1.化学热处理的概念

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它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。工件心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面防护技术所获得的心部、表面的结合要强得多。

2.化学热处理的分类

化学热处理的方法繁多，多以渗入元素或形成的化合物来命名，例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗，还有碳、氮、硫、氧、硼五元共渗及碳（氮）化钛覆盖等。

3.化学热处理的基本过程

化学热处理包括三个基本过程：化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程；被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。

（1）分解过程 化学渗剂是含有被渗元素的物质。被渗元素以分子状态存在，它必须分解为活性原子或离子才可能被钢件表面吸收及固溶，很难分解为活性原子或离子的物质不能作渗剂使用。例如，普通渗氮时不用氮而用氨，因为氨极易分解出活性氮原子。

根据化学反应热力学，分解反应产物的自由能必须低于反应物的自由能，分解反应才可能发生。但仅满足热力学条件是不够的，在实际生产中应用还必须考虑动力学条件，即反应速度；提高反应物的浓度和反应温度，虽然均可加速渗剂的分解，但受材料或工艺等因素的限制。在实际生产中，使用催化剂以降低反应过程的激活能，可使一个高激活能的单一反应过程变为有若干个低激活能的中间过渡性反应过程，从而加速分解反应。铁、镍、钴、铂等金属都是使氨或有机碳氢化合物分解的有效催化剂，所以钢件表面本身就是良好的催化剂，渗剂在钢件表面的分解速率比其单独存在时的分解速率可以提高好几倍。(www.daowen.com)

（2）吸收过程 工件表面对周围的气体分子、离子或活性原子具有吸附能力，这种表面的物理或化学作用称为固体吸附效应。

（3）扩散过程 渗入元素的活性原子或离子被钢件表面吸收和溶解，必然不断提高表面的被渗元素的浓度，形成心部与表面的浓度梯度。在心部、表面之间浓度梯度的驱动下，被渗原子将从表面向心部扩散。在固态晶体中原子的扩散速率远低于渗剂的分解和吸收过程的速率，所以扩散过程往往是化学热处理的主要控制因素，即强化扩散过程是强化化学热处理生产过程的主要方向。由扩散方程（见金属中的扩散）可知，提高温度、增大渗入元素在金属中的扩散常数、减小其扩散激活能的因素均可加速扩散过程。由于化学热处理的三个过程是相互联系的，在某些具体条件下分解与吸收两个过程也有可能成为主要控制因素。

4.化学热处理的基本工艺

化学热处理工艺包括渗剂的化学组成和配比、渗剂分解反应过程的控制和参数测定、渗入温度和时间、工件的准备、渗后的冷却规程及热处理、化学热处理后工件的清理以及装炉量等。无论何种化学热处理工艺，若按其渗剂在化学热处理炉内的物理状态分类，则可分为固体渗、气体渗、液体渗、膏糊体渗、液体电解渗、等离子体渗和气相沉积等工艺。

（1）固体渗 固体渗所用的渗剂是具有一定粒度的固态物质。它由供渗剂（如渗碳时的木炭）、催渗剂（如渗碳时的碳酸盐）及填料（如渗铝时的氧化铝粉）按一定配比组成。这种方法较简便，将工件埋入填满渗剂的铁箱内并密封，放入加热炉内加热保温至规定的时间即可，但质量不易控制，生产效率低。

（2）气体渗 气体渗所用渗剂的原始状态可以是气体，也可以是液体（如渗碳时将煤油滴入炉内），但在化学热处理炉内均为气态。气体渗所用渗剂要求易于分解为活性原子、经济、易于控制，无污染、渗层具有较好的性能。很多情况下可用其他气体（如氢、氮或惰性气体）将渗剂载入炉内，例如渗硼时可用氢气将渗剂BC₁₃或B₂H₆载入炉内。等离子体渗法是气体渗的新发展，即辉光离子气渗法，最早应用于渗氮，后来应用于渗碳、碳氮共渗、硫氮共渗等方面。气相沉积法也是气体渗的新发展，主要应用于不易在金属内扩散的元素（如钛、钒等），主要特点是气态原子沉积在钢件表面并与钢中的碳形成硬度极高的碳化物覆盖层，或与铁形成硼化物等。

（3）液体渗 液体渗的渗剂是熔融的盐类或其他化合物，它由供渗剂和中性盐组成。为了加速化学热处理过程的进行，附加电解装置后成为电解液体渗。在硼砂盐浴炉内渗金属的处理法是近年发展起来的工艺，主要应用于钛、铬、钒等碳化物形成元素的渗入。