基本介紹
- 中文名：化學處理
- 外文名：chemical processing
- 目的：等提高工件表面硬度、耐磨性
- 反應過程：分解、吸附、擴散
簡介,基本原理,化學熱處理分類,
簡介
化學處理是將工件置於活性介質中加熱和保溫，使介質中活性原子滲入工件表層，以改變其表面層的化學成分、組織結構和性能的熱處理工藝。根據滲入元素類別的不同，化學熱處理分為滲碳、氮化和碳氮共滲等。
化學處理的主要目的是提高工件表面硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞極限。
基本原理
化學熱處理過程可分為分解、吸附和擴散三個連續階段。
1、分解
分解是指滲劑中生成能滲人鋼表面的活性原子的化學反應，活性原子可能通過下面的三種反應生成：
分解反應：如2NH3→2[N]+3H2
置換反應：如SiCl4+2Fe→2FeCl2+[Si]。
還原反應：如2BF2→BF4+[B]
單純的分解反應要求的溫度高。化學熱處理時，通常是利用置換反應和還原反應。化學反應速度除取決於反應物的本性外，還與溫度、壓力.濃度、催化劑有關。一般增加濃度和升高溫度，能增加反應速度。反應活化能的減少，能顯著地增加反應速度。添加催化劑可以降低活化能，從而使反應速度劇增。以滲氮時的氨分解為例，無催化劑時，活化能約為380000J/mo1。鐵為催化劑時，活化能降低到163410J/mol，反應速度可增加很多。
2、吸附
吸附是活性原子（或離子）與金屬原子產生鍵合而進人表層的過程。一切固體都能或多或少地把周圍介質中的分子、原子或離子吸附到自己的表面上來。金屬表面原子的結合鍵比內部原子少，存在著指向空間的剩餘引力。當周圍介質中的分子、原子或離子碰撞到固體表面時,便被其吸收，並降低其表面能。粗糙的表面比平滑的表面吸附作用強，晶界比晶內吸附作用強。
固體表面的吸附作用，按作用力性質可分為物理吸附與化學吸附。物理吸附是靠吸附劑與被吸附分子間的吸引力。物理吸附不需要活化能，一般無選擇性，任何固體都能吸附任何氣體，並且大多為多分子層，只是吸附力的強弱隨固體和氣體的性質不同而異。化學吸附是靠吸附劑與被吸附粒子之間的類似化學鍵的結合力，具有化學反應的特徵。化學吸附需要一定的活化能。金屬對氣體吸附的活化能一般小於41808J/mol，比化學反應的活化能小。化學吸附具有明顯的選擇性，並且只能是單分子層。化學吸附速度小，且隨溫度升高而增大。
3、擴散
擴散就是工件表面吸附活性原子（或離子）後,其表面濃度的提高形成濃度梯度，創造了擴散條件，使滲入元素向其內部遷移形成一定厚度擴散層的過程。晶體結構對擴散係數影響較大。碳在奧氏體中擴散激活能比在鐵素體中要大，這與面心立方結構奧氏體的緻密度大有關。
化學熱處理分類
化學熱處理的種類及工藝方法很多,隨著對工件表面性能要求的提高,原有合金化體系和處理方式已不能完全滿足不同工況下工藝條件的要求，多元共滲、複合處理等工藝方法的套用面越來越大。
近年來，各種新的技術手段不斷湧現，為化學熱處理提供了新的能源，出現了一些特殊的化學熱處理種類（如雷射束化學熱處理、電子束化學熱處理等），並開始得到工業套用。因此，要對化學熱處理進行嚴格的分類是很困難的，分類標準也很多，只能進行粗略的劃分。下面介紹兩種常見的分類方法。
根據介質的物理形態，化學熱處理可分為：
1、固體法。包括粉末填充法、膏劑塗覆法、電熱旋流法、覆蓋層（電鍍層、噴鍍層等）擴散法等。
2、液體法。包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。
3、氣體法。包括固體氣體法、間接氣體法、流動粒子爐法等。
4、等離子法。
根據鋼鐵基體材料在進行化學熱處理時的組織狀態，化學熱處理工藝可分為：
1、滲碳
滲碳是在增碳活性介質申將低碳鋼或低碳合金鋼加熱並保溫，使碳原子滲入表層的化學熱處理工藝。其目的是增加工件表層的碳含量，獲得一定的碳濃度梯度。滲碳是最古老、套用最廣泛的化學熱處理工藝。與其他化學熱處理一樣，滲碳處理包括碳原子的分解、吸收和擴散三個基本過程。在滲碳溫度下，滲碳劑將發生分解，產生活性高、滲入能力很強的活性碳原子[c]；活性碳原子在工件表面被吸收，形成固溶體或化合物。當工件表面的碳濃度達到一定值後，碳原子從表面的高濃度區向裡層的低濃度區擴散。
2、滲氮
滲氮又稱氮化，是將工件放在含氮介質中，加熱到480～600℃的溫度，使氮原子滲入其表面，形成以氮化物為主的滲層。
滲氮可以獲得比滲碳更高的表面硬度和耐磨性，滲氮後的表面硬度可以高達950～1200HV（相當於65～72HRC）無需再進行熱處理，而且到600℃仍可維持相當高的硬度。滲氮還可獲得比滲碳更高的彎曲疲勞強度。此外．由於滲氮溫度較低，故變形小。滲氮也可以提高工件的耐蝕性．因此除碳鋼外．其他難熔金屬（如鈦、鉬等）及合金也廣泛採用滲氮。但是滲氮工藝過程較長、勞動條件差、滲層較薄、不能承受太大的接觸應力。
3、碳氮共滲
碳氮共滲是指在一定溫度下，同時將碳、氮滲入工件表面奧氏體中，並以滲碳為主的化學熱處理工藝。碳氮共滲層比滲碳有更高的耐磨性、疲勞強度和耐蝕性；比滲氮有較高的抗壓強度和較低的表面脆性，而且其生產周期短、滲速快、所用材料廣泛。
碳氮共滲按所使用介質的不同可分為固體碳氮共滲、液體碳氮共滲和氣體碳氮共滲。固體碳氮共滲與固體滲碳相似，常用的滲劑成分為質量分數30～40%的黃血鹽，10%的碳酸鹽和50%～60%的木炭，這種方法生產率低、能耗大、勞動條件差。目前生產上已很少使用。液體碳氮共滲主要以氰鹽為滲劑，故又稱氰化。但由於所用氰鹽為劇毒物質，易造成公害，有被淘汰的趨勢。氣體碳氮共滲表面質量容易控制，操作簡便，生產過程易於實現機械化與自動化，目前套用廣泛。
