化学热处理实用技术

热处理是绝大多数机械零部件都要进行的表面处理工艺之一。表面热处理主要是通过渗入各种元素，使材料的硬度以及其他的性能得以提高。某些零件，如常用的一些轴类零件和齿轮，经过表面热处理，硬度可以提高一倍以上，实用寿命可以提高2倍以上。本书是由山东大学知名教授编写，汇集了数十年的教学和科研经验，尤其是涵盖作者参与解决了大量企业遇到的实际困难的案例，便于一线技术人员参考。

化学热处理技术属于表面工程技术范畴，涉及多种学科领域，是一项既充满活力、又不断发展的基础工艺技术。化学热处理技术在汽车、机床等机械产品热处理中所占比重较大，内容最为丰富，对机械产品寿命的影响也最为显著。化学热处理技术是提高机械零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗疲劳强度等力学性能的重要方法。随着可持续发展战略的深入实施，对产品质量、服役寿命要求的不断提高，化学热处理技术对节能、节材、保护环境、促进社会可持续发展发挥着重要作用，它已成为从事制造业产品设计、生产、维修、再制造工程技术人员的必备知识。
本书为化学热处理技术方面的实用图书，在简述化学热处理基本概念、基本过程、提高化学热处理过程速率和质量途径的基础上， 剖析了高温化学热处理（渗碳、碳氮共渗、渗硼、渗金属等）、低温化学热处理（渗氮、氮碳共渗、渗硫、渗锌等）、多元共渗以及复合处理的工艺特点，以及应用实例等。在编写过程中，力求理论联系实际、图文并茂、深入浅出、简明实用，突出新技术、新工艺的应用，以满足广大机械工业生产一线科技工作者、技术和管理人员的需要。
本书由齐宝森、王忠诚主编，参加编写工作的还有王新峰、李静等。
本书在编写过程中，参考和引用了国内外同行的文献和资料，收集了大量宝贵的应用实例和技术资料，谨向有关人员表示最诚挚的谢意！
由于编者水平有限，不妥和疏漏之处，敬请广大读者斧正。

编者
2020年3月

齐宝森，山东大学（已经退休），教授，博士生导师，主要从事机械工程材料、材料科学基础、表面工程课程以及新型材料选修课程的教学工作，科研方面主要从事金属材料的表面工程及化学热处理。曾经出版过《化学热处理技术》《齿轮热处理200例》《复合热处理技术与经典案例》等著作。

《化学热处理实用技术》在简述化学热处理基本概念、基本过程、提高化学热处理过程速率和质量途径的基础上,剖析了高温化学热处理(渗碳、碳氮共渗、渗硼、渗金属等)、低温化学热处理(渗氮、氮碳共渗、渗硫、渗锌等)、多元共渗以及复合处理的工艺特点,以及应用实例等。
全书知识性与实用性并重,强化对新技术、新工艺的说明,侧重于结合生产实际应用及实例来进一步强化基础知识,以满足现实生产及其快速发展的实际需要。
本书主要适用于机械类各专业特别是热处理行业的工程技术人员、管理人员及高级技术工人,同时也可供相关专业的在校师生参考。

第1 章　化学热处理概论1
1.1　有关化学热处理的基本概念                       1
1.1.1　化学热处理的定义及主要特征                    1
1.1.2　化学热处理的分类                         1
1.1.3　化学热处理的特点                         2
1.1.4　化学热处理的目的                         3
1.2　化学热处理的基本过程和条件                      4
1.2.1　化学热处理的基本过程                       4
1.2.2　化学热处理的条件                         5
1.3　化学热处理技术的新发展                        5
1.3.1　采用新工艺，不断优化化学热处理技术                5
1.3.2　稀土元素在化学热处理中的作用                   6
1.3.3　化学催渗在化学热处理中的作用                   6
1.3.4　物理催渗在化学热处理中的作用                   7
1.3.5　表面工程与化学热处理复合处理技术的应用和发展           13
1.3.6　金属表面自纳米化对化学热处理过程的影响              13
1.3.7　化学热处理过程的计算机模拟与智能化                15
1.3.8　化学热处理发展的总目标与发展趋势                 15

第2 章　渗碳工艺及其应用17
2.1　概述                                 17
2.1.1　渗碳工艺特点及对渗碳层的技术要求                 17
2.1.2　渗碳层的测定                           20
2.1.3　渗碳用钢及渗碳前的预备热处理                   22
2.1.4　渗碳介质与碳势控制                        26
2.1.5　渗碳后的热处理与渗碳层的组织、性能               29
2.2　气体渗碳工艺及应用                          34
2.2.1　气体渗碳工艺参数                         34
2.2.2　气体渗碳法的分类、特点及渗碳剂的选择               35
2.2.3　井式炉气体渗碳                          38
2.2.4　密封箱式炉气体渗碳                        47
2.2.5　连续气体渗碳炉                          56
2.2.6　真空渗碳（低压渗碳）工艺及应用                  58
2.2.7　深层渗碳工艺及应用                        61
2.2.8　高温渗碳工艺                           64
2.2.9　化学催渗渗碳工艺                         65
2.2.10　气体渗碳应用及实例分析                     67
2.3　固体、液体与其他渗碳工艺及应用                    78
2.3.1　固体渗碳工艺及应用                        78
2.3.2　液体渗碳工艺及应用                        88
2.3.3　离子渗碳工艺及应用                        95
2.3.4　感应加热渗碳工艺                        100
2.3.5　碳化物（K）弥散强化渗碳工艺                  100
2.3.6　电解渗碳工艺                          102
2.3.7　局部渗碳工艺                          102
2.4　渗碳质量控制                            103
2.4.1　渗碳（碳氮共渗）设备                      103
2.4.2　渗碳过程的质量控制                       104
2.4.3　渗碳操作的质量控制                       107
2.4.4　渗碳检验的质量控制                       107
2.4.5　渗碳件常见缺陷及其控制                     110
2.4.6　【实例2.6】 球磨机渗碳淬火齿轮轴断裂的失效分析及对策     112

第3 章　碳氮共渗工艺及其应用120
3.1　概述                                120
3.1.1　氮原子的渗入对渗层组织转变的影响                120
3.1.2　碳氮共渗的特点                         121
3.1.3　碳氮共渗工艺的分类                       123
3.1.4　碳氮共渗的技术条件                       123
3.1.5　碳氮共渗用材及共渗后的热处理                  124
3.1.6　碳氮共渗件的组织与性能                     126
3.2　气体碳氮共渗工艺及应用                       128
3.2.1　气体碳氮共渗的温度和保温时间                  128
3.2.2　气体碳氮共渗介质                        129
3.2.3　气体碳氮共渗工艺                        132
3.2.4　气体碳氮共渗应用实例及分析                   138
3.3　真空、液体、离子及其他碳氮共渗工艺及应用              146
3.3.1　真空碳氮共渗                         146
3.3.2　液体碳氮共渗                          149
3.3.3　离子碳氮共渗                          152
3.3.4　其他碳氮共渗工艺                        154
3.3.5　碳氮共渗工艺应用实例分析                    156
3.4　碳氮共渗质量控制                          166
3.4.1　气体碳氮共渗过程的质量控制                   166
3.4.2　气体碳氮共渗操作的质量控制                   168
3.4.3　碳氮共渗检验的质量控制                     169
3.4.4　碳氮共渗常见的缺陷及其控制                   171
3.4.5　碳氮共渗质量控制实例分析                    172

第4 章　渗氮工艺及其应用176
4.1　概述                                176
4.1.1　渗氮及其特点                          176
4.1.2　渗氮原理与渗氮层的组织形态                   177
4.1.3　渗氮用钢                            178
4.1.4　渗氮钢的预备热处理及力学性能                  180
4.2　气体渗氮工艺及应用                         182
4.2.1　气体渗氮设备                          183
4.2.2　气体渗氮工艺过程与参数                     183
4.2.3　气体渗氮工艺规范与操作过程                   189
4.2.4　气体渗氮层的组织与性能                     202
4.2.5　渗氮件的质量检测                        203
4.2.6　气体渗氮常见缺陷与质量控制                   205
4.2.7　气体渗氮氮势控制及应用                     208
4.3　离子渗氮工艺及应用                         213
4.3.1　离子渗氮设备                          214
4.3.2　离子渗氮的基本原理                       216
4.3.3　离子渗氮工艺参数与操作过程                   217
4.3.4　离子渗氮层的组织与性能                     223
4.3.5　离子渗氮常见缺陷与质量控制                   225
4.3.6　离子渗氮工艺应用及实例分析                   226
4.4　真空脉冲渗氮工艺                          235
4.4.1　真空脉冲渗氮的特点                       235
4.4.2　真空脉冲渗氮设备                        236
4.4.3　真空脉冲渗氮工艺参数及其对渗层深度与硬度的影响         236
4.4.4　真空脉冲渗氮的应用                       237
4.5　活性屏离子渗氮工艺及其应用                     239
4.6　其他渗氮工艺简介                          240
4.6.1　氯化铵催化（洁净）渗氮                     241
4.6.2　电解气相催渗渗氮                        242
4.6.3　弹性振荡渗氮                          245
4.6.4　高温快速渗氮                          245
4.6.5　形变渗氮                            246
4.6.6　高频感应加热气体渗氮                      247
4.6.7　加钛催渗渗氮（或渗钛渗氮）                   249
4.6.8　激光渗氮                            250
4.6.9　磁场中渗氮                           250
4.6.10　固体渗氮                            250
4.6.11　盐浴渗氮                            250
4.6.12　预氧化两段快速渗氮工艺                     251
4.6.13　加氧渗氮法                           252
4.6.14　高压气体渗氮                          253
4.6.15　流态床渗氮                           253
4.6.16　净化气氛强韧化渗氮                       254
4.6.17　短时渗氮                            254
4.6.18　可控渗氮                            255

第5 章　氮碳共渗工艺及其应用256
5.1　氮碳共渗的原理及特点                        256
5.1.1　概述                              256
5.1.2　氮碳共渗用状态图                        256
5.1.3　氮碳共渗的原理                         258
5.1.4　氮碳共渗的特点                         262
5.2　氮碳共渗的工艺方法                         263
5.2.1　气体氮碳共渗工艺                        263
5.2.2　液体（盐浴）氮碳共渗工艺                    269
5.2.3　离子氮碳共渗工艺                        277
5.2.4　真空脉冲氮碳共渗工艺                      279
5.3　氮碳共渗后的性能与组织                       280
5.3.1　氮碳共渗后的组织                        280
5.3.2　氮碳共渗后的性能                        281
5.4　氮碳共渗的质量控制                         283
5.4.1　氮碳共渗件的质量检验                      283
5.4.2　氮碳共渗件常见缺陷及质量控制                  284
5.5　氮碳共渗应用实例                          286
5.5.1　【实例5.1】　W9Cr4Mo3V 钢制十字槽冲头的真空脉冲氮碳共渗表面强化   286
5.5.2　【实例5.2】　40Cr 钢主驱动齿轮气体氮碳共渗表面强化       288
5.5.3　【实例5.3】　粉碎机筛片的氮碳共渗化学热处理强化         291
5.5.4　【实例5.4】　内燃机气门的液体氮碳共渗表面强化          292
5.5.5　【实例5.5】　气门锻模的液体氮碳共渗表面强化           295
5.5.6　【实例5.6】　40Cr 高速柴油机凸轮轴双联齿轮的盐浴氮碳共渗表面强化   298
5.5.7　【实例5.7】　凸轮轴的气体氮碳共渗化学热处理强化         300
5.5.8　【实例5.8】　W6Mo5Cr4V2 钢等制活塞销冷挤凸模的氮碳共渗表面强化    301
5.5.9　【实例5.9】　H13 钢制压铸模的稀土离子氮碳共渗表面强化      303
5.5.10　【实例5.10】　6Cr5Mo3W2VSiTi 钢制六方下冲模真空脉冲氮碳共渗表面强化  306

第6 章　渗硼、渗金属等奥氏体状态的化学热处理工艺及其应用308
6.1　渗硼工艺及应用                           308
6.1.1　渗硼及其适用范围、技术要求                   308
6.1.2　渗硼方法及其特点                        309
6.1.3　渗硼工艺及其控制                        316
6.1.4　渗硼层的组织和性能                       319
6.1.5　渗硼工艺的应用及实例分析                    327
6.1.6　渗硼质量控制                          331
6.2　渗金属工艺及应用                          333
6.2.1　概述                              333
6.2.2　常用渗金属工艺方法                       334
6.2.3　钢件渗金属后的热处理                      337
6.2.4　常见渗金属层的组织和性能                    337
6.2.5　渗铬工艺及应用                         339
6.2.6　渗钒工艺及应用                         348
6.2.7　渗金属工艺的工业应用                      351
6.3　渗铝、渗硅工艺及应用                        353
6.3.1　渗铝、渗硅的含义与作用                     353
6.3.2　渗铝工艺的分类与特点                      353
6.3.3　渗铝层的组织与性能                       359
6.3.4　渗铝常用热处理工艺与应用                    363
6.3.5　渗硅工艺、适用范围、技术要求与操作守则             365
6.3.6　渗硅的组织、性能与应用                     368
6.4　渗金属实例分析与质量控制                      371
6.4.1　渗金属实例分析                         371
6.4.2　渗金属质量控制                         377

第7 章　渗硫、渗锌等铁素体状态的化学热处理工艺及其应用381
7.1　渗硫工艺及应用                           381
7.1.1　渗硫工艺的分类与特点                      381
7.1.2　渗硫层的组织与性能                      384
7.1.3　渗硫质量控制                          385
7.1.4　渗硫工艺的应用与实例分析                    385
7.2　渗锌工艺及应用                           388
7.2.1　渗锌工艺的分类与特点                      388
7.2.2　渗锌层的组织与性能                       392
7.2.3　渗锌质量控制                          395
7.2.4　渗锌工艺的应用及实例分析                    396
7.3　低温化学热处理渗层组织、性能及工艺方法的选择            399
7.3.1　钢件低温化学热处理的渗层组织和性能               399
7.3.2　低温化学热处理工艺方法的选择                  403

第8 章　多元共渗工艺及其应用407
8.1　概述                                407
8.1.1　多元共渗的含义和目的                      407
8.1.2　多元共渗对渗层形成及性能的影响                 407
8.2　含硼的多元共渗及应用                        407
8.2.1　硼铝共渗与硼铬共渗                       407
8.2.2　硼钒、硼锆与硼钛共渗                      410
8.2.3　硼稀土与硼硅共渗                        411
8.2.4　硼氮共渗                            413
8.3　含铝、含铬的多元共渗及应用                     413
8.3.1　含铝的多元共渗                         413
8.3.2　含铬的多元共渗                         416
8.4　含氮、含硫氮的多元共渗工艺及应用                  420
8.4.1　含氮的多元共渗工艺                       420
8.4.2　含硫氮的多元共渗工艺                      423

第9 章　表面工程与化学热处理的复合处理工艺及其应用433
9.1　整体热处理与化学热处理的复合热处理工艺               433
9.1.1　化学热处理+整体热处理的复合热处理工艺             433
9.1.2　整体热处理+化学热处理的复合热处理工艺             438
9.2　高能束表面热处理强化与化学热处理复合处理工艺及应用         439
9.2.1　高能束相变硬化与化学热处理的复合处理工艺及应用         439
9.2.2　高能束表面熔覆与化学热处理的复合处理工艺及应用         444
9.2.3　激光表面熔凝与化学热处理的复合处理工艺及应用          445
9.2.4　激光表面合金化与化学热处理的复合处理工艺及应用         446
9.2.5　激光冲击硬化与化学热处理的复合处理工艺及应用          447
9.2.6　离子束表面强化与化学热处理的复合处理工艺及应用         447
9.3　表面热处理与化学热处理的复合热处理工艺及应用            450
9.3.1　化学热处理+表面淬火的复合热处理工艺              450
9.3.2　高频淬火+ 低温渗硫的复合热处理工艺               453
9.4　化学转化膜与化学热处理的复合处理工艺及应用             453
9.4.1　化学转化膜概述                         453
9.4.2　氧化处理与渗氮（氮碳共渗）的复合处理工艺            454
9.4.3　预氧化+渗碳的复合处理工艺                   456
9.4.4　硫氮共渗与氧化（蒸汽）处理的复合处理工艺            456
9.4.5　渗氮与磷化处理的复合处理工艺                  457
9.4.6　QPQ 复合处理工艺                        457
9.5　电镀与化学热处理的复合处理工艺及应用                462
9.5.1　概述                              462
9.5.2　电镀铬+化学热处理的复合处理工艺及应用             463
9.5.3　离子渗氮+电刷镀的复合处理工艺及应用              463
9.5.4　电刷镀Ni-W+氮碳共渗的复合处理工艺及应用           464
9.6　复合化学热处理工艺及应用                      466
9.6.1　与渗金属有关的复合渗工艺                    466
9.6.2　与渗氮（或氮碳共渗）有关的复合渗工艺              468
9.6.3　与渗硼有关的复合渗工艺                     470
9.6.4　与低温渗硫（硫氮共渗）有关的复合渗工艺             471
9.7　表面形变与化学热处理的复合处理工艺及应用              472
9.7.1　形变过程对扩散作用的影响                    472
9.7.2　形变强化与化学热处理的复合处理工艺               472
9.7.3　晶粒多边化处理+化学热处理的复合处理工艺            476
9.8　气相沉积与化学热处理的复合处理工艺及应用              477
9.8.1　概述                              477
9.8.2　物理气相沉积（PVD）+化学热处理的复合处理工艺         477
9.8.3　离子渗氮+等离子化学气相沉积的复合处理工艺           479
9.9　表面纳米化与化学热处理的复合处理工艺及应用             479
9.9.1　概述                              479
9.9.2　金属表面纳米化+化学热处理的复合处理效果            480

参考文献482