3.3 渗铬及铬钒共渗
3.3.1 渗铬
渗铬是钢表面被铬扩散饱和的过程。在下列情况下工作的工件宜进行渗铬：①在磨损，包括气蚀磨损和在高、低温浸蚀磨损的条件下；②在引起化学腐蚀的介质中于高温和低温受应力作用；③在引起受电化学腐蚀的介质中受应力作用；④在机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳下；⑤在磁场和电场作用的条件下。
渗铬的目的是提高工件的耐蚀性、抗高温氧化性和耐磨性。渗铬方法有以下几种：
1.固体渗铬
固体渗铬曾是常用的一种工艺，是将渗铬剂与工件一起装箱、密封，放在箱式或井式的高温炉中加热。固体渗铬有粉末、粒状和膏剂三种。常用的固体渗铬剂及渗铬工艺见表3-20。
表3-20 常用固体渗铬剂及渗铬工艺
注：1.为了防止铬粉氧化，渗剂事先应烘干、混匀，渗铬罐用水玻璃+耐火泥或低熔点的硅酸盐密封，也可以将渗铬罐焊牢，引出导管通保护气体，每隔10s通、排各1次。
2.渗铬重复使用4～5次后应补充质量分数为20%的新渗剂，NH4 Cl也应按比例追加。
3.Cr-Fe粉中Cr的质量分数为65%，碳的质量分数为0.1%，粒度为0.071～0.154mm，Al2 O3粒度为0.071～0.154mm，用前需经1000～1100℃焙烧脱水，渗剂按比例配好，经150～200℃烘干后装箱，待工件装箱后加热300℃×30～40min，以排除箱中空气，再用水玻璃调耐火泥将箱密封，然后升温于400～500℃×2～3h，再升温至980～1100℃×6～5h，随炉冷至600～700℃出炉空冷，100℃以下开箱，即可得到0.02～0.1mm渗铬层。
4.为了提高渗铬件的疲劳寿命，应在渗铬后经扩散退火，再淬火回火。
山东大学研究的固体粉末渗铬剂成分（质量分数）为10%Cr2O3+4%Al+2%NH4Cl，其余为Al2O3。T12钢经950℃×4h渗铬处理，可获得11 μm的（Cr、Fe）7 C3渗层。
粒状渗铬可减少粉尘污染、渗剂粘结和结块现象。某单位使用的粒状渗铬剂配方（质量分数）为：20%Cr-Fe+5%～10%KBF3+2%～5%NH4Cl+1%～2%NH4F，再添加胶粘剂制成粒状使用。
固体粉末通入H2渗铬，像一般渗铬一样装箱，在渗铬铁箱上设置进出气管。渗铬剂成分（质量分数）为57%NH4Cl+43%Cr2O3，加热到1000℃，保温30min后定期通氢排气。氢气使NH4Cl+Cr2O3反应生成氯化亚铬，再还原成新生态铬原子，即CrCl2+H2→2HCl+[Cr]进行渗铬。
2.气体渗铬
气体渗铬像气体渗碳一样，常用密封的井式炉和贯通式炉。渗铬气体多用含铬的氯化物（CrCl2）、氟化物（CrF2）和氢气。铬的氯化物及氟化物由铬或铬铁与氯化物气体（如HCl、NH4Cl）和氟化物气体（如NH4HF2、HF）反应生成的。法国曾用钟罩式炉处理，工艺为900～1100℃×5～12h，渗铬层厚度为0.25～0.38mm，表层铬的质量分数达23%；用于汽车消声器、化工容器等。
3.真空渗铬
真空渗铬是将工件与粒度为3～5mm的纯铬一起放在真空炉膛中，真空度达到0.013Pa时，开始升温渗铬，温度为1100～1150℃，铬在真空和高温下要升华，形成气相。蒸发的Cr被工件表面吸附，从而进行渗铬。例如，1150℃×12h，20钢渗铬层深度达到300μm，T12钢达10μm，渗铬保温后炉冷至250℃以下出炉。
4.离子渗铬
离子渗铬工艺是由离子渗氮工艺发展起来的，在真空工作室内通入含铬元素的气体化合物，同时通入工作气体（氩或氩和氢的混合气）。以工件为阴极，阴极和阳极之间施加直流电压，产生辉光放电，强化了铬元素的化学反应，加速了扩散过程，形成渗层。
有人在8kW离子渗氮炉中进行膏剂渗铬，在试样周围设置一个与它等电压的仿形阴极套，利用空心阴极效应提高加热效率，使炉温达到1050℃。在试样表面涂渗铬膏剂。膏剂的成分（质量分数）为50%～70%Cr-Fe+5%～10%Na2AlF6+10%～20%NH4Cl+5%～10%Al，其余为Al2O3，用水解硅酸乙酯为粘结剂。炉压为50～133Pa。45钢经950℃×1h处理后，获得100μm渗铬层，硬度为700HV。
双层辉光离子渗铬：早在1980年太原理工大学就研制成功双层辉光渗金属设备。它是在真空容器中设置阳极、阴极（工件）和由渗入合金元素材料制作的源极，在阳极和阴极之间、阳极与源极之间各设一个可调压的直流电源。当真空室内氩气压力达到一定值后，调节各自电源，则在阳极与阴极和阳极与源极之间分别起辉光放电，即双层辉光放电。辉光放电使源极的渗入元素在离子轰击下被溅射出来，加速后飞向阴极（工件），同时辉光放电使电能转变为热能，使工件加热到高温，源极溅射出来的离子被高温工件表面吸收，扩散后形成合金渗层。双层辉光放电在钢表面可实现Cr、W、Mo、V、Ni、Zr、Ta、Al、Ti、Pt单元渗，渗层厚度可达数百微米。双层辉光放电渗铬工艺为：源极为工业纯铬块，通Ar，压力为1.33～133Pa，工作电压高于1000V，温度为900～1100℃，时间为2～5h，电流大小取决于工件数量及尺寸。
另外，多弧离子渗金属、交变电场真空离子渗金属、脉冲辉光放电渗金属等新工艺、新设备都可以实现离子渗铬。
5.液体渗铬
液体渗铬是在硼砂盐浴中加入铬铁或加入氧化铬和铝粉、硅钙稀土合金，可获得满意的渗铬层，此法是TD法的一种。用传统的加热方法，渗铬温度高、时间长，不仅使工件心部性能恶化，而且渗铬所用的设备能耗大、寿命短、效益低，抑制了渗铬工艺的发展。常用液体渗铬工艺及配方见表3-21。
表3-21 常用液体渗铬配方及工艺
注：1.CrCl2的熔点为820℃，制取方法是在体积分数为5%的浓盐酸中缓慢加入铬铁粉，搅拌均匀，静置24h，使其自然干燥，再按配方比例加入盐浴中。
2.在硼砂盐浴中渗铬后，可直接出炉淬火，低温回火。淬火后应在复合清洗剂中煮50min以上。
3.特别难于清洗的工件可在稀盐酸或稀硝酸中清洗，应多次用冷水冲洗干净。
4.渗铬后，工件尺寸胀大量约为渗层厚度的1/3，不能机械加工，只能抛光或研磨。
5.在相同温度下渗铬，钢中碳含量越低，渗层越薄；反之亦然。在相同的温度时间内，钢中碳含量越高，渗层越厚。
6.碳化物形成元素W、Mo、Cr、V、Nb、Ti等扩大α相区，促进渗铬，增加渗层厚度；Ni、Co、Mn扩大γ相区，减缓渗铬速度，减少渗层厚度。
7.渗铬致密性检查方法是将渗铬件放入稀硝酸水溶液中，若20～40min无气泡出现，说明致密性好；或放入质量分数为15%CuSO4的溶液中，如果不致密必有蓝色印迹。
8.表层组织检查方法：在体积分数为3%的硝酸酒精液中浸蚀后，表层有不受浸蚀的白亮带，渗铬层下面无贫碳区。表面X射线衍射检查，铬的质量分数为25%～30%时较好。
9.催渗剂应适量，过多会形成腐蚀斑，应加以控制。
10.表层的组织：低碳钢为（Fe、Cr）7C6化合物，高碳钢为（Fe、Cr）23 C6、（Fe、Cr）7 C6化合物。
3.3.2 铬钒共渗
实践表明，铬钒共渗层的耐磨性、耐蚀性，高温抗氧化和热疲劳性能均优于渗铬、渗钒。有些单位在模具上获得成功应用。对5CrNiMo钢热作模具采用固体铬钒共渗，渗剂与工件装入密封的渗罐中，在箱式电炉中加热，渗剂的成分（质量分数）为：50%Cr-Fe+43%Al2O3+2%NH4Cl+5%钒粉，1050℃×5h共渗。盐浴铬钒共渗配方及工艺见表3-22。
表3-22 盐浴铬钒共渗配方及工艺
