低温多元共渗及复合表面处理技术研究进展

汤立松　王锋　祁国辉

【摘 要】本文综述了低温多元共渗工艺的研究进展，对不同多元渗层组织结构、硬度、耐磨性及耐蚀性进行分析说明，在此基础上概述了复合表面处理技术，并对其应用及发展趋势进行了展望。

【关键词】化学热处理；低温多元共渗；复合表面处理

【Abstract】The research progress of low temperature multi-element co-penetrating technique was reviewed in this paper.Analyzed the microstructure， hardness， wear resistance and corrosion resistance of the penetrated layer. The combination surface treatment was summarized on this basis. And the application and development trend of it was prospected.

【Key words】Chemical heat treatment； Low temperature multi-element co-penetrating； Combination surface treatment

随着现代工业的快速发展，对机械产品零件的表面性能要求越来越高，对其研究已经成为材料科学的一个重要领域。表面改性的最大优势在于它不会改变原材料的基本性能，而且通过各种表面处理技术还可以赋予材料表面新的性能，如耐蚀、耐磨、耐高温、抗氧化等，很大程度地拓宽了原材料的使用范围；还可以减少零件表面磨损损耗，改善材料耐蚀性能，延长零部件的使用寿命，从而提高经济效益[1]。

化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法来改变钢件表层化学成分及组织结构，从而赋予材料表面良好的综合性能，比均质材料具有更好的技术经济效益。近年来，低温多元共渗技术作为一种材料表面化学热处理的新技术，在提高零件力学性能和耐蚀性等方面取得了良好的效果，引起人们的广泛关注。

1 低温多元共渗工艺及组织

低温多元共渗的关键在于“温度低”，即在此温度区间内不会影响材料本身的性能。根据实际需要采用不同渗剂将多种元素同时渗入基材中，从而提高材料表面的综合性能；由于该技术对基材种类无特殊要求，因此适用范围较广，几乎所有金属材料均可使用。目前研究及应用较多的多元共渗元素包括：C-N-O， C-N-B，C-N-Re，C-N-S-O，C-N-B-Re等。

许多学者对低温多元共渗的组织结构做了大量研究，研究发现：多元共渗过程中，工件表面首先与空气中的氧发生反应，生成疏松的氧化物层，可对后续其他元素的渗入起到促进作用；随着保温时间的延长，活性元素可通过疏松多孔的氧化层向深层扩散，形成相应的化合物和固溶体，最终形成的渗层基本可分为三部分：表面氧化层、化合物层和扩散层。由于渗剂种类及共渗工艺参数（主要包括加热温度和保温时间）的不同，渗层的厚度、微观组织及成分有较大差别。

文献[2]在600℃下，以氨气、氮气和自制添加剂为主要渗剂，对25CrNiMo钢试样进行了C、N、O三元共渗。测定渗层相的组成及其表面形貌发现，渗层主要由γ-Fe2O3、Fe3N、Fe2N、Fe3C等相组成，且以氮化物居多；渗层主要由三部分组成：氧化层、化合物层和扩散层，其中化合物层和扩散层中富含碳化物和氮化物，弥散分布其中起到强化作用，显著提高了基体的表面硬度。

文献[3]同样在氨气和氮气等气氛下，采用610℃保温2.5h，对20钢表面进行了C、N、O三元共渗，然后油冷处理。通过扫描电镜观察试样表面形貌发现，经多元共渗后，渗层从外到里主要包括三部分：最外层为白亮的疏松层，厚度约10μm，主要由氧化物组成；次外层为含氮化物、碳化物的化合物层，厚度约40μm；最内层是扩散层，厚度约为100μm。经XRD测定，渗层由Fe2N、Fe3N、Fe2O3和Fe3C等相组成。

文献[4]以甲酰胺、甲醇、硼酐和稀土为共渗剂，采用小型坩锅炉，在580℃-610℃下对45钢进行N-C-B-Re多元共渗。通过对渗层金相组织观察可以看出，表层主要是氧化物和疏松的孔洞，呈网状的灰色组织，深度约6-8μm；次表层主要是由各种合金元素相互作用形成的化合物层，厚度为50μm；最内层为扩散层，上面分布着少量的点状化合物，厚度可达140-160μm；渗层由Fe3C、γ-Fe4N、Fe2BO6、α-Fe等相组成。

文献[5]对45钢分别进行了低温固体B-C-N-Re和B-C-N多元共渗处理。通过对渗层物相组成及组织结构研究发现：两种渗层均由FeB+Fe2B+Fe（C、B）三相组成，且渗层结构均呈齿状形态，这与高温（>850℃）B-C-N共渗结果类似；其中B-C-N-Re渗层结构较B-C-N致密，这是由于稀土元素的存在，起到细化晶粒的作用，使得渗层中Fe2B针间距较小且细密；但前者的共渗层比后者浅。

文献[6]在高、低温两种条件下对45钢进行B-Re粉末共渗处理，共渗工艺分别为：（1）高温共渗，840℃×4h空冷；（2）低温共渗，650℃×10h空冷。对两种共渗层的组织进行对比分析，结果发现：两种温度条件下，渗层中均产生Fe2B和FeB相；高温渗B层呈现典型的“针舌”状组织结构，渗层较疏松，存在大量的孔洞，且硼齿间有反常的条状组织；低温渗层呈一条具有微小硼齿的窄带，组织十分致密，其耐蚀性与耐磨性较高温渗层优异；但高温渗B层较低温渗层厚，前者可达110μm，后者仅为36μm。

2 低温多元渗层硬度及耐磨性

金属材料经低温多元共渗处理后，可在表面形成一定厚度的具有特殊物理、化学性质并含多种元素的改性层，该改性层与基材之间呈良好的化学冶金结合，具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化等优异性能；其中，化合物层主要对抗磨损、耐腐蚀及提高硬度方面具有重要作用，而扩散层主要对耐疲劳性能具有一定贡献[7]。