低溫多元共滲及復合表面處理技術研究進展

湯立松　王鋒　祁國輝

【摘 要】本文綜述了低溫多元共滲工藝的研究進展，對不同多元滲層組織結構、硬度、耐磨性及耐蝕性進行分析說明，在此基礎上概述了復合表面處理技術，并對其應用及發展趨勢進行了展望。

【關鍵詞】化學熱處理；低溫多元共滲；復合表面處理

【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

隨著現代工業的快速發展，對機械產品零件的表面性能要求越來越高，對其研究已經成為材料科學的一個重要領域。表面改性的最大優勢在于它不會改變原材料的基本性能，而且通過各種表面處理技術還可以賦予材料表面新的性能，如耐蝕、耐磨、耐高溫、抗氧化等，很大程度地拓寬了原材料的使用范圍；還可以減少零件表面磨損損耗，改善材料耐蝕性能，延長零部件的使用壽命，從而提高經濟效益[1]。

化學熱處理是利用化學反應、有時兼用物理方法來改變鋼件表層化學成分及組織結構，從而賦予材料表面良好的綜合性能，比均質材料具有更好的技術經濟效益。近年來，低溫多元共滲技術作為一種材料表面化學熱處理的新技術，在提高零件力學性能和耐蝕性等方面取得了良好的效果，引起人們的廣泛關注。

1 低溫多元共滲工藝及組織

低溫多元共滲的關鍵在于“溫度低”，即在此溫度區間內不會影響材料本身的性能。根據實際需要采用不同滲劑將多種元素同時滲入基材中，從而提高材料表面的綜合性能；由于該技術對基材種類無特殊要求，因此適用范圍較廣，幾乎所有金屬材料均可使用。目前研究及應用較多的多元共滲元素包括：C-N-O， C-N-B，C-N-Re，C-N-S-O，C-N-B-Re等。

許多學者對低溫多元共滲的組織結構做了大量研究，研究發現：多元共滲過程中，工件表面首先與空氣中的氧發生反應，生成疏松的氧化物層，可對后續其他元素的滲入起到促進作用；隨著保溫時間的延長，活性元素可通過疏松多孔的氧化層向深層擴散，形成相應的化合物和固溶體，最終形成的滲層基本可分為三部分：表面氧化層、化合物層和擴散層。由于滲劑種類及共滲工藝參數（主要包括加熱溫度和保溫時間）的不同，滲層的厚度、微觀組織及成分有較大差別。

文獻[2]在600℃下，以氨氣、氮氣和自制添加劑為主要滲劑，對25CrNiMo鋼試樣進行了C、N、O三元共滲。測定滲層相的組成及其表面形貌發現，滲層主要由γ-Fe2O3、Fe3N、Fe2N、Fe3C等相組成，且以氮化物居多；滲層主要由三部分組成：氧化層、化合物層和擴散層，其中化合物層和擴散層中富含碳化物和氮化物，彌散分布其中起到強化作用，顯著提高了基體的表面硬度。

文獻[3]同樣在氨氣和氮氣等氣氛下，采用610℃保溫2.5h，對20鋼表面進行了C、N、O三元共滲，然后油冷處理。通過掃描電鏡觀察試樣表面形貌發現，經多元共滲后，滲層從外到里主要包括三部分：最外層為白亮的疏松層，厚度約10μm，主要由氧化物組成；次外層為含氮化物、碳化物的化合物層，厚度約40μm；最內層是擴散層，厚度約為100μm。經XRD測定，滲層由Fe2N、Fe3N、Fe2O3和Fe3C等相組成。

文獻[4]以甲酰胺、甲醇、硼酐和稀土為共滲劑，采用小型坩鍋爐，在580℃-610℃下對45鋼進行N-C-B-Re多元共滲。通過對滲層金相組織觀察可以看出，表層主要是氧化物和疏松的孔洞，呈網狀的灰色組織，深度約6-8μm；次表層主要是由各種合金元素相互作用形成的化合物層，厚度為50μm；最內層為擴散層，上面分布著少量的點狀化合物，厚度可達140-160μm；滲層由Fe3C、γ-Fe4N、Fe2BO6、α-Fe等相組成。

文獻[5]對45鋼分別進行了低溫固體B-C-N-Re和B-C-N多元共滲處理。通過對滲層物相組成及組織結構研究發現：兩種滲層均由FeB+Fe2B+Fe（C、B）三相組成，且滲層結構均呈齒狀形態，這與高溫（>850℃）B-C-N共滲結果類似；其中B-C-N-Re滲層結構較B-C-N致密，這是由于稀土元素的存在，起到細化晶粒的作用，使得滲層中Fe2B針間距較小且細密；但前者的共滲層比后者淺。

文獻[6]在高、低溫兩種條件下對45鋼進行B-Re粉末共滲處理，共滲工藝分別為：（1）高溫共滲，840℃×4h空冷；（2）低溫共滲，650℃×10h空冷。對兩種共滲層的組織進行對比分析，結果發現：兩種溫度條件下，滲層中均產生Fe2B和FeB相；高溫滲B層呈現典型的“針舌”狀組織結構，滲層較疏松，存在大量的孔洞，且硼齒間有反常的條狀組織；低溫滲層呈一條具有微小硼齒的窄帶，組織十分致密，其耐蝕性與耐磨性較高溫滲層優異；但高溫滲B層較低溫滲層厚，前者可達110μm，后者僅為36μm。

2 低溫多元滲層硬度及耐磨性

金屬材料經低溫多元共滲處理后，可在表面形成一定厚度的具有特殊物理、化學性質并含多種元素的改性層，該改性層與基材之間呈良好的化學冶金結合，具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化等優異性能；其中，化合物層主要對抗磨損、耐腐蝕及提高硬度方面具有重要作用，而擴散層主要對耐疲勞性能具有一定貢獻[7]。