第10章 熱擴滲技術(shù)-用

1、第第1010章章 熱擴滲技術(shù)熱擴滲技術(shù)教材： 材料表面工程技術(shù)李慕勤 化學(xué)工業(yè)出版社v定義：定義： 將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種或幾種元素滲將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種或幾種元素滲入工件表面，形成合金層入工件表面，形成合金層(或摻雜層或摻雜層)的工藝。的工藝。(化學(xué)熱處理技術(shù)化學(xué)熱處理技術(shù))v所形成的合金層稱為熱擴滲層，簡稱所形成的合金層稱為熱擴滲層，簡稱滲層滲層。v突出特點：滲層與基體金屬之間是突出特點：滲層與基體金屬之間是冶金結(jié)合冶金結(jié)合，結(jié)合強度很高。，結(jié)合強度很高。v通過滲入不同合金元素或者采用不同滲入工藝，可以使工件通過滲入不同合金元素或者采用不同滲入工藝，可

2、以使工件表面獲得不同組織和性能的擴滲層，從而表面獲得不同組織和性能的擴滲層，從而極大極大提高工件的提高工件的耐磨耐磨性性、耐蝕性耐蝕性和和抗高溫氧化性能抗高溫氧化性能等。等。v廣泛應(yīng)用于機械、化工、微電子和信息等行業(yè)。廣泛應(yīng)用于機械、化工、微電子和信息等行業(yè)。v最早起源于我國戰(zhàn)國時代。最早起源于我國戰(zhàn)國時代。 勾踐劍：寶劍通長勾踐劍：寶劍通長55.6厘米，劍身長厘米，劍身長47.2厘米，劍身寬厘米，劍身寬4.6厘米，重厘米，重857.4克。克。 1965年于湖北年于湖北荊州出土荊州出土 ，歷經(jīng)，歷經(jīng)2500多年仍未生銹多年仍未生銹 ，且能吹發(fā)可斷、一下劃破，且能吹發(fā)可斷、一下劃破20多張復(fù)印紙

3、。劍表面黑色多張復(fù)印紙。劍表面黑色部位是經(jīng)硫化處理而形成的，主要作用是防銹。部位是經(jīng)硫化處理而形成的，主要作用是防銹。v能進(jìn)行熱擴滲的材料包括：碳、氮、硼、鋅、鋁、鉻、釩、鈮、鈦、硅、能進(jìn)行熱擴滲的材料包括：碳、氮、硼、鋅、鋁、鉻、釩、鈮、鈦、硅、硫等和這些元素的多元共滲。硫等和這些元素的多元共滲。10.1 熱擴滲的基本原理熱擴滲的基本原理 及分類及分類一、熱擴滲層形成的基本條件一、熱擴滲層形成的基本條件v滲入元素的原子存在于擴滲層的形式：滲入元素的原子存在于擴滲層的形式： 與與基體金屬基體金屬形成：固溶體或金屬間化合物層，或固溶體形成：固溶體或金屬間化合物層，或固溶體+化化合物的復(fù)合層合物的

4、復(fù)合層v形成滲層基本條件：形成滲層基本條件：1.滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。2.欲滲元素與基材之間必須有直接接觸。欲滲元素與基材之間必須有直接接觸。3.被滲元素在基體金屬中要有一定的滲入速度。被滲元素在基體金屬中要有一定的滲入速度。4.(.(對靠化學(xué)反應(yīng)提供活性原子的熱擴滲工藝對靠化學(xué)反應(yīng)提供活性原子的熱擴滲工藝) )該反應(yīng)必須滿該反應(yīng)必須滿足熱力學(xué)條件。足熱力學(xué)條件。 (產(chǎn)生活性原子；反應(yīng)平衡常數(shù)產(chǎn)生活性原子；反應(yīng)平衡常數(shù)1%。)v所謂滿足熱力學(xué)條件是指在一定的擴滲溫度下，通過改變反所謂滿足熱力學(xué)條件是指在一定的擴滲

5、溫度下，通過改變反應(yīng)物濃度或者添加催化劑，或通過提高擴滲溫度能使產(chǎn)生活應(yīng)物濃度或者添加催化劑，或通過提高擴滲溫度能使產(chǎn)生活性原子的反應(yīng)正常（向右）進(jìn)行。性原子的反應(yīng)正常（向右）進(jìn)行。v在擴滲過程中產(chǎn)生活性原子的化學(xué)反應(yīng)有置換反應(yīng)、還原反在擴滲過程中產(chǎn)生活性原子的化學(xué)反應(yīng)有置換反應(yīng)、還原反應(yīng)、分解反應(yīng)三類。應(yīng)、分解反應(yīng)三類。v滲碳、滲氮、碳氮共滲等間隙原子的熱擴滲工藝，提供活性滲碳、滲氮、碳氮共滲等間隙原子的熱擴滲工藝，提供活性原子的化學(xué)反應(yīng)主要是分解反應(yīng)原子的化學(xué)反應(yīng)主要是分解反應(yīng)v對于滲金屬如滲鉻、滲鈦等熱擴滲工藝，提供活性原子的化對于滲金屬如滲鉻、滲鈦等熱擴滲工藝，提供活性原子的化學(xué)反應(yīng)主

6、要是置換反應(yīng)或還原反應(yīng)或者是兩個反應(yīng)同時發(fā)生學(xué)反應(yīng)主要是置換反應(yīng)或還原反應(yīng)或者是兩個反應(yīng)同時發(fā)生來提供活性原子。來提供活性原子。二、滲層形成機理二、滲層形成機理（形成過程）（形成過程）1. 產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。 活性原子的提供方式：熱激活能法、化學(xué)反應(yīng)法活性原子的提供方式：熱激活能法、化學(xué)反應(yīng)法2. 滲劑元素的活性原子吸附在基體金屬表面上，隨后被基體金滲劑元素的活性原子吸附在基體金屬表面上，隨后被基體金屬所吸收，形成最初的表面固溶體或金屬間化合物，建立熱擴屬所吸收，形成最初的表面固溶體或金屬間化合物，建立熱擴滲所必須的濃度梯度

7、。滲所必須的濃度梯度。 3. 滲劑元素原子向基體金屬內(nèi)部擴散，基體金屬原子也同時向滲劑元素原子向基體金屬內(nèi)部擴散，基體金屬原子也同時向滲層中擴散，使擴滲層增厚，即擴滲層成長過程滲層中擴散，使擴滲層增厚，即擴滲層成長過程(簡稱擴散過簡稱擴散過程程)。 擴散的機理：間隙式擴散、置換式擴散和空位式擴散機理。擴散的機理：間隙式擴散、置換式擴散和空位式擴散機理。三、熱擴滲速度的影響因素三、熱擴滲速度的影響因素v熱擴滲層的形成速度是由形成滲層的三個過程中最慢的一個來制約。熱擴滲層的形成速度是由形成滲層的三個過程中最慢的一個來制約。 在初始階段：化學(xué)介質(zhì)分解化學(xué)反應(yīng)速度在初始階段：化學(xué)介質(zhì)分解化學(xué)反應(yīng)速度

8、在中后期：擴散速度在中后期：擴散速度v能影響化學(xué)反應(yīng)速度和擴散速度的因素，均將影響熱擴滲層的形成速能影響化學(xué)反應(yīng)速度和擴散速度的因素，均將影響熱擴滲層的形成速度：增加反應(yīng)物濃度、提高度：增加反應(yīng)物濃度、提高反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度、加入適當(dāng)催化劑等均能使反應(yīng)、加入適當(dāng)催化劑等均能使反應(yīng)速度成倍提高。在擴散過程中，升高溫度就更有效。速度成倍提高。在擴散過程中，升高溫度就更有效。擴散過程中原子平均擴散距離擴散過程中原子平均擴散距離X為為: 其中：其中：t為擴散時間，為擴散時間，C為受幾何因素影響的常數(shù)，為受幾何因素影響的常數(shù)，D為擴散速度。為擴散速度。 D=D0exp(-Q/RT) Q為擴散激活能為擴散激

9、活能四、擴滲層的組織特征四、擴滲層的組織特征v純擴散：形成連續(xù)固溶體純擴散：形成連續(xù)固溶體v反應(yīng)擴散：形成新相反應(yīng)擴散：形成新相相圖上單相區(qū)越寬，相區(qū)間的含量差相圖上單相區(qū)越寬，相區(qū)間的含量差就越大，滲入元素的流量將增加，因此就越大，滲入元素的流量將增加，因此該相層就越厚。該相層就越厚。表面表面基材心部基材心部wB(%)10.1.2 熱擴滲工藝的分類熱擴滲工藝的分類v按熱擴滲溫度：按熱擴滲溫度：高溫（高于高溫（高于910）、中溫和低溫（低于）、中溫和低溫（低于720）熱擴滲）熱擴滲v按滲入元素：按滲入元素：非金屬元素?zé)釘U滲、金屬元素?zé)釘U滲、金屬一非金屬元素多元共滲、擴非金屬元素?zé)釘U滲、金屬元素

10、熱擴滲、金屬一非金屬元素多元共滲、擴散退火散退火(均勻化退火均勻化退火)。v按滲劑在工作溫度下物質(zhì)狀態(tài)：按滲劑在工作溫度下物質(zhì)狀態(tài)： 氣體熱擴滲氣體熱擴滲 液體熱擴滲液體熱擴滲 固體熱擴滲固體熱擴滲 等離子體熱擴滲等離子體熱擴滲 復(fù)合熱擴滲復(fù)合熱擴滲10.2 熱浸鍍熱浸鍍v將工件浸入熔融的金屬液中，使工件表面形成金屬防護將工件浸入熔融的金屬液中，使工件表面形成金屬防護層的方法。層的方法。v即即把需要處理的工件放入低熔點的熔融態(tài)金屬液中，工把需要處理的工件放入低熔點的熔融態(tài)金屬液中，工件表面發(fā)生溶解、擴散或反應(yīng)等物理化學(xué)過程，隨后離件表面發(fā)生溶解、擴散或反應(yīng)等物理化學(xué)過程，隨后離開鍍槽時工件表面

11、形成金屬鍍層的表面處理技術(shù)。開鍍槽時工件表面形成金屬鍍層的表面處理技術(shù)。v熱浸鍍的三個過程：熱浸鍍的三個過程：v（1）基體金屬表面被溶解，形成合金層。）基體金屬表面被溶解，形成合金層。v（2）合金層內(nèi)的滲入原子向內(nèi)擴散，形成固溶體或化合）合金層內(nèi)的滲入原子向內(nèi)擴散，形成固溶體或化合物。物。v（3）合金層外面包覆一層純金屬。）合金層外面包覆一層純金屬。v熱浸鍍工藝過程：預(yù)處理、熱浸鍍、后處理熱浸鍍工藝過程：預(yù)處理、熱浸鍍、后處理v熱浸鍍：熱浸鍍：n常見：鋼鐵制品的熱浸鋅、熱浸鋁、熱浸錫等。常見：鋼鐵制品的熱浸鋅、熱浸鋁、熱浸錫等。1.特點：生產(chǎn)效率高。滲層厚度不易均勻，且只適于浸特點：生產(chǎn)效率高

12、。滲層厚度不易均勻，且只適于浸滲熔點較低的金屬。滲熔點較低的金屬。v10.2.1 熱浸鍍原理v熱浸鍍時，被鍍的基體材料與熔融金屬的接觸面上發(fā)生界面反應(yīng)，是一個冶金過程，按相應(yīng)的相圖形成不同相構(gòu)成的合金層，所以熱浸鍍層是由合金層和浸鍍金屬構(gòu)成的復(fù)合鍍層。v鋼鐵的熱浸鍍過程v熱浸滲過程：熱浸滲過程：熱能為反應(yīng)的主驅(qū)動力。熱能為反應(yīng)的主驅(qū)動力。 溶解溶解 形成合金層形成合金層 擴散擴散 形成固溶體或形成固溶體或金屬間化合物金屬間化合物 包絡(luò)包絡(luò) 獲得純金屬獲得純金屬內(nèi)內(nèi)外外v10.2.2 熱浸鍍工藝方法v（1）溶劑法：濕法（熔融溶劑法）、干法（烘干溶劑法）v（2）保護氣體還原法：森吉米爾法、美鋼聯(lián)法

13、。2. 熱浸滲的工藝方法熱浸滲的工藝方法v熱浸滲工藝種類：溶劑法熱浸滲工藝種類：溶劑法(濕法和干法濕法和干法)、氧化還原法、氧化還原法(森吉米爾法森吉米爾法)。兩種方法是按脫脂除銹、表面保潔方式來分類的。兩種方法是按脫脂除銹、表面保潔方式來分類的。三、熱浸鋅和熱浸鋁三、熱浸鋅和熱浸鋁v1. 熱浸滲工藝的基本特點：熱浸滲工藝的基本特點：v熱浸鋅和熱浸鋁是熱浸法中熱浸鋅和熱浸鋁是熱浸法中最常用最常用的工藝。的工藝。v熱浸鋅或鋁就是將鋼材或工件浸漬到熔融鋅液或鋁液中，使鋼材或工熱浸鋅或鋁就是將鋼材或工件浸漬到熔融鋅液或鋁液中，使鋼材或工件表面形成鋅及件表面形成鋅及鋅鐵合金鋅鐵合金層或鋁及層或鋁及鋁合

14、金鋁合金層的方法。層的方法。v熱擴滲鋅是世界各國公認(rèn)的一種經(jīng)濟實惠的材料表面保護工藝。廣泛熱擴滲鋅是世界各國公認(rèn)的一種經(jīng)濟實惠的材料表面保護工藝。廣泛應(yīng)用于在大氣和海洋中工作的鋼鐵工件上。應(yīng)用于在大氣和海洋中工作的鋼鐵工件上。v熱浸鋅方法熱浸鋅方法特點特點： 生產(chǎn)成本低、效率高、操作簡單、生產(chǎn)工藝可靠、生產(chǎn)成本低、效率高、操作簡單、生產(chǎn)工藝可靠、易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，應(yīng)用更廣泛。易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，應(yīng)用更廣泛。v熱擴滲鋅層具有良好的耐腐蝕能力，更高的硬度和耐熱擴滲鋅層具有良好的耐腐蝕能力，更高的硬度和耐磨性。磨性。v滲鋁是一種既可以保持工件的基體韌性，又可以提高滲鋁是一種既可

15、以保持工件的基體韌性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蝕能力的方法。表面的抗氧化和耐腐蝕能力的方法。v熱浸鋁層比熱浸鋅層更耐大氣腐蝕。熱浸鋁層比熱浸鋅層更耐大氣腐蝕。3. 熱浸鋅的工藝和性能熱浸鋅的工藝和性能 熱浸鋅層由基體向表面有多相組織，各相組織的硬度和韌熱浸鋅層由基體向表面有多相組織，各相組織的硬度和韌性等都不一樣。熱浸鋅工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力性等都不一樣。熱浸鋅工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力高、致密且具有良好外觀的熱浸鋅層。高、致密且具有良好外觀的熱浸鋅層。v熱熱浸鋅方法種類：浸鋅方法種類： 濕法熱浸鋅、干法熱浸鋅、氧化還原法熱浸鋅、鉛鋅法熱浸濕法熱浸鋅、干法熱浸鋅、氧化還

16、原法熱浸鋅、鉛鋅法熱浸鋅、單面熱浸鋅等。鋅、單面熱浸鋅等。 國內(nèi)應(yīng)用最多的是：干法熱浸鋅和氧化還原法熱浸鋅。國內(nèi)應(yīng)用最多的是：干法熱浸鋅和氧化還原法熱浸鋅。v鋅液：鋅液：ZnAl，ZnNi等等v決定浸鋅質(zhì)量的主要工藝參數(shù)：決定浸鋅質(zhì)量的主要工藝參數(shù)： 鋅液溫度、浸漬時間和從鋅液中抽出的速度。鋅液溫度、浸漬時間和從鋅液中抽出的速度。v熱浸鋅層的耐腐蝕性能：保護膜保護，陰極保護作用。熱浸鋅層的耐腐蝕性能：保護膜保護，陰極保護作用。v熱浸鋅層的耐大氣腐蝕能力與鋅層的厚度有關(guān)。熱浸鋅層的耐大氣腐蝕能力與鋅層的厚度有關(guān)。4熱浸鋁工藝和性能熱浸鋁工藝和性能v影響熱浸鋁層厚度和性能的因素：影響熱浸鋁層厚度和

17、性能的因素： 基體的化學(xué)成分、鋁液的成分、浸鋁的溫度和時間等?；w的化學(xué)成分、鋁液的成分、浸鋁的溫度和時間等。v根據(jù)用途不同，熱浸鋁鋼材和工件可分為耐蝕用品和耐高溫根據(jù)用途不同，熱浸鋁鋼材和工件可分為耐蝕用品和耐高溫氧化用品，后者必須進(jìn)行擴散退火。氧化用品，后者必須進(jìn)行擴散退火。v滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕的最有效方法之一。滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕的最有效方法之一。v擴散退火后熱浸鋁層抗高溫氧化性能良好。擴散退火后熱浸鋁層抗高溫氧化性能良好。v在大氣條件下，熱浸鋁鋼比熱浸鋅鋼具有更好的耐蝕性在大氣條件下，熱浸鋁鋼比熱浸鋅鋼具有更好的耐蝕性。10.3 滲碳與滲氮滲碳與滲氮10.3.1

18、滲碳滲碳v滲碳滲碳1（carburizing/carburization）是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。 v也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。 v滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火以得到高的表面硬度高的耐磨性和疲勞強度并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機汽車和拖拉機等的機械零件如齒輪軸凸輪軸等。v滲碳工藝在中國可以上溯到2000年以前。最早是用固體滲碳介質(zhì)滲碳

19、。液體和氣體滲碳是在20世紀(jì)出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的。美國在20年代開始采用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳。30年代連續(xù)式氣體滲碳爐開始在工業(yè)上應(yīng)用。60年代高溫(9601100)氣體滲碳得到發(fā)展。至70年代出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。原理原理v滲碳與其他化學(xué)熱處理一樣也包含3個基本過程 v分解v滲碳介質(zhì)的分解產(chǎn)生活性碳原子。v吸附v活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中使奧氏體中含碳量增加。v擴散v表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差表面的碳遂向內(nèi)部擴散。碳在鋼中的擴散速度主要取決于溫度同時與工件中被滲元素內(nèi)外濃度差和鋼中合金元素含量有關(guān)。滲碳工藝滲碳工藝v按滲碳介質(zhì)的不同滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳

20、液體滲碳和碳氮共滲（氰化）。v氣體滲碳是將工件裝入密閉的滲碳爐內(nèi)，通入氣體滲劑（甲烷、乙烷等）或液體滲劑（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高溫下分解出活性碳原子，滲入工件表面，以獲得高碳表面層的一種滲碳操作工藝。v固體滲碳是將工件和固體滲碳劑（木炭加促進(jìn)劑組成）一起裝在密閉的滲碳箱中，將箱放入加熱爐中加熱到滲碳溫度，并保溫一定時間，使活性碳原子滲人工件表面的一種最早的滲碳方法。v液體滲碳是利用液體介質(zhì)進(jìn)行滲碳，常用的液體滲碳介質(zhì)有：碳化硅，“603”滲碳劑等。v目前使用最廣泛的是氣體滲碳v低碳鋼滲碳后緩冷的顯微組織：表層為珠光體和二次滲碳體，心部為珠光體和鐵素體，中間為過渡組織。v一般規(guī)定從表面到

21、過渡層一半處為滲碳層厚度。v滲碳后熱處理工藝：淬火+低溫回火v工件滲碳后，僅鋼件表層含碳量增加，若使工件表層具有高硬度和耐磨性，必須進(jìn)行后續(xù)熱處理。10.3.2 滲氮滲氮v滲氮，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使活性氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。v如果在滲氮過程中同時滲入碳以促進(jìn)氮的擴散，則稱為氮碳共滲 應(yīng)用原理應(yīng)用原理v滲入鋼中的氮一方面由表及里與鐵形成不同含氮量的氮化鐵，一方面與鋼中的合金元素結(jié)合形成各種合金氮化物，特別是氮化鋁、氮化鉻。這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌散度，因而可使?jié)B氮后的鋼件得到高的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗大氣和過熱蒸汽腐蝕能力、抗回火軟化能力

22、，并降低缺口敏感性。v與滲碳工藝相比，滲氮溫度比較低，因而畸變小，但由于心部硬度較低，滲層也較淺，一般只能滿足承受輕、中等載荷的耐磨、耐疲勞要求，或有一定耐熱、耐腐蝕要求的機器零件，以及各種切削刀具、冷作和熱作模具等。v滲氮有多種方法，常用的是氣體滲氮和離子滲氮。 v鋼件滲氮后一般不進(jìn)行熱處理。為了提高鋼件心部強韌性，滲氮前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。氣體滲氮氣體滲氮v氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。v一般以提高金屬的耐磨性為主要目的，因此需要獲得高

23、的表面硬度。它適用于38CrMoAl等滲氮鋼。滲氮后工件表面硬度可達(dá)HV8501200。滲氮溫度低，工件畸變小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如鏜床鏜桿和主軸、磨床主軸、氣缸套筒等。但由于滲氮層較薄，不適于承受重載的耐磨零件 離子滲氮離子滲氮v又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。把金屬工件作為陰極放入通有含氮介質(zhì)的負(fù)壓容器中，通電后介質(zhì)中的氮氫原子被電離，在陰陽極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強電場作用下，氮和氫的正離子以高速向工件表面轟擊。離子的高動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時由于吸附和擴散作用，氮遂滲入工件表面 v與一般的氣體滲氮相比，離子滲氮的特點是：可適當(dāng)縮短滲氮周期；滲氮層脆性?。豢晒?jié)約能源和氨的消耗量；對不需要滲氮的部分可屏蔽起來