材料表面工程第四章ppt課件

1、 第四章第四章 熱滲鍍熱滲鍍 4.1 概述概述 4-2 熱滲鍍?cè)頍釢B鍍?cè)?4-3 TRD滲鍍法滲鍍法 4-4 熱浸鍍熱浸鍍 4-5 離子轟擊滲鍍離子轟擊滲鍍 4-6 離子滲氮離子滲氮 4-7 離子滲碳離子滲碳 4.1 概述概述用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，得到一擴(kuò)散合金層，稱為熱滲鍍。面，得到一擴(kuò)散合金層，稱為熱滲鍍。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散該技術(shù)的突出特點(diǎn)是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作用，因而不存在結(jié)合力不足的問題。的作用，因而不存在結(jié)合力不足的問題。熱滲鍍：熱滲鍍： 加熱加熱 + 擴(kuò)

2、散擴(kuò)散 滲入基體滲入基體 合金層合金層 熱滲鍍材料的選擇范圍很寬，滲入不同元素可得到不同組熱滲鍍材料的選擇范圍很寬，滲入不同元素可得到不同組織和性能的表面，這些性能包括：耐腐蝕性、耐磨性、耐織和性能的表面，這些性能包括：耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫氧化性等。高溫氧化性等。 熱滲鍍的方法很多，按接觸介質(zhì)劃分有：固滲、液滲、氣熱滲鍍的方法很多，按接觸介質(zhì)劃分有：固滲、液滲、氣滲和等離子滲；按復(fù)合手段劃分有：電泳滲、料漿滲、噴滲和等離子滲；按復(fù)合手段劃分有：電泳滲、料漿滲、噴涂滲、電鍍滲和化學(xué)鍍滲等。涂滲、電鍍滲和化學(xué)鍍滲等。 熱滲鍍方法分類詳見下圖：熱滲鍍方法分類詳見下圖： 1固滲法固滲法 粉末包滲法

3、粉末包滲法 粉末包滲法是固滲中最普通的方法。粉末包滲法是固滲中最普通的方法。 把工件埋人裝有滲層金屬粉末的容器里把工件埋人裝有滲層金屬粉末的容器里 進(jìn)行加熱擴(kuò)散，在粉末中加入防粘結(jié)粉進(jìn)行加熱擴(kuò)散，在粉末中加入防粘結(jié)粉 末末(如如Al2O3)和活化劑。和活化劑。 活化劑一般為鹵化物，如活化劑一般為鹵化物，如NH4C1，NH4Br， NH4I等。等。以以NH4C1為例，加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)：為例，加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)： NH4C1 NH3 + HCl 2NH3 3H2 + N2 2HCl + MF MC12 + H2M是欲滲金屬。鹵化物分解生成的是欲滲金屬。鹵化物分解生成的N2和和H2會(huì)排除容器會(huì)排除

4、容器內(nèi)內(nèi)的空氣造成還原氣氛。的空氣造成還原氣氛。HCl與與M反應(yīng)生成反應(yīng)生成MCl2，隨著加熱的進(jìn)行，隨著加熱的進(jìn)行，MCl2氣化，氣化，與基體金屬與基體金屬A反應(yīng)，生成活性原子反應(yīng)，生成活性原子M： MC12 + A AC12 + M活性金屬原子活性金屬原子M隨后擴(kuò)散滲入基體金屬表面，與基體隨后擴(kuò)散滲入基體金屬表面，與基體形合金鍍層。形合金鍍層。粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn): 設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，適用于形狀復(fù)雜的工件的 滲鍍；缺點(diǎn)：效率低，尺寸受限制，溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，基體金屬 的強(qiáng)度有一定降低。 流化床法流化床法這種方法與粉末包滲法相似，不同之處是將工件放于帶這種方法與粉末包滲法相似，不同之處是將工件放

5、于帶有固體滲劑的流化床內(nèi)，然后加熱，同時(shí)通人鹵氣和運(yùn)有固體滲劑的流化床內(nèi)，然后加熱，同時(shí)通人鹵氣和運(yùn)載氣體載氣體(H2，Ar)，使之與流體粒子反應(yīng)產(chǎn)生欲滲金屬的，使之與流體粒子反應(yīng)產(chǎn)生欲滲金屬的活性原子滲入工件?；钚栽訚B入工件。優(yōu)點(diǎn)：傳熱性好，滲速快，滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)械化優(yōu)點(diǎn)：傳熱性好，滲速快，滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)械化和自動(dòng)化；缺點(diǎn)：流化床設(shè)備裝置成本極高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和自動(dòng)化；缺點(diǎn)：流化床設(shè)備裝置成本極高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大，尚未推廣使用。大，尚未推廣使用。 2液滲法液滲法 熱浸法熱浸法將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，經(jīng)較短時(shí)間即形成合將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，經(jīng)較短時(shí)間即形成合金鍍層。當(dāng)浸漬時(shí)

6、間極短時(shí)，所形成的鍍層只是附著層金鍍層。當(dāng)浸漬時(shí)間極短時(shí)，所形成的鍍層只是附著層而不是擴(kuò)散層，與基體金屬結(jié)合不牢固，在熱浸后還要而不是擴(kuò)散層，與基體金屬結(jié)合不牢固，在熱浸后還要加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散，以形成合金層。加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散，以形成合金層。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，被廣泛采用。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，被廣泛采用。這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等。這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等。 熔燒法熔燒法把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將料把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將料漿均勻涂敷于工件表面上，干燥后在惰性氣體或真空漿均勻涂敷于工件表面上，干燥后在惰性氣體

7、或真空環(huán)境中以稍高于料漿熔點(diǎn)的溫度加熱燒結(jié)，通過液環(huán)境中以稍高于料漿熔點(diǎn)的溫度加熱燒結(jié)，通過液-固固界面擴(kuò)散而形成合金層。界面擴(kuò)散而形成合金層。與熱浸法相比，該法能獲得成分和厚度都很均勻的滲與熱浸法相比，該法能獲得成分和厚度都很均勻的滲層，同時(shí)具有熱傳遞性好、滲速快等特點(diǎn)。層，同時(shí)具有熱傳遞性好、滲速快等特點(diǎn)。 鹽浴法鹽浴法鹽浴法是在金屬鹽熔融液體中加入鹽浴法是在金屬鹽熔融液體中加入V，Nb，Cr，Ti，Ta等鐵合金粉末，然后把含有較高等鐵合金粉末，然后把含有較高C，N的鋼件浸入，在的鋼件浸入，在800 1250C溫度下，經(jīng)過溫度下，經(jīng)過0.510 h的時(shí)間后，可在的時(shí)間后，可在表面上形成一極

8、硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予表面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予工件表面很高的耐磨性。工件表面很高的耐磨性。 3氣滲法氣滲法 首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，然后首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，然后把含有滲鍍金屬鹵化物把含有滲鍍金屬鹵化物(MCl2)的氫氣通人，氣體和表面接觸時(shí)，的氫氣通人，氣體和表面接觸時(shí)，工件表面的金屬工件表面的金屬A和氫與和氫與MCl2發(fā)生反應(yīng)。發(fā)生反應(yīng)。 MCl2 + A ACl2 + M MCl2 + H2 2HCl + M 反應(yīng)生成的活性原子反應(yīng)生成的活性原子M滲人工件表面。滲人工件表面。 實(shí)現(xiàn)氣滲工藝大

9、致可分為兩大類：實(shí)現(xiàn)氣滲工藝大致可分為兩大類：一類是滲鍍金屬同工件不在同一空間，用氫氣做載體把欲滲金屬的鹵一類是滲鍍金屬同工件不在同一空間，用氫氣做載體把欲滲金屬的鹵化物運(yùn)載到工件表面；化物運(yùn)載到工件表面；另一類是滲鍍金屬同工件在同一空間，使另一類是滲鍍金屬同工件在同一空間，使HCl氣體先流過被加熱了的滲氣體先流過被加熱了的滲劑金屬產(chǎn)生金屬氯化物氣體，隨后使氯化物氣體流經(jīng)金屬表面，置換劑金屬產(chǎn)生金屬氯化物氣體，隨后使氯化物氣體流經(jīng)金屬表面，置換出活性原子出活性原子M，進(jìn)行滲鍍。，進(jìn)行滲鍍。優(yōu)點(diǎn)：滲層厚度均勻，易控制，對(duì)異形件和小孔結(jié)構(gòu)的滲鍍效果好，優(yōu)點(diǎn)：滲層厚度均勻，易控制，對(duì)異形件和小孔結(jié)構(gòu)

10、的滲鍍效果好，且無粉塵，勞動(dòng)條件好。且無粉塵，勞動(dòng)條件好。 4離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)等離子體進(jìn)行滲等離子體進(jìn)行滲鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的，因鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的，因?yàn)殡x子活性比原子高，加上電場(chǎng)的作用，因此滲速較高，為離子活性比原子高，加上電場(chǎng)的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好。質(zhì)量較好。但是該法除離子氮化已經(jīng)成熟，包括滲碳在內(nèi)的離子滲但是該法除離子氮化已經(jīng)成熟，包括滲碳在內(nèi)的離子滲金屬尚在開發(fā)之中。金屬尚在開發(fā)之中。 5復(fù)合滲復(fù)合滲 復(fù)合滲是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在工件表面制

11、造一固相復(fù)合滲是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在工件表面制造一固相涂層，然后把工件連同涂層一起加熱。涂層，然后把工件連同涂層一起加熱。包括：包括： 電泳滲電泳滲 料漿滲料漿滲 噴鍍滲噴鍍滲 電鍍滲電鍍滲 化學(xué)鍍滲化學(xué)鍍滲 真空滲鍍真空滲鍍 4-2 熱滲鍍?cè)頍釢B鍍?cè)?4-2-1 熱滲鍍的基本過程熱滲鍍的基本過程一般說來熱滲鍍的基本過程應(yīng)包括四個(gè)步驟。一般說來熱滲鍍的基本過程應(yīng)包括四個(gè)步驟。 介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物；介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物； 反應(yīng)物通過擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面，此稱為外擴(kuò)散；反應(yīng)物通過擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面，此稱為外擴(kuò)散； 反應(yīng)物中的

12、某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應(yīng)；反應(yīng)物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應(yīng)； 界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達(dá)到一定的深度，此稱內(nèi)擴(kuò)散。界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達(dá)到一定的深度，此稱內(nèi)擴(kuò)散。在這四個(gè)步驟中，最關(guān)鍵的是進(jìn)行最慢的步驟，即控制步在這四個(gè)步驟中，最關(guān)鍵的是進(jìn)行最慢的步驟，即控制步驟。驟。步驟步驟速度快，不會(huì)對(duì)整個(gè)過程產(chǎn)生阻礙作用。速度快，不會(huì)對(duì)整個(gè)過程產(chǎn)生阻礙作用。步驟步驟雖然是一個(gè)擴(kuò)散過程，但此擴(kuò)散是在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn)雖然是一個(gè)擴(kuò)散過程，但此擴(kuò)散是在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn)行，擴(kuò)散速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素在固態(tài)內(nèi)的擴(kuò)散，因而也不可行，擴(kuò)散

13、速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素在固態(tài)內(nèi)的擴(kuò)散，因而也不可能成為控制步驟。能成為控制步驟。后兩個(gè)步驟都有可能成為過程中的控制步驟?？筛鶕?jù)滲層深后兩個(gè)步驟都有可能成為過程中的控制步驟?？筛鶕?jù)滲層深度和時(shí)間的關(guān)系來判定究竟是步驟度和時(shí)間的關(guān)系來判定究竟是步驟還是還是是控制步驟。是控制步驟。大部分滲鍍處理的控制步驟是內(nèi)擴(kuò)散，因此提高溫度可加大部分滲鍍處理的控制步驟是內(nèi)擴(kuò)散，因此提高溫度可加速擴(kuò)散的進(jìn)行。但如果界面反應(yīng)是控制步驟，則僅靠提高速擴(kuò)散的進(jìn)行。但如果界面反應(yīng)是控制步驟，則僅靠提高溫度就未必會(huì)收到加速的效果。溫度就未必會(huì)收到加速的效果。 一般來說，在初始階段，金屬表面上的濃度較低，界面反一般來說，在初始階段

14、，金屬表面上的濃度較低，界面反應(yīng)大多是控制步驟；到一定的程度，滲鍍?cè)卦诒砻娴臐鈶?yīng)大多是控制步驟；到一定的程度，滲鍍?cè)卦诒砻娴臐舛雀哌_(dá)某一值后，滲層厚度的增長(zhǎng)主要靠?jī)?nèi)擴(kuò)散來進(jìn)行，度高達(dá)某一值后，滲層厚度的增長(zhǎng)主要靠?jī)?nèi)擴(kuò)散來進(jìn)行，因此擴(kuò)散成了控制步驟。因此擴(kuò)散成了控制步驟。4-2-2 滲層的形成條件滲層的形成條件滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的薄合金滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的薄合金層，形成條件為：層，形成條件為： (a) 滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物；物；(b) 滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸

15、，即滲入元滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，即滲入元素可在界素可在界 面被吸附；面被吸附；(c) 必須保持一定的溫度，使原子獲得足夠的擴(kuò)散動(dòng)力；必須保持一定的溫度，使原子獲得足夠的擴(kuò)散動(dòng)力；(d) 生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件。生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件。滲層能否形成，關(guān)鍵在于滲入元素能否與基體金屬形成滲層能否形成，關(guān)鍵在于滲入元素能否與基體金屬形成有一定濃度變化范圍的二元合金相。形成這種相后，才有一定濃度變化范圍的二元合金相。形成這種相后，才可能造成濃度差，從而使?jié)B入元素獲得擴(kuò)散所需要的驅(qū)可能造成濃度差，從而使?jié)B入元素獲得擴(kuò)散所需要的驅(qū)動(dòng)力。動(dòng)力。影

16、響固溶體或金屬間化合物形成的因素主要有：原子相影響固溶體或金屬間化合物形成的因素主要有：原子相對(duì)大小，原子間的化學(xué)親合力，點(diǎn)陣類型以及相對(duì)原子對(duì)大小，原子間的化學(xué)親合力，點(diǎn)陣類型以及相對(duì)原子價(jià)。多數(shù)情況下，可通過原子相對(duì)大小初步判定固溶體價(jià)。多數(shù)情況下，可通過原子相對(duì)大小初步判定固溶體滲層形成的可能性。滲層形成的可能性。 4-3 TRD滲鍍法滲鍍法 TRD (Surface Coating by Thermo-Reactive Deposition and Diffusion) 稱為熱反應(yīng)沉積和擴(kuò)散的表面覆層法，稱為熱反應(yīng)沉積和擴(kuò)散的表面覆層法，簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為TRD滲鍍法或滲鍍法或TD法。法。應(yīng)

17、用最廣泛的是用熔鹽浸鍍法在工件表面上涂覆應(yīng)用最廣泛的是用熔鹽浸鍍法在工件表面上涂覆VC，NbC，CrxCy等碳化物。等碳化物。4-3-1 處理方法處理方法 TRD處理的設(shè)備如圖處理的設(shè)備如圖4-4所示。所示。將將70 90的硼砂放人耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩堝中加入可形的硼砂放人耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩堝中加入可形成欲鍍覆的碳化物的物質(zhì)。例如欲涂成欲鍍覆的碳化物的物質(zhì)。例如欲涂VC時(shí)，加入時(shí)，加入Fe-V的合金粉末或的合金粉末或V2O5粉末，將含碳的鋼件浸入此鹽浴中，在粉末，將含碳的鋼件浸入此鹽浴中，在8001200C保溫保溫110 h，便得到了僅由碳化物鍍覆的表面層。碳的來源完全依靠鋼中自身，

18、便得到了僅由碳化物鍍覆的表面層。碳的來源完全依靠鋼中自身的碳向外擴(kuò)散。的碳向外擴(kuò)散。4-3-2 影響涂層厚度的因素影響涂層厚度的因素影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)間和鋼中的含影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)間和鋼中的含碳量。碳量。 鍍層成長(zhǎng)的速率主要取決于碳原子的擴(kuò)散速率，有下列關(guān)系鍍層成長(zhǎng)的速率主要取決于碳原子的擴(kuò)散速率，有下列關(guān)系式：式： 2 = A t e -QRT 式中，式中，為涂層厚度，為涂層厚度，t為浸鍍時(shí)間，為浸鍍時(shí)間， T為浸鍍溫度，為浸鍍溫度， Q為為碳擴(kuò)散活化能碳擴(kuò)散活化能 鋼中的含碳量越高，溫度越高，鍍層增厚越快。鋼中的含碳量越高，溫度越高，鍍層增厚越快

19、。 4-3-3 鍍層性能 鍍層特點(diǎn)： 1硬度 ： 高 2耐磨性 ： 好 3抗熱粘結(jié)性 ： 良好 4抗剝離性 ： 良好 5抗氧化及耐蝕性：一般具有良好的抗氧化及耐蝕性， 隨鍍覆的碳化物種類的不同而不同。 6韌脆性 ：與淬火回火鋼大體處于同一水平。 4-4 熱浸鍍熱浸鍍 4-4-1 熱鍍鋅熱鍍鋅1鍍層形成理論鍍層形成理論 熱鍍鋅是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料保護(hù)工藝，其形成要經(jīng)歷如下熱鍍鋅是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料保護(hù)工藝，其形成要經(jīng)歷如下步驟：步驟： 鐵基表面被鋅液溶解形成鐵鋅合金相層；鐵基表面被鋅液溶解形成鐵鋅合金相層； 合金層中的鋅原子進(jìn)一步向基體擴(kuò)散，形成鋅鐵固溶體；合金層中的鋅原子進(jìn)一步向基體擴(kuò)散，形成

20、鋅鐵固溶體； 合金層表面包絡(luò)一薄鋅層。合金層表面包絡(luò)一薄鋅層。 熱鍍鋅層的組織由內(nèi)向外按下列順序排列：熱鍍鋅層的組織由內(nèi)向外按下列順序排列：與鋼基體相接的是與鋼基體相接的是相，即相，即Zn在在Fe中的固溶體中的固溶體(Zn-Fe合金合金)；由由相向外，是化合物相向外，是化合物相，相，F(xiàn)e3Zn10，硬度，硬度515 HV，質(zhì)脆；，質(zhì)脆；再向外是再向外是1化合物相，化合物相，F(xiàn)eZn7，成柵狀分布，硬度，成柵狀分布，硬度454 HV，韌性好；再向外是韌性好；再向外是相，相，F(xiàn)eZnl3，硬度不高，硬度不高(270 HV)，性脆；，性脆；最外層是最外層是相，即純相，即純Zn層，該層是鋼鐵件從鋅液中

21、取出時(shí)，層，該層是鋼鐵件從鋅液中取出時(shí)，在合金層上粘附的液體鋅凝固而成。在合金層上粘附的液體鋅凝固而成。熱鍍鋅的工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力高、致密且熱鍍鋅的工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力高、致密且具有良好外觀的鍍鋅層。具有良好外觀的鍍鋅層。 2熱鍍鋅的方法熱鍍鋅的方法 目前工業(yè)上應(yīng)用的熱鍍鋅方法有：目前工業(yè)上應(yīng)用的熱鍍鋅方法有： 干法熱、氧化還原法、濕法、鉛鋅法、單面熱鍍鋅等多種。干法熱、氧化還原法、濕法、鉛鋅法、單面熱鍍鋅等多種。 應(yīng)用最多的是干法熱鍍鋅和氧化還原法熱鍍鋅。應(yīng)用最多的是干法熱鍍鋅和氧化還原法熱鍍鋅。 干法熱鍍鋅干法熱鍍鋅 干法熱鍍鋅是先把預(yù)處理后的清潔工件進(jìn)行溶劑

22、處理，干燥后再干法熱鍍鋅是先把預(yù)處理后的清潔工件進(jìn)行溶劑處理，干燥后再把工件浸入熔融鋅液中去。把工件浸入熔融鋅液中去。 溶劑處理的目的是去除工件表面上殘存的鐵鹽，將預(yù)處理后新生溶劑處理的目的是去除工件表面上殘存的鐵鹽，將預(yù)處理后新生成的銹層溶解，活化鋼件表面，提高鋅液浸潤鐵基體的能力，增成的銹層溶解，活化鋼件表面，提高鋅液浸潤鐵基體的能力，增加鍍層的結(jié)合力。加鍍層的結(jié)合力。鋅的熔點(diǎn)是419.5，在熱鍍鋅工業(yè)中把鋅液溫度分為5個(gè)區(qū)域：1) 在480以下，鋅液對(duì)基體鐵溶解緩慢，工業(yè)上一般不采用；2) 在540左右，鋅液對(duì)鐵溶解力很強(qiáng)，可用于鍍灰鑄鐵工件；3) 495左右，這是鋅液對(duì)鐵的惡性溶解溫度

23、，鍍層疏松，是熱鍍鋅的禁區(qū)；4) 620左右，鐵鋅結(jié)合層很快形成，是鋼鐵件熱鍍鋅的最佳溫度；5) 660以上，鐵急劇溶解，工件表面掛不上鋅，這是應(yīng)避免的溫度。干法熱鍍鋅允許有較高的含鋁量，因此鋅液表面能生成一干法熱鍍鋅允許有較高的含鋁量，因此鋅液表面能生成一層薄層薄(0.1m) A12O3保護(hù)膜，防止鋅液氧化。保護(hù)膜，防止鋅液氧化。加鋁還可得到塑性較高的鍍鋅層。加鋁還可得到塑性較高的鍍鋅層。 氧化還原法熱鍍鋅氧化還原法熱鍍鋅 該法取消了堿洗、酸洗和溶劑處理等表面預(yù)處理。該法取消了堿洗、酸洗和溶劑處理等表面預(yù)處理。 其工藝過程為先使鋼件通過氧化性氣氛的預(yù)熱爐其工藝過程為先使鋼件通過氧化性氣氛的預(yù)

24、熱爐(爐內(nèi)爐內(nèi)加熱溫度為加熱溫度為440460)，再把工件送進(jìn)還原性氣氛，再把工件送進(jìn)還原性氣氛爐中把氧化皮還原并加熱到規(guī)定的溫度，接著將鋼件浸爐中把氧化皮還原并加熱到規(guī)定的溫度，接著將鋼件浸人約人約440460溫度的鋅液中進(jìn)行鍍鋅。溫度的鋅液中進(jìn)行鍍鋅。 3熱鍍鋅層的性能熱鍍鋅層的性能 鍍鋅層的防護(hù)性能表現(xiàn)在兩個(gè)方面：鍍鋅層的防護(hù)性能表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 1、鋅在大氣中能在表面形成一層致密、鞏固、耐蝕、鋅在大氣中能在表面形成一層致密、鞏固、耐蝕的的ZnCO33Zn(OH)3保護(hù)膜，保護(hù)了下面的保護(hù)膜，保護(hù)了下面的Zn和和Fe免于腐蝕；免于腐蝕； 2、對(duì)于局部損壞處有陰極保護(hù)的作用。、對(duì)于局部損壞

25、處有陰極保護(hù)的作用。 4熱鍍鋅的應(yīng)用熱鍍鋅的應(yīng)用熱鍍鋅不僅適用于較小的工件熱鍍鋅不僅適用于較小的工件(如螺母、螺栓、彈簧等標(biāo)如螺母、螺栓、彈簧等標(biāo)準(zhǔn)件準(zhǔn)件)，而且還能用于鍍鋅鋼管、鋼板、鋼絲的大批量生，而且還能用于鍍鋅鋼管、鋼板、鋼絲的大批量生產(chǎn)。產(chǎn)。目前該工藝正廣泛地應(yīng)用于在大氣和海洋中工作的鋼鐵目前該工藝正廣泛地應(yīng)用于在大氣和海洋中工作的鋼鐵構(gòu)件上。構(gòu)件上。 4-4-2 熱滲鍍鋁 當(dāng)鋼中含鋁量高于8時(shí)，其表面能形成致密的鋁氧化膜，有良好的抗氧化性和抗蝕性。但鋼中含這樣高的鋁時(shí)就會(huì)變脆。采用滲鋁的方法既可保持鋼件心部的韌性，又可提高表面的抗氧化性和抗蝕性。1熱浸鋁 熱浸鍍鋁是當(dāng)前最受重視的滲

26、鋁方法。把預(yù)處理過的工件浸人熔融的 鋁浴中保溫一定時(shí)間取出，使其表面滲入一層鋁。 (1) 熱浸鋁機(jī)理熱浸鋁機(jī)理當(dāng)液態(tài)鋁與鐵接觸時(shí)，由于當(dāng)液態(tài)鋁與鐵接觸時(shí)，由于相界面反應(yīng)首先生成相界面反應(yīng)首先生成 FeAl3化化合物；此后繼續(xù)擴(kuò)散，合物；此后繼續(xù)擴(kuò)散，F(xiàn)eAl3層加厚，由于濃度起伏，層加厚，由于濃度起伏，F(xiàn)eAl3表表 面上出現(xiàn)面上出現(xiàn)Fe2Al5微區(qū)；微區(qū)；隨著隨著Al的進(jìn)一步的進(jìn)一步 擴(kuò)散，擴(kuò)散，F(xiàn)e2Al5相不斷擴(kuò)大成柱狀晶，相不斷擴(kuò)大成柱狀晶， FeAl3相逐相逐漸減少。漸減少。(2) 浸鋁層的組織特點(diǎn)浸鋁層的組織特點(diǎn) 基本可分為兩層：基本可分為兩層：最外層為富最外層為富A1層，成分基本

27、同鋁液；層，成分基本同鋁液；次層是次層是Al，F(xiàn)e合金層，主要是金屬化合物合金層，主要是金屬化合物Fe2Al5相，還相，還有有少量少量FeAl3相，相，F(xiàn)e2Al5相呈舌狀伸人鋼中。相呈舌狀伸人鋼中。Fe2Al5相質(zhì)硬而脆，要盡可能抑制其生長(zhǎng)，一股把其控相質(zhì)硬而脆，要盡可能抑制其生長(zhǎng)，一股把其控制制在滲層的在滲層的1/10范圍內(nèi)為好。范圍內(nèi)為好?？刂平儨囟瓤刂平儨囟?700730)，加入，加入26的的Si或加入或加入0.6的的Be都有助于減少都有助于減少Fe2Al5的厚度。的厚度。 2其它滲鍍鋁的方法其它滲鍍鋁的方法 固體粉末滲鋁固體粉末滲鋁 固體粉末滲鋁是將滲鋁工件埋在粉末狀的滲鋁劑中，

28、固體粉末滲鋁是將滲鋁工件埋在粉末狀的滲鋁劑中，然后加熱到然后加熱到9001050保溫?cái)?shù)小時(shí)即可，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備保溫?cái)?shù)小時(shí)即可，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，特別適合于機(jī)械的零部件；缺點(diǎn)是簡(jiǎn)單，操作方便，特別適合于機(jī)械的零部件；缺點(diǎn)是工件尺寸受到限制，效率不高。工件尺寸受到限制，效率不高。滲鋁劑一般由三部分組成：滲鋁劑一般由三部分組成：鋁粉或鋁鐵合金粉；氧化鋁粉，起稀釋填充和防止金屬粉鋁粉或鋁鐵合金粉；氧化鋁粉，起稀釋填充和防止金屬粉末粘結(jié)的作用；氯化銨末粘結(jié)的作用；氯化銨(活化劑活化劑)。 工件可以是鋼鐵件，也可以是鎳基和鈷基高溫合金，還可工件可以是鋼鐵件，也可以是鎳基和鈷基高溫合金，還可用于鈦合金、

29、銅合金及鉬、鈮等難熔金屬。用于鈦合金、銅合金及鉬、鈮等難熔金屬。 鋼的滲鋁是通過下列反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的：鋼的滲鋁是通過下列反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的： 2NH4Cl 2HCl + N2 + 3H2 6HCl + 2Al 2A1C13 + 3H2 Fe + A1C13 FeCl3 + A1 滲劑可按表滲劑可按表4-2配制。配制。 噴鍍滲鋁法噴鍍滲鋁法 把熱噴涂鋁后的工件在把熱噴涂鋁后的工件在8001000溫度下保溫溫度下保溫5h，讓，讓Al進(jìn)進(jìn)行擴(kuò)散，稱為噴鍍滲鋁。該處理不僅改善了噴鋁層與基體行擴(kuò)散，稱為噴鍍滲鋁。該處理不僅改善了噴鋁層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度，還提高了噴表面的結(jié)合強(qiáng)度，還提高了噴Al層的密度。層的密度。

30、料漿滲鋁法料漿滲鋁法 料漿滲鋁是由固體粉末滲鋁法發(fā)展而來的一種工藝方法。料漿滲鋁是由固體粉末滲鋁法發(fā)展而來的一種工藝方法。將滲鋁劑調(diào)成糊狀，然后涂刷在工件表面上，在將滲鋁劑調(diào)成糊狀，然后涂刷在工件表面上，在120時(shí)烘時(shí)烘干，再加熱到干，再加熱到1000左右進(jìn)行擴(kuò)散滲鋁。左右進(jìn)行擴(kuò)散滲鋁。 氣體滲鋁法氣體滲鋁法 氣體滲鋁是在密封的貫通式爐或井式爐中進(jìn)行，滲鋁氣氛氣體滲鋁是在密封的貫通式爐或井式爐中進(jìn)行，滲鋁氣氛為鋁的鹵化物，反應(yīng)機(jī)理基本同固體粉末法，氣氛可以從為鋁的鹵化物，反應(yīng)機(jī)理基本同固體粉末法，氣氛可以從爐外通人，也可以在爐內(nèi)制取。該法質(zhì)量穩(wěn)定，效率較爐外通人，也可以在爐內(nèi)制取。該法質(zhì)量穩(wěn)定

31、，效率較高。高。 其它滲鋁法其它滲鋁法 上面介紹的五種方法已在我國應(yīng)用，還有下述一些方法正在上面介紹的五種方法已在我國應(yīng)用，還有下述一些方法正在研究中：研究中：電泳滲鋁法：電泳滲鋁法： 先用電泳法將鋁粉均勻地沉積在工件表面上，先用電泳法將鋁粉均勻地沉積在工件表面上，再加熱擴(kuò)散制成鍍層。電泳沉積鋁的溶液是由鋁粉再加熱擴(kuò)散制成鍍層。電泳沉積鋁的溶液是由鋁粉(10m)、無水乙醇和三氯化鋁組成的，配比時(shí)按每升乙醇含鋁粉無水乙醇和三氯化鋁組成的，配比時(shí)按每升乙醇含鋁粉50g、三氯化鋁約三氯化鋁約58g配制。工件為陰極，鋁板為陽極。配制。工件為陰極，鋁板為陽極?？焖匐娂訜釢B鋁法快速電加熱滲鋁法 有三種快速

32、滲鋁工藝：有三種快速滲鋁工藝： (1)高頻加熱熱噴涂之后的工件；高頻加熱熱噴涂之后的工件； (2)在滲鋁氣氛中用高頻電流加熱工件；在滲鋁氣氛中用高頻電流加熱工件； (3)在活性膏劑中用高頻感應(yīng)加熱工件。在活性膏劑中用高頻感應(yīng)加熱工件。該滲鋁法可使?jié)B鋁周期從幾十小時(shí)縮短為幾分鐘甚至該滲鋁法可使?jié)B鋁周期從幾十小時(shí)縮短為幾分鐘甚至幾十秒鐘，且可改善鋁層質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，是幾十秒鐘，且可改善鋁層質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，是近十幾年出現(xiàn)的一種滲鋁新工藝。近十幾年出現(xiàn)的一種滲鋁新工藝。 3滲鋁層的性能滲鋁層的性能 各種滲鋁法形成的滲層基本上可用圖各種滲鋁法形成的滲層基本上可用圖4-6來表示。來表示。 滲鋁

33、層具有特殊的抗氧化性和耐腐蝕性。滲鋁層具有特殊的抗氧化性和耐腐蝕性。 抗氧化性能抗氧化性能 滲鋁后的鋼與原來未滲鋁的鋼相比，使用溫度可提高滲鋁后的鋼與原來未滲鋁的鋼相比，使用溫度可提高200。A3鋼滲鋁后抗高溫氧化性能優(yōu)于鋼滲鋁后抗高溫氧化性能優(yōu)于0Crl7Mnl3Mo2N不銹不銹鋼，與未滲鋁的鋼，與未滲鋁的A3鋼比較，抗高溫氧化能力提高鋼比較，抗高溫氧化能力提高100倍倍以上。以上。 耐腐蝕性耐腐蝕性 滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕最有效的手段之一。在滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕最有效的手段之一。在大氣條件下，滲鋁鋼比熱鍍鋅鋼具有更好的耐蝕性。滲鋁大氣條件下，滲鋁鋼比熱鍍鋅鋼具有更好的耐蝕

34、性。滲鋁鋼的腐蝕量?jī)H是熱鍍鋅鋼的鋼的腐蝕量?jī)H是熱鍍鋅鋼的1/101/5。使用壽命與滲鋁層。使用壽命與滲鋁層厚度的關(guān)系見表厚度的關(guān)系見表4-3。4滲鍍鋁的應(yīng)用滲鍍鋁的應(yīng)用 滲鍍鋁主要用于提高機(jī)件的耐熱耐腐蝕壽命，可用于爐滲鍍鋁主要用于提高機(jī)件的耐熱耐腐蝕壽命，可用于爐內(nèi)構(gòu)件、煙道、汽車消音器、汽車進(jìn)排氣零部件、高溫石內(nèi)構(gòu)件、煙道、汽車消音器、汽車進(jìn)排氣零部件、高溫石油化工用換熱器、加熱管、熱風(fēng)管、加熱爐排風(fēng)扇、空氣油化工用換熱器、加熱管、熱風(fēng)管、加熱爐排風(fēng)扇、空氣預(yù)熱器和熱處理用設(shè)備，以及一切與預(yù)熱器和熱處理用設(shè)備，以及一切與H2S，SO2，CO2，H2CO3，HNO3，液，液N2，水煤氣接觸的

35、設(shè)備。，水煤氣接觸的設(shè)備。 4-5 離子轟擊滲鍍離子轟擊滲鍍 4-5-1 概述概述離子轟擊滲鍍是利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子離子轟擊滲鍍是利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，使表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生改變轟擊工件表面，使表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生改變的處理方法。的處理方法。它與傳統(tǒng)的固、液、氣態(tài)中的滲鍍?cè)聿煌?，是近幾年它與傳統(tǒng)的固、液、氣態(tài)中的滲鍍?cè)聿煌?，是近幾年物質(zhì)的第四態(tài)物質(zhì)的第四態(tài)等離子體在熱滲鍍領(lǐng)域的應(yīng)用。等離子體在熱滲鍍領(lǐng)域的應(yīng)用。 通過輝光放電獲得的等離子體是正離子、負(fù)離子、分子、通過輝光放電獲得的等離子體是正離子、負(fù)離子、分子、中性原子、電子、光子等各

36、種粒子的復(fù)合體。其中帶電粒中性原子、電子、光子等各種粒子的復(fù)合體。其中帶電粒子在電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的粒子與中子在電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的粒子與中性的氣體原子或分子相撞，使其處于激發(fā)態(tài)，成為活性原性的氣體原子或分子相撞，使其處于激發(fā)態(tài)，成為活性原子或離子。這些活性原子或離子，比較容易被金屬表面吸子或離子。這些活性原子或離子，比較容易被金屬表面吸收，進(jìn)入金屬內(nèi)部。收，進(jìn)入金屬內(nèi)部。離子轟擊滲鍍的基本方法可示意于圖離子轟擊滲鍍的基本方法可示意于圖4-7以工件為陰極，容器壁為陽以工件為陰極，容器壁為陽極，調(diào)節(jié)滲劑送氣和抽氣速極，調(diào)節(jié)滲劑送氣和抽氣速率，使維持率，使維持1

37、331333 Pa的的壓力，極間施以壓力，極間施以300 V以上的以上的直流電壓，使產(chǎn)生輝光放電。直流電壓，使產(chǎn)生輝光放電。用離子轟擊進(jìn)行滲鍍，有以下優(yōu)點(diǎn)：用離子轟擊進(jìn)行滲鍍，有以下優(yōu)點(diǎn)：離子對(duì)表面的轟擊可使表面高度活化，且離子和隨離子一離子對(duì)表面的轟擊可使表面高度活化，且離子和隨離子一起沖擊表面的活性原子易被表面吸收，因而滲鍍速度起沖擊表面的活性原子易被表面吸收，因而滲鍍速度很快。很快。(2) 可方便地通過調(diào)整滲劑氣成分、有關(guān)電參數(shù)和氣體參可方便地通過調(diào)整滲劑氣成分、有關(guān)電參數(shù)和氣體參數(shù)控制滲鍍層組織，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲鍍層的要求。數(shù)控制滲鍍層組織，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲鍍層的要求。(3) 由于離子的轟擊作

38、用，可以去除氧化膜和鈍化膜，對(duì)由于離子的轟擊作用，可以去除氧化膜和鈍化膜，對(duì)于那些易氧化或鈍化的金屬如不銹鋼特別適合。于那些易氧化或鈍化的金屬如不銹鋼特別適合。(4) 輝光放電可均勻地覆蓋于工件表面，因此比較適合形輝光放電可均勻地覆蓋于工件表面，因此比較適合形狀復(fù)雜及多溝槽和孔隙工件的處理。狀復(fù)雜及多溝槽和孔隙工件的處理。(5) 易實(shí)現(xiàn)工藝過程的計(jì)算機(jī)控制。易實(shí)現(xiàn)工藝過程的計(jì)算機(jī)控制。4-6 離子滲氮離子滲氮可顯著提高鋼鐵零件表面抗磨、耐疲勞和耐腐蝕性的表面處理可顯著提高鋼鐵零件表面抗磨、耐疲勞和耐腐蝕性的表面處理新工藝。新工藝。把被處理的工件放在真空室，抽真空至把被處理的工件放在真空室，抽真

39、空至13.31.33 Pa，充以稀薄的含氮?dú)怏w如熱分解氨，充以稀薄的含氮?dú)怏w如熱分解氨或氮?dú)浠旌蠚怏w，在陰陽極間加上直流高壓或氮?dú)浠旌蠚怏w，在陰陽極間加上直流高壓后，氣體被電離而發(fā)生輝光放電，放電過程后，氣體被電離而發(fā)生輝光放電，放電過程中氮和氫離子在高壓電場(chǎng)的作用下，沖向陰中氮和氫離子在高壓電場(chǎng)的作用下，沖向陰極表面，產(chǎn)生大量的熱把工件加熱到所需的極表面，產(chǎn)生大量的熱把工件加熱到所需的溫度，同時(shí)氮的離子或原子為工件表面所吸溫度，同時(shí)氮的離子或原子為工件表面所吸附，并迅速擴(kuò)散，形成了一定厚度的氮化層。附，并迅速擴(kuò)散，形成了一定厚度的氮化層。4-6-1 4-6-1 離子氮化機(jī)理離子氮化機(jī)理陰極濺

40、射模型：陰極濺射模型：在輝光放電中，具有高能量的氮、氫離子轟擊作為陰極的在輝光放電中，具有高能量的氮、氫離子轟擊作為陰極的工件，一部分離子直接為表面所吸附，滲人工件，另一部工件，一部分離子直接為表面所吸附，滲人工件，另一部分通過陰極濺射轟擊出電子及鐵、氧等原子。濺射出的鐵分通過陰極濺射轟擊出電子及鐵、氧等原子。濺射出的鐵原子與附近的活性氮原子結(jié)合，形成原子與附近的活性氮原子結(jié)合，形成FeN，被工件吸收。，被工件吸收。FeN受到高溫作用和離子的轟擊按照受到高溫作用和離子的轟擊按照FeN Fe2N Fe3N Fe4N的順序分解為低價(jià)氮化鐵，同時(shí)析出原子的順序分解為低價(jià)氮化鐵，同時(shí)析出原子氮，析出的

41、原子氮向工件內(nèi)部滲入。氮，析出的原子氮向工件內(nèi)部滲入。4-6-2 離子氮化的應(yīng)用離子氮化的應(yīng)用離子氮化的應(yīng)用范圍很廣，碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高速鋼和離子氮化的應(yīng)用范圍很廣，碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高速鋼和鑄鐵都可以用離子氮化來強(qiáng)化表面。鑄鐵都可以用離子氮化來強(qiáng)化表面。例如，機(jī)床工業(yè)中用離子氮化大批量的齒輪、絲桿、離合例如，機(jī)床工業(yè)中用離子氮化大批量的齒輪、絲桿、離合器、頂針套、軸等。切削工具通過離子氮化，可提高壽命器、頂針套、軸等。切削工具通過離子氮化，可提高壽命1.52倍，用于連桿、曲軸、輪轂的熱鍛模，壽命提高倍，用于連桿、曲軸、輪轂的熱鍛模，壽命提高140265。 4-7 離子滲碳離子滲碳滲碳是一門

42、古老的表面熱處理技術(shù)，直到目前仍是提高鋼滲碳是一門古老的表面熱處理技術(shù)，直到目前仍是提高鋼鐵表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的主要的表面處理方法之鐵表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的主要的表面處理方法之一，約占表面強(qiáng)化零件的一，約占表面強(qiáng)化零件的70以上。以上。近幾十年來，滲碳工藝不斷進(jìn)步，由最早的固體滲碳發(fā)展近幾十年來，滲碳工藝不斷進(jìn)步，由最早的固體滲碳發(fā)展為氣體滲碳、真空滲碳。二十世紀(jì)為氣體滲碳、真空滲碳。二十世紀(jì)70年代以后，開始研究、年代以后，開始研究、開發(fā)離子滲碳工藝，并在開發(fā)離子滲碳工藝，并在80年代中期開始在工業(yè)上應(yīng)用。年代中期開始在工業(yè)上應(yīng)用。4-7-1 離子滲碳原理離子滲碳原理在真空狀態(tài)

43、下，以工件為陰極，施以直流電壓，產(chǎn)生輝光在真空狀態(tài)下，以工件為陰極，施以直流電壓，產(chǎn)生輝光放電，碳離子轟擊工件表面，把工件表面加熱并被表面吸放電，碳離子轟擊工件表面，把工件表面加熱并被表面吸收，然后向內(nèi)部擴(kuò)散。收，然后向內(nèi)部擴(kuò)散。4-7-2 等離子滲碳的特點(diǎn)等離子滲碳的特點(diǎn)1不使晶界氧化：等離子滲碳工件在真空中加熱，而且工不使晶界氧化：等離子滲碳工件在真空中加熱，而且工作氣中不含作氣中不含 O2和和H2O，所以不會(huì)發(fā)生晶界氧化。，所以不會(huì)發(fā)生晶界氧化。 2表面滲碳量容易控制：表面滲碳層深度、碳濃度和晶粒表面滲碳量容易控制：表面滲碳層深度、碳濃度和晶粒大小對(duì)工件和機(jī)械性能有重大影響，因此必須嚴(yán)格控制。大小對(duì)工件和機(jī)械性能有重大影響，因此必須嚴(yán)格控制。采用丙烷等離子滲碳可通過氣體流量和等離子體中采用丙烷等離子滲碳可通過氣體流量和等離子體中C3H8分分壓的高精度控制來控制表面滲碳量。壓的高精度控制來控制表面滲碳量。 3多次循環(huán)處理形成復(fù)合硬化層：可以迅速更換滲碳室多次循環(huán)處理形成復(fù)合硬化層：可以迅速更換滲碳室的反應(yīng)氣，為達(dá)到的反應(yīng)氣，為達(dá)到“先滲碳后氮化或先滲碳后氮化或“先氮化后滲