化學(xué)熱處理是通過(guò)改變金屬和合金工件表層的化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理。
化學(xué)熱處理的工藝過(guò)程一般是：將工件置于含有特定介質(zhì)的容器中，加熱到適當(dāng)溫度后保溫，使容器中的介質(zhì)(滲劑)分解或電離，產(chǎn)生的能滲入元素的活性原子或離子，在保溫過(guò)程中不斷地被工件表面吸附，并向工件內(nèi)部擴(kuò)散滲入，以改變工件表層的化學(xué)成分。通常，在工件表層獲得高硬度、耐磨損和高強(qiáng)度的同時(shí)，心部仍保持良好的韌性，使被處理工件具有抗沖擊載荷的能力。
每一種化學(xué)熱處理工藝都各有其特點(diǎn)，如果需要分別或同時(shí)提高耐磨、減摩、抗咬死、耐蝕、抗高溫氧化和耐疲勞性能，則根據(jù)工件的材質(zhì)和工作條件選擇相應(yīng)的化學(xué)熱處理工藝。
化學(xué)熱處理是古老的工藝之一，在中國(guó)可上溯到西漢時(shí)期。已出土的西漢中山靖王劉勝的佩劍，表面含碳量達(dá)O.6～0.7%，而心部為O.15～O.4%，具有明顯的滲碳特征。明代宋應(yīng)星撰《天工開物》一書中，就記載有用豆豉、動(dòng)物骨炭等作為滲碳劑的軟鋼滲碳工藝。
明代方以智在《物理小識(shí)》“淬刀”一節(jié)中，還記載有“以醬同硝涂鏨口，煅赤淬火”。硝是含氮物質(zhì)，當(dāng)有一定的滲氮作用。這說(shuō)明滲碳、滲氮或碳氮共滲等化學(xué)熱處理工藝，早在古代就已被勞動(dòng)人民所掌握，并作為一種工藝廣泛用于兵器和農(nóng)具的制作。
隨著化學(xué)熱處理理論和工藝的逐步完善，自二十世紀(jì)初開始，化學(xué)熱處理已在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著機(jī)械制造和軍事工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的各種性能指標(biāo)也提出了越來(lái)越高的要求。除滲碳外，又研究和完善了滲氮、碳氮和氮碳共滲、滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硫、硫氮和硫氮碳共滲，以及其他多元共滲工藝。
電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，使化學(xué)熱處理過(guò)程的控制日臻完善，不僅生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，而且工藝參數(shù)和處理質(zhì)量也得到更加可靠的控制。
按滲入元素的性質(zhì)，化學(xué)熱處理可分為滲非金屬和滲金屬兩大類。前者包括滲碳、滲氮、滲硼和多種非金屬元素共滲，如碳氮共滲、氮碳共滲、硫氮共滲、硫氮碳(硫氰)共滲等；后者主要有滲鋁、滲鉻、滲鋅，鈦、鈮、鉭、釩、鎢等也是常用的表面合金化元素，二元、多元滲金屬工藝，如鋁鉻共滲、鉭鉻共滲等均已用于生產(chǎn)。此外，金屬與非金屬元素的二元或多元共滲工藝也不斷涌現(xiàn)，例如鋁硅共滲、硼鉻共滲等。
鋼鐵的化學(xué)熱處理可按進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)的基本組織，區(qū)分為鐵素體化學(xué)熱處理和奧氏體化學(xué)熱處理。前者的擴(kuò)散溫度低于鐵氮共析溫度，如滲氮、滲硫、硫氮共滲、氧氮共滲等，這些工藝又可稱為低溫化學(xué)熱處理；后者是在臨界溫度以上擴(kuò)散，如滲碳、滲硼、滲鋁、碳氮共滲等，這些工藝均屬高溫化學(xué)熱處理范圍。
滲碳是使碳原子滲入鋼制工件表層的化學(xué)熱處理工藝。滲碳后，工件表面含碳量一般高于0.8%。淬火并低溫回火后，在提高硬度和耐磨性的同時(shí)，心部能保持相當(dāng)高的韌性，可承受沖擊載荷，疲勞強(qiáng)度較高。但缺點(diǎn)是處理溫度高，工件畸變大。
滲碳工藝廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、機(jī)床等設(shè)備的重要零件中，如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應(yīng)用最廣、發(fā)展得最全面的化學(xué)熱處理工藝。用微處理機(jī)可實(shí)現(xiàn)滲碳全過(guò)程的自動(dòng)化，能控制表面含碳量和碳在滲層中的分布。
滲氮是使氮原子向金屬工件表層擴(kuò)散的化學(xué)熱處理工藝。鋼鐵滲氮后，可形成以氮化物為主的表層。當(dāng)鋼中含有鉻、鋁、鉬等氮化物時(shí)，可獲得比滲碳層更高的硬度、更高的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能。滲氮主要用于對(duì)精度、畸變量、疲勞強(qiáng)度和耐磨性要求都很高的工件，例如鏜床主軸、鏜桿，磨床主軸，氣缸套等。
碳氮共滲和氮碳共滲是在金屬工件表層同時(shí)滲入碳、氮兩種元素的化學(xué)熱處理工藝。前者以滲碳為主，與滲碳相比，共滲件淬冷的畸變小，耐磨和耐蝕性高，抗疲勞性能優(yōu)于滲碳，70年代以來(lái)，碳氮共滲工藝發(fā)展迅速，不僅可用在若干種汽車、拖拉機(jī)零件上，也比較廣泛地用于多種齒輪和軸類的表面強(qiáng)化；后者則以滲氮為主，它的主要特點(diǎn)是滲速較快，生產(chǎn)周期短，表面脆性小且對(duì)工件材質(zhì)的要求不嚴(yán)，不足之處是工件滲層較薄，不宜在高載荷下工作。
滲鵬是使硼原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。硼在鋼中的溶解度很小，主要是與鐵和鋼中某些合金元素形成硼化物。滲硼件的耐磨性高于滲氮和滲碳層，而且有較高的熱穩(wěn)定性和耐蝕性。滲硼層脆性較大，難以變形和加工，故工件應(yīng)在滲硼前精加工。這種工藝主要用于中碳鋼、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼零件，也用于鈦等有色金屬和合金的表面強(qiáng)化。
滲硼工藝已在承受磨損的磨具、受到磨粒磨損的石油鉆機(jī)的鉆頭、煤水泵零件、拖拉機(jī)履帶板、在腐蝕介質(zhì)或較高溫度條件下工作的閥桿、閥座等上獲得應(yīng)用。但滲硼工藝還存在處理溫度較高、畸變大、熔鹽滲硼件清洗較困難和滲層較脆等缺點(diǎn)。
滲硫是通過(guò)硫與金屬工件表面反應(yīng)而形成薄膜的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)過(guò)滲硫處理的工件，其硬度較低，但減摩作用良好，能防止摩擦副表面接觸時(shí)因摩擦熱和塑性變形而引起的擦傷和咬死。
硫氮共滲、硫氮碳共滲是將硫、氮或硫、氮、碳同時(shí)滲入金屬工件表層的化學(xué)熱處理工藝。采用滲硫工藝時(shí)，滲層減摩性好，但在載荷較高時(shí)滲層會(huì)很快破壞。采用滲氮或氮碳共滲工藝時(shí)，滲層有較好的耐磨、抗疲勞性能，但減摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共滲工藝，可使工件表層兼具耐磨和減摩等性能。
滲金屬是將一種或數(shù)種金屬元素，滲入金屬工件表層的化學(xué)熱處理工藝。金屬元素可同時(shí)或先后以不同方法滲入。在滲層中，它們大多以金屬間化合物的形式存在，能分別提高工件表層的耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等性能。常用的滲金屬工藝有滲鋁、滲鉻、滲鋅等。
化學(xué)熱處理的發(fā)展將著重于擴(kuò)大低溫化學(xué)熱處理的應(yīng)用；提高滲層質(zhì)量和加速化學(xué)熱處理過(guò)程；研制適應(yīng)常用化學(xué)熱處理工藝的專用鋼；發(fā)展無(wú)污染化學(xué)熱處理工藝和復(fù)合滲工藝；用計(jì)算機(jī)控制多種化學(xué)熱處理過(guò)程，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，研制各種介質(zhì)中適用的傳感器和外接儀表、設(shè)備等。 |
