1.3化學熱處理的發展與前景展望
化學熱處理是應用最多、最廣泛的表面強化技術，在表面工程技術領域仍佔著十分重要的地位。
1.3.1 化學熱處理的發展歷史
化學熱處理的歷史源遠流長，可以說有熱處理的時候起，就有了化學熱處理。在各種化學熱處理中滲碳的歷史最悠久，至少可追溯到戰國時期，戰國墓出土的寶劍所採用的滲碳技術就是乙個最好的例子。我國古代最早的煉鋼法——淋鋼，就是用熔融生鐵液作為滲劑，向熟鐵中滲碳，再經反覆鍛打而成鋼的。
古代刀具及農具也常用生鐵塊作滲劑，將其加熱到高溫，在已加熱刀具或農具刃口上用力擦搓，亦可以起到明顯滲碳效果。8世紀中葉的唐代，中國人已從鍛工爐加熱的實踐中，掌握了在封閉的瓦罐中已木炭為主的滲碳劑進行固體滲碳的方法。約在9世紀末、十世紀初，這種方法傳到了歐洲。
然而直到近半個多世紀以來，滲碳技術才由傳統的固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳發展成為包括可控氣體滲碳、真空滲碳、離子滲碳等工藝在內的一套比較完整的滲碳系列技術。同時，由於可控氣氛及計算機技術的發展，滲碳過程控制也實現了自動化。
除滲碳（c）外，我國古代匠人又利用大豆（蛋白質）中分解出的物質——氮（n）和碳（c）來富化燒紅了的鋼劍刃部表面，以改善劍刃的強度和韌性，實現碳氮（c-n）共滲。2023年德國人a.fry首次將氨氣通過密封的爐罐中進行氣氛氮並取得成功，從而打破了在化學熱處理領域內只有滲碳一枝獨秀的局面。
此後不久，用含氰鹽浴進行碳氮共滲（當時稱為氰化）的工藝也在工業生產中獲得了應用。直到今天，西歐一些國家，鹽浴法仍然是進行化學熱處理的主要方法。
20世紀初，許多物理學家研究了低壓氣體中的放電現象，後來這類放電現象不僅是螢光照明工業的基礎，而且也成為等離子化學熱處理技術的基礎。20世紀40年代以後，即反法西斯戰爭獲得了勝利以後，是化學熱處理蓬勃發展的年代。各種新工藝大量湧現，各種老工藝日臻完善，裝置、儀表，控制方法、檢測手段以及各種輔助用料都有了長足進步。
使化學熱處理形成了乙個完整的體系，同時也成為熱處理行業中最興旺發達的乙個分支。
滲碳（n）、滲硼（b）、滲矽（si）、滲金屬及c-n、b-n、鉻（cr）-鋁（al）、b-al等二元共滲及其他多元共滲層的效能，在提高硬度、疲勞強度、耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等方面各有所長，可供使用效能要求不同的零件選擇。鹽浴滲形成碳化物金屬元素法（td法）是日本豐田公司**研究所開發的，2023年獲得專利。這種方法是在熔融的硼砂浴中加入碳化物形成元素cr、v（釩）、nb（鈮）、ti（鈦）等金屬粉末或它們的氧化物及還原劑，在鋼的表面形成金屬碳化物滲層的工藝，主要用於中、高碳鋼及合金鋼製作的零件和模具，提高其硬度和耐磨性。
td法有許多優點，如碳化物層硬度高、耐磨性好、與基體結合力強、裝置簡單、操作方便等，但工件處理後粘鹽、清洗麻煩，殘鹽處理等問題限制了其發展。20世紀70年代以來，由於電力和電子工程領域取得的進展，閘流體控制的滅弧斷路器的誕生，促進了等離子技術在化學熱處理方面的開發與廣泛應用。同樣，自20世紀60年代以來，由於雷射和電子束等新熱源具有能量集中、加熱迅速、加熱層薄、自激冷卻、變形很小、無需淬火介質、有利環境保護、便於實現自動化等優點，因而在化學熱處理等方面的應用也日趨突顯。
改革開放以後，伴隨著社會主義經濟建設的發展，我國的熱處理的工作者在化學熱處理的理論研究和技術開發方面做了大量工作，有一定貢獻。如在稀土元素對化學熱處理的催滲作用從理論到技術上都作了較系統的研究；又如在離子轟擊化學熱處理，特別是在雙層輝光離子滲金屬等方面的研究，以及最近開發的機械能助滲等都取得較好的成果。
1.3.2 化學熱處理的現狀與前景發展
我國已把環境保護作為一項基本國策，並從2023年開始推進清潔生產技術。所謂清潔生產技術，就是通過對生產過程和產品的綜合防治，最大限度地保護自然環境和利用自然資源，即採用清潔的工藝，實現清潔的生產過程，製造出清潔的產品。但當前熱處理，特別是化學熱處理生產對環境造成的汙染依然較大，包括排放的廢水、廢液、廢氣、廢渣、粉塵、噪音、電磁輻射等。
因此，現階段化學熱處理生產的主要控制目標應是少或無汙染，少或無氧化或節能，發展「綠色化學熱處理技術」，是時代的需要，是文明的需要，是提高生產質量的需要，也是造福子孫後代的需要。
發展「綠色化學熱處理」技術，關鍵是將各種高新技術應用於化學熱處理，如可控氣氛化學熱處理、真空化學熱處理、流態床化學熱處理、無碳的潔淨短時滲氮、化學熱處理排出氣體的**與利用等新技術。
化學熱處理的發展及今後的發展趨勢：根本出發點是綠色環保，節約能源。具體途徑為：一是化學催滲；二是物理場強化。以下從幾個方面加以說明。
1.3.2.1 稀土化學熱處理
稀土元素對加速化學熱處理程序、改善表面層的微觀組織、提高滲層綜合力學效能等方面均有重要的作用，稀土元素在化學熱處理過程中的良好作用，已引起國外許多著名學者和公司的密切關注。
通過對稀土滲c及c-n共滲、稀土滲n及n-c共滲、等離子體稀土滲n、稀土多元共滲、稀土滲b及b-al共滲、稀土滲金屬等研究證實：具有特殊電子結構與化學活性的稀土元素不僅能滲入到鋼的表面，而且像其他元素一樣在表面層中形成了一定濃度梯度。研究表明，在相同的化學熱處理條件下，稀土元素的新增可使化學熱處理的過程明顯加快；由於稀土元素原子半徑比鐵原子的大40﹪左右，其滲入後必然引起其周圍鐵原子點陣的畸變，從而使間隙原子在畸變區富集，當達到一定濃度後即成為c、n、b等化合物的成核核心，繼之沉澱析出細小瀰散分布的化合物，且滲層組織細化，因此使深層效能也得到改善。
稀土元素電子結構特殊，對合金表面有著優異的改良效能潛力。應充分發揮我國稀土資源的優勢，進一步擴大稀土化學熱處理的應用以獲得最佳的技術、經濟效果。
近年來，雖然稀土化學熱處理應用和開發獲得了迅速發展，但要取得規模化推廣應用，還需突破一下幾個方面的問題。
1 有關稀土對化學熱處理工藝作用內在規律的**。
2 高效稀土催滲劑的開發。
3 應用新領域的開拓。
稀土在化學熱處理過程中起著催滲的作用（最重要），了解其機理和本質，對指導滲劑選擇、新增，熱處理工藝改進，進一步提高滲後效果具有重要意義。為此，尚需深入**稀土在介面上的行為，及其與晶界、位錯及其他晶體缺陷的互動作用等問題。由於稀土具有優良的催化活性，高效稀土催化劑的開發已成為當前稀土應用研究的重要方向之一。
通過對稀土催化機理的深入**，研發具有自主智財權的新型高效稀土催滲劑，實現其革命性改進，有望帶動稀土在這一領域中應用水平的全面提公升，達到國際先進水平，為該技術的規模化推廣應用打下良好的基礎。
我國稀土資源豐富，應充分利用這一優勢，研究和開發出更多、更優異的稀土化學熱處理工藝，並全面拓展其應用領域，使稀土化學熱處理應用的巨大潛力發揮出來。
1.3.2.2 可控氣氛化學熱處理
為了實現少氧化、無氧化、無脫碳加熱，控制滲碳等介質成分，獲得表面組織和力學效能良好的工件，常向熱處理爐中加入兩種介質，一種是含有多餘滲入元素的富化氣，另一種是滲入元素不足或不含滲入元素的稀釋氣，通過調節這兩種氣體比例實現滲入介質的成分控制，以獲得表面成分、組織、效能良好的工件。這種氣體稱為可控氣氛。應用可控氣氛進行的化學熱處理稱為可控氣氛化學熱處理。
1.3.2.3 採用新工藝，不斷優化化學熱處理技術
⑴分段控制新工藝
在化學熱處理的滲劑「分解」階段，採用高活性的滲劑（爐氣）和較低的工藝溫度，提高滲入元素在深層的濃度和濃度梯度；其後的「吸收」階段，提高工藝溫度，並將爐氣的活性降低到工件滲層要求的濃度，實現強滲階段滲層具有的高濃度梯度及高擴散速度，以實現加速化學熱處理過程，同時又能保證滲層滲入元素濃度符合要求。
（2）潔淨的短時滲氮技術
鐵素體n-c共滲具有被處理件耐磨性好、疲勞強度高、耐腐蝕、變形小、處理溫度低、時間短、節能等優點。現已研究成功不加任何滲c成分的潔淨短時滲n工藝，用以替代傳統的氣體n-c共滲。該工藝保留了n-c共滲的全部優點，從根本上消除了**ˉ的汙染。
（3）新增適量的催滲劑，提高滲劑或工件表面的活性
例如氣體滲n時，先向爐內新增少量的氯化銨，它分解後產生的鹽酸氣可清除零件表面的鈍化膜，使工件表面活化。又如固體滲c滲劑中新增碳酸鹽，可提高滲劑的活性，從而加速化學熱處理過程。
（4）採用化學熱迴圈處理
傳統的化學熱處理工藝由於存在一些缺點，如保溫時間長、能耗大、生產率低等，故其應用受到很大限制。採用化學熱迴圈處理法，可克服這個缺點。化學熱迴圈處理就是採用化學熱迴圈處理法來強化工件表面。
其實質是在相變或無相變區間反覆加熱和冷卻的熱迴圈作用於材料表面，使吸附、擴散過程與熱處理過程相結合。化學熱迴圈滲c、滲n、c-n共滲等工藝具有下列優點。
1 不僅可加快鋼的吸附和擴散過程，而且可改善被加工材料的組織和效能。
2 吸收和擴散過程與熱處理過程相結合，可縮短整個強化的過程的時間。
3 用熱迴圈作用規範實現吸收過程，可縮短化學熱處理擴散階段的時間。
4 在工件的強化層內和心部可獲得細化了的組織，從而可提高綜合力學效能和使用效能。
（5）適當提高擴滲溫度
物質的擴散係數與溫度呈指數關係增長，即提高溫度能夠有效地提高化學熱處理過程中原子在固體中的擴散速度。然而溫度的提高是有限的，因為擴滲溫度的選擇首先要滿足產品的質量要求和裝置的承受能力。鋼在滲c時，溫度高且時間長，有時會使鋼的基體晶粒粗大。
然而應用真空滲c法，其滲速比常規滲c高1～2倍，除了在真空條件下工件表面充分潔淨、有利於c原子的吸收外，在較高溫度（通常大於1000℃）下進行處理，是其高滲速的主要原因。
1.3.2.4 採用多元共滲工藝
目前生產中廣泛使用共滲工藝，如c-n、n-c、cr-al二元共滲，s-n-c、c-n-b三元共滲等。某些共滲工藝不僅可提高滲層的形成速度，而且可改善或提高滲層的效能。例如，cr-al共滲與單一滲cr比較，不僅具有滲速快、滲層厚且不易剝落的優點，而且可成倍的提高滲層的抗氧化效能；c-n共滲或n-c共滲與單一滲c或單一滲n比較，具有滲速快和滲層效能好的優點；c-n共滲的速度可比氣體滲c提高數倍，而且共滲層的脆性小，當要求滲層較薄（小於1mm）時，即使採用860～880℃較低的工藝溫度（常用滲層溫度為900～940℃），其滲層形成速度仍大於滲c的速度，而且由於共滲層含有c、n，有更好的耐磨性，工藝溫度降低還有利於滲c後採用直接淬火，實現工藝簡化。
1.3.2.5 復合表面工程技術的發展
在單一化學熱處理技術發展的同時，綜合運用化學熱處理技術與一種或多種其他表面工程技術的復合表面工程技術有了迅速的發展。
1.3.2.6 化學熱處理的廢氣**與再利用技術
目前將滲氮廢氣經過完全吸收實現清潔排放（排除n2和h2）的技術已在國內申請專利。該技術可以防止滲氮廢氣中的氨對環境的汙染，也可以避免有些工廠將滲氮廢氣直接燃燒生成nxo的弊端。
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