性高的正四價的碳離子，在奧氏體中擴散阻力小、擴散速度快。可減少變形，減少產品晶粒粗化傾向，使本質粗晶粒鋼滲碳直接淬火后的馬氏體級別得到一定控制，顯著節(jié)約能量，合理利用價格便宜的本質粗晶粒鋼，提高零件的強度和韌性，進一步延長設備及其耐熱元件壽命。在同樣工藝溫度下，低溫快速滲碳或碳氮共滲技術可顯著減少工件在高溫階段的保持時間，防止氧化和脫碳，節(jié)約電費，提高生產效率，減少變形。低溫快速滲碳或碳氮共滲技術還可以提高滲碳或碳氮共滲氣氛中碳的活性，減少炭黑，延長氧探頭壽命。

2.2 鋼鐵材料表面金屬碳化物擴散覆層技術

金屬碳化物擴散覆層技術是在一定的處理溫度下將工件置于硼砂熔鹽及其特種介質中，通過特種熔鹽中的金屬原子和工件中的碳、氮原子產生化學反應，在工件表面擴散而形成一層幾微米至二十余微米的鈦、鈮、鉻、釩等金屬碳化物層[5]。目前在解決冷作模具磨損失效的應用其技術、品質、成本等綜合優(yōu)勢明顯。金屬碳化物擴散覆層適合于磨損失效、在常溫下工作的工件。由于模具表面硬度大大提高，全面解決磨損、拉毛等現(xiàn)象，同等工況下，使用壽命平均提高十倍以上。由于擴散覆層與基體冶金結合，表現(xiàn)出最優(yōu)異的抗剝離性，可反復處理，論工件形狀如何，都能形成均勻的被覆層，處理過程中模具變形較小；被擴散覆層后的表面粗糙度與處理前大致相同，若母材表面加工光滑，擴散覆層處理后可直接使用。

金屬碳化物擴散覆層技術是在工件表面形成TiC、NbC、VC等，使工件表面硬度可達HV 2200 HV～3600HV，光潔度可達Ra0.2，模具工件使用壽命大大提高，降低了模具的制作和維修費用，產品廢品率和次品率大幅降低，生產過程中不用經常拆裝、維修模具，勞動效率大幅提高。由于在部分沖壓加工工藝中可完全省去原用的磷化、皂化工序，生產過程更環(huán)保、更安全，生產現(xiàn)場更易于管理[6]。金屬碳化物擴散覆層可直接的應用以磨損失效的冷作模具、標件，沖壓、擠壓、冷鐓工藝中的成形、整形。

2.3 物理氣相沉積和化學氣相沉積技術

物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術。物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛，工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層與基體附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。物理氣相沉積廣泛用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業(yè)等領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導電、絕緣、光學、磁性、壓電、滑潤、超導等薄膜。化學氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。生產中將氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層。由于化學氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學、光學等特殊性能，已被廣泛用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業(yè)領域。

3 結束語

先進的熱處理技術應該是對環(huán)境沒有污染的技術，是盡量減小熱處理質量分散和熱處理畸變的技術，是節(jié)能的熱處理工藝技術，從零件的設計、材料的選擇、材料質量的保證、加工過程和工藝路線的確定，是嚴格的管理、先進的工藝、可靠的設備、精確的傳感器及精密控制的成套系統(tǒng)工程的技術，是實現(xiàn)無廢品生產的充分保證的技術，是科技含量高、經濟效益好、能源消耗低、環(huán)境污染少的可持續(xù)發(fā)展技術。

［1］于楊，解念鎖.先進表面工程技術及應用研究[J].科技創(chuàng)新導報，2009(31):78.

［2］王瑾.面向環(huán)境的產品設計制造及應用研究[J].機械管理開發(fā)，2011，26(1):59-60.

［3］解念鎖.環(huán)境材料在促進循環(huán)經濟發(fā)展中的作用[J].商場現(xiàn)代化，2006(15):177-178.

［4］廖波，肖福仁.熱處理節(jié)能與環(huán)保技術進展 [J].金屬熱處理，2009，34(1):1-5.

［5］武立志，解念鎖.Ti6Al4V鈦合金微弧氧化工藝研究[J].陜西理工學院學報：自然科學版，2011，27(2):1-4.

［6］王瑾.綠色制造技術在機械工業(yè)中的應用研究[J].商場現(xiàn)代化，2006(23):214-215.