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低温多元共渗及复合表面处理技术研究进展

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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】Theresearchprogressoflowtemperaturemulti-elementco-penetratingtechniquewasreviewedinthispaper.Analyzedthemicrostructure，hardness，wearresistanceandcorrosionresistanceofthepenetratedlayer.Thecombinationsurfacetreatmentwassummarizedonthisbasis.Andtheapplicationanddevelopmenttrendofitwasprospected.

【Keywords】Chemicalheattreatment；Lowtemperaturemulti-elementco-penetrating；Combinationsurfacetreatment

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