而化学热处理则是利用固态扩散使其他元素渗入金属工件表面的热处理工艺。采用化学热处理方法可以有效地满足上述对提高模具寿命的不同要求。化学热处理是将工件放在含有渗入元素的活性介质中，加热一定温度后进行保温，使渗入元素被吸附并扩散渗入到工件表面。无论哪种元素的化学热处理，都包括分解、吸收、扩散三个基本过程。渗碳层深度通常是在0.5～2mm之间，其波动范围不应大于0.5mm。......
2023-06-26
化学热处理基本过程简介
【摘要】：化学热处理通常可分为分解、吸收和扩散三个基本过程，三个过程是互相联系而又互相制约的。实际上化学热处理过程中，渗剂的分解过程往往不只是发生一种化学反应，而是几种化学反应连续或交叉发生。这种情况也说明了化学热处理要在加热条件下进行，加热可使原子获得活力，如果温度低于某个限度，原子将失去活力而不能进入钢中。整个化学热处理过程的速度受扩散速度所控制。
化学热处理通常可分为分解、吸收和扩散三个基本过程，三个过程是互相联系而又互相制约的。
1.渗剂的分解过程
进行化学热处理时，渗剂分解而提供活性原子，其主要化学反应有如下三种：
1）分解反应：
CH4→2H2+[C]
2CO→CO2+[C]
2NH3→3H2+2[N]
2）置换反应：
CrCl2+Fe→FeCl2+[Cr]
AlCl3+Fe→FeCl3+[Al]
3）还原反应：
CrCl2+H2→2HCl+[Cr]
SiCl3+2H2→4HCl+2[Si]
式中[C]、[N]、[Cr]、[Si]等分别表示渗入元素的活性原子。
实际上化学热处理过程中，渗剂的分解过程往往不只是发生一种化学反应，而是几种化学反应连续或交叉发生。因此，化学热处理过程是比较复杂的过程。影响这个过程的主要因素有：加热温度、气氛的总压力及渗剂组元的分压。使用不同渗剂时，温度对其分解过程的影响是不一致的。
2.活性原子的吸收过程
吸收过程就是活性原子由钢的表面进入铁的晶格的过程。钢表面上存在大量的位错、晶界等缺陷，为活性原子的渗入提供了通道。
渗碳吸收过程的表面吸收反应的机理有两种不同的解释：一种是先形成化合物——渗碳体的薄层，又瞬时分解，使碳溶于奥氏体中；另一种解释是析出的碳原子直接溶入奥氏体中，达到饱和时才形成化合物。后一种解释为多数人所接受。但这并不排除钢中有强碳化物形成元素时，碳与合金元素直接形成合金碳化物的可能性。
碳在铁素体中的溶解量几乎为零，但渗氮时的情况却不一样，由于氮原子能够被铁素体所吸收，因而不必将工件加热到高温。
这种情况也说明了化学热处理要在加热条件下进行，加热可使原子获得活力，如果温度低于某个限度，原子将失去活力而不能进入钢中。如果表面上存在污垢、锈斑、活性炭或吸附着有害杂质，都会阻碍吸收过程的进行。
碳、氮、硼等原子半径较小，是以间隙方式进入铁原子晶格的；而铝、硅、铬等原子半径较大，是以置换方式进入铁原子晶格的。
影响吸收过程的因素有：加热温度、介质的分解速度（气氛总压力）、钢的成分及表面状态、表面能、渗入元素的性质及扩散速度等。碳在奥氏体中的溶解度随温度升高而增加，所以升高温度有利于对碳原子的吸收，渗氮时的情况与此相反。
3.渗入原子的扩散过程
钢的表面吸收活性原子后，被吸收的原子起初都堆积在工件的表面，形成表面与次表面浓度差。随着加热时间的延长，渗入原子就会由表面高浓度区向次表面的低浓度区扩散。扩散过程进行的结果是得到渗入原子的扩散层。这个过程是自发进行的，因为当渗入原子趋向于均匀分布时，自由能会随之降低。
由于原子的扩散是在固态下进行，速度异常缓慢，为获得一定深度的扩散层，往往要在规定温度下作长时间加热。整个化学热处理过程的速度受扩散速度所控制。
因此，影响原子扩散过程的主要因素有：加热温度、浓度差的大小、加热时间、扩散元素的特性（元素的活度）、工件的化学成分、基体金属的晶格类型等。一般情况下，提高温度将使渗入原子的扩散过程加快。
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