第5章 熱 擴 滲

1、第五章 熱 擴 滲,,引言,將工件放在特殊介質中加熱，使介質中某一種或幾種元素滲入工件表面，形成合金層(或摻雜層)的工藝，就稱為熱擴滲技術，或化學熱處理技術。所形成的合金層稱為熱擴滲層，簡稱滲層。特點是：滲層與基本金屬之間是冶金結合，結合強度很高，滲層不易脫落或者剝落。,,●通過滲入不同合金元素，或者采用不同滲入工藝，可以使工件表面獲得不同組織和性能的擴散層。從而極大提高工件的耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性能等?！衲苓M行熱擴

2、滲的元素包括C，N，B，Zr，Al，Cr, V, Nb, Ti, Si, S等和多元共滲。,第一節(jié) 熱擴滲技術的基本原理,一、熱擴滲層形成的基本條件∵ 滲入元素的原子存在于擴滲層的形式為二種： 固熔體和金屬化合物∴1、滲入元素必須能夠與基體金屬形成固熔體或金屬間化合物。原子直徑，結構，電負性等必須滿足要求。 2、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；

3、 加熱,第一節(jié) 熱擴滲技術的基本原理,4、對靠化學反應提供活性原子的熱擴滲工藝而言，反應必須滿足熱力學條件。置換反應： A+BCl2(氣)ACl+[B]還原反應： BCl2(氣)+H2→2HCl(氣)+[B]分解反應： BCl2(氣)→Cl2(氣)+ [B],第一節(jié) 熱擴滲技術的基本原理,二、滲層形成機理3個過程： ①產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。熱激活能法和化學反應法熱激活能法：用于熱浸滲(鍍)、

4、電鍍滲、化學鍍滲、噴鍍滲和無活化劑的金屬粉末的熱擴滲； 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； ③滲劑元素原子向基體金屬內部擴散，基體金屬原子也同時向滲層中擴散，使?jié)B層增厚。,第一節(jié) 熱擴滲技術的基本原理,三、熱擴滲速度的影響因素●熱擴滲層的形成速度總是由上述三個過程中最慢的一個來制約。初始階段：受供給滲劑活性原子的化學反應速度控

5、制； 反應物濃度；反應溫度；活化劑形成滲層后：主要取決于擴散速度：溫度；時間；晶體結構；晶體缺陷等。,第一節(jié) 熱擴滲技術的基本原理,四、擴滲層的組織特征 ●純擴散 形成連續(xù)固溶體●反應擴散 隨濃度增加而生成新相。例：滲劑元素B向基體金屬A中擴滲并形成滲層的過程,第二節(jié) 熱擴滲工藝的分類,按溫度： 高溫、中溫和低溫熱擴滲 高溫：T＞910ºC，滲速快，滲層厚，有相變，變形大；低溫：T

6、＜720ºC，滲層薄，無相變，變形小；,第二節(jié) 熱擴滲工藝的分類,按化學成分：,熱擴滲技術按滲入元素分類,第二節(jié) 熱擴滲工藝的分類,按滲劑的狀態(tài)：氣體；固體；液體；等離子體，復合熱擴滲5種；,熱擴滲技術按工藝特點分類,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,一、氣體熱擴滲技術的基本工藝特點氣體熱擴滲是把工件置于含有滲劑原子的氣體介質中加熱到滲劑原子能在基體中產(chǎn)生顯著擴散的溫度，使工件表面獲得該滲劑元素的工藝過程。常規(guī)氣體法、低壓氣

7、體法和流態(tài)床法。,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,工藝特點：1．產(chǎn)生活性原子氣體的滲劑可以是氣體、液體、固體，但在擴滲爐內都成為氣體；2．在氣體熱擴滲過程中，滲劑可以不斷補充更新，使活性原子的供給、吸收和向內部擴散的過程持續(xù)維持；3．可以隨時調整爐內氣氛，實現(xiàn)可控熱擴滲。,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,二、氣體滲碳1. 基本特點在增碳的活性氣氛中，將低碳鋼或低碳合金鋼加熱到高溫(一般為900ºC--950ºC)，使活

8、性碳原子進入鋼的表面，以獲得高碳滲層的工藝方法稱為氣體滲碳。鋼件滲碳后，表面為高碳鋼。內部仍保持低碳狀態(tài)。再通過淬火及低溫回火可使?jié)B碳工件具有表面硬度高、耐磨損，心部硬度低、塑性和韌性好的特點，能夠滿足那些工作時許多易磨損件的工況需求，或者需要同時承受較高的表面接觸應力，彎曲力矩及沖擊負荷作用的零件的性能要求。,與氣體滲碳相比,固體滲碳的勞動強度差,生產(chǎn)效率低;液體滲碳穩(wěn)定性差,工件質量波動大;等離子滲碳設備造價高,而且不夠完善。9

9、00-950?C，根據(jù)擴散方程可精確算出擴滲的深度。,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,2. 影響氣體滲碳工藝的主要因素①溫度和時間淺層滲碳2-3h;常規(guī)滲碳5-8h；深層滲碳16-30h②滲碳氣氛 碳勢 ③鋼的化學成分 C的擴散影響 Cr Mo Ni Ti,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,3. 氣體滲碳的主要方式① 滴注式氣體滲碳 煤油② 吸熱式氣氛滲碳 富碳氣+吸熱氣體CO，H2

10、③ 氮基氣氛滲碳,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,氣體滲碳的組織特性和基本性能表面硬度、滲碳層深度、心部硬度表面碳的質量分數(shù)為0.8-1.1%為最好；C＜0.8%，耐磨性和強度不足；C＞1．1% ，淬火后表面碳化物及殘余奧氏體的增加，損壞性能；,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,碳含量從表向里逐漸降低，其緩冷的組織為過共析、共析、亞共析組織；淬火組織為滲碳體＋馬氏體和低碳馬氏體。滲層深度取決于零件的工作條件及心部材料的強度。零件所受負

11、荷越大，滲碳層應越深。零件的心部硬度高，支撐滲層的強度高，滲層可以相應淺一些,5. 彌散碳化物滲碳法用于高合金模具鋼,滲層中會沉淀出大量彌散合金碳化物，含C量高達2%-3%，彌散碳化物的質量分數(shù)高達50%以上。性能非常好。,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,三、氣體滲氮將氮滲入鋼件表面的過程稱為滲氮。氮化層的硬度可以高達950—1200HV，其耐磨性、疲勞強度、紅硬性，抗咬合性能亦優(yōu)于滲碳層。鋼的滲氮溫度低，

12、(480—570℃)．且滲氮后一般隨爐冷卻，工件變形很小。Fe-N相圖,在700?C以下,有5個單相區(qū)和2個共析反應區(qū)組成;,滲氮層各相的特性,,滲氮的滲劑為氨或氨的化合物,用井式爐進行;高溫下,氨分解出氮原子?工件吸附?向內擴散?形成滲氮層,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,滲氮層的高硬度是由于合金氮化物的彌散硬化作用導致的。氮化物自身具有很高的硬度、加上其晶格常數(shù)比基材α-Fe的大得多。因此，當它與母相保持共格聯(lián)系時，使得Fe晶格產(chǎn)生很

13、大的畸變，導致強化效應；滲氮溫度不同．生成的氮化物尺寸大小不同，滲氮后硬度高低也不一樣，隨著滲氮溫度的升高，氮化物尺寸長大并和母相共格關系破壞．滲氮層的硬度便降低?？够鼗?在500C以下長期保持高硬度.,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,四、氣體碳氮共滲和氮碳共滲二元共滲在520-580℃，碳、氮共滲以滲氮為主，因此稱之為氮碳共滲。硬度比滲氮略軟，稱軟氮化在780-930℃，碳、氮共滲以滲碳為主，因此稱之為碳氮共滲。,第三節(jié) 氣體熱擴

14、滲工藝,優(yōu)點：●與滲氮相比， 氮碳共滲所需時間大大縮短：表面化合物中不含ξ脆性相．所以滲層韌性好，裂紋敏感件小，而其它性能與滲氮相似，所以氮碳共滲是—種表面硬度高、耐磨損、抗疲勞、尺寸變形小的熱擴滲工藝；,第三節(jié) 氣體熱擴滲工藝,●與滲碳相比,碳氮共滲能在較低的溫度熱擴滲，零件晶粒不易長大：處理后可以直接淬火；零件變形開裂傾向?。旱臐B入不僅擴大了Y區(qū)，而且提高了奧氏體的穩(wěn)定性，即提高了滲層的淬透性和淬硬性；而且滲層表面殘存一定

15、的壓應力，提高了零件的疲勞強度。Y相區(qū)的擴大還使?jié)B層的碳含量升高.所以與滲碳相比，碳氮共滲的疲勞強度、耐磨性、耐蝕性、抗回火穩(wěn)定性等都更高.,第四節(jié) 液體熱擴滲,將工件浸漬在熔融液體中，使表面滲入一種或幾種元素的熱擴滲工藝方法稱為液體熱擴滲。液體熱擴滲根據(jù)工藝特點可分為鹽浴法、熱浸法、熔燒法三種。鹽浴法 鹽浴為滲劑or鹽浴為載體，懸浮滲劑 滲一種0R幾種元素熱浸法 Zn,Al,Sn金屬中，厚度不均勻熔燒

16、法 滲劑為漿料，燒結擴散，滲層均勻,第四節(jié) 液體熱擴滲,一、低溫鹽浴共滲法特點：溫度低，無相變，變形小，不用精加工，硬度可達HV900。經(jīng)歷了高、中、低氰鹽浴的發(fā)展，污染?●鹽浴氮碳共滲,氧化鹽浴冷卻--Melenite工藝●鹽浴硫氮碳共滲--Sursulf工藝，組織為Fe4N(γ)，F(xiàn)e2-3N(ε)，減摩。,第四節(jié) 液體熱擴滲,Melenite工藝500-600?C ,CNO2- 34%-38%鹽浴氮碳共滲+氧

17、化鹽浴冷卻 不含氰化物CN-極低，無污染,第四節(jié) 液體熱擴滲,鹽浴氮碳共滲工藝及滲層厚度和表面硬度,第四節(jié) 液體熱擴滲,Sursulf工藝氮碳共滲與滲硫；硫的滲入，工件具有耐磨，減磨，抗咬死，抗疲勞性能，并能改善耐蝕性；低含氰化物，無污染；Fe4N（?相）和Fe2-3N （?相）組成的化合物和氮碳擴散層；摩擦系數(shù)更低,第四節(jié) 液體熱擴滲,二、 硼砂熔鹽金屬覆層技術(T.D)法 在高溫下將鋼鐵材料放入硼砂熔

18、鹽浴中一定時間后．可在材料表面形成幾微米到數(shù)十微米的碳化物層、這種工藝就稱為硼砂熔鹽金屬覆層技術。源于滲硼脫水硼砂分子式：Na2B4O7,熔點：740?C，分解溫度1573°C。,第四節(jié) 液體熱擴滲,滲B過程：●加Al粉，還原出活性B原子，使之滲B；●加與O親和力小于B的單質（Cr,V,Nb）,則還原出這些單質活性原子，彌散懸浮溶解在硼砂中，通過對流，與金屬表面接觸，向金屬內擴散，形成金屬滲層。,處理溫度為900

19、-980?C，擴散差異，形成C化物。,第四節(jié) 液體熱擴滲,●特點：T.D法處理溫度為900-980°C，在中，高碳鋼處理時，金屬原子一旦被工件吸附，就與工件中的C原子生成碳化物。C在C化物中的擴散能力高，雙向擴散機理；比單質原子（半徑大）造成晶格畸變小，獲得的覆層硬度極高。HV0.1＞1300；,第四節(jié) 液體熱擴滲,三、熱浸鋅和熱浸鋁1. 熱浸滲工藝的基本特點將鋼浸到熔融的Zn,Al液中，表面形成Zn及Zn合金,

20、or Al及Al合金。 工藝簡單，成本低廉，易實現(xiàn)自動化； 大大提高耐腐蝕性能；,第四節(jié) 液體熱擴滲,過程： 鐵基表面被溶解，并形成合金層；合金層中的滲入原子向內擴散，形成固熔體或化合物；合金層表面包絡一層純金屬。,第四節(jié) 液體熱擴滲,2. 工藝方法干法： 用于鋼絲及鋼制零部件的熱浸滲 脫脂除銹?溶劑處理?干燥?熱浸滲?水冷,第四節(jié) 液體熱擴滲,氧化還原法：主要用于鋼板、鋼帶的連續(xù)熱浸滲。,第四節(jié) 液體熱擴滲,3

21、.熱浸鋅的工藝和性能鋅液為Zn-Al, Zn-Ni浴等 工藝參數(shù)為：鋅液溫度；浸漬時間；抽出速度。1) 鋅液T：440-465°C最佳；●溫度過高，浸鋅層塑性↓，鋅鍋壽命↓，鋅液對基體鐵溶解加快?！駵囟冗^低，粘度↑，浸鋅層厚度不均勻性↑。,第四節(jié) 液體熱擴滲,2) 浸Zn時間和抽出速度時間增加4倍，合金層重量增加1倍；抽出速度低，鋅層??；反之，鋅層厚；速度過快，引起凸凹不平。熱浸鋅的耐蝕性：形成致密的

22、ZnCO3·Zn(OH)3保護膜;若有局部損壞，有陰極保護作用。,第四節(jié) 液體熱擴滲,4．熱浸Al工藝和性能處理溫度為700--930°C，保溫10-20min；耐高溫氧化用品必須進行擴散退火，900--980°C，保溫4--6h，表面生成Al203膜.,第五節(jié) 固體熱擴滲,一、 固體熱擴滲的基本特點固體熱擴滲是把工件放入固體滲劑中或用固體滲劑包裹工件加熱到一定溫度保溫一段時間，使工件表面滲

23、入某種元素或多種元素的工藝過程。在固體熱擴滲中，影響滲層深度和質量的因素是溫度和時間以及固體滲劑的成分。,第五節(jié) 固體熱擴滲,固體滲劑一般由供滲劑、催滲劑(活化劑)、填充劑組成：供滲劑的作用是能產(chǎn)生活性原子。如供滲劑是化合物，還需加入還原劑，使之產(chǎn)生活性原子。催滲劑的作用是能促進活性原子滲入，而在由還原劑組成的滲劑中能促進還原反應進行或兼有促進活性原子滲入這兩種作用。填充劑的作用主要是減少滲劑的板結，方便工件的取出，并降低成

24、本。還原劑的作用是能將欲滲元素還原成活性原子。兩種形式：粉末；膏劑,第五節(jié) 固體熱擴滲,二、固體滲硼將硼元素滲入工件表面的熱擴滲工藝稱為滲硼。滲硼能顯著地提高鋼件表面硬度和耐磨性，特別是耐磨粒磨損能力。滲硼層還具有良好的耐熱性和耐蝕性。硼碳復合滲是目前提高鋼件耐磨粒磨損性能的最好工藝之一。滲硼方法有粉末法、膏劑法和熔鹽法。,第五節(jié) 固體熱擴滲,1. 滲硼工藝及特點固體滲硼的工藝非常簡單。將工件放入滲硼箱，四周填充滲

25、硼劑。將滲硼箱密封后放入加熱爐中加熱，保溫數(shù)小時后出爐。由于硼在γ鐵和α鐵中的溶解度低于0.002％，易與鐵形成楔形的硼化物Fe2B(含合金元素則以(Fe，M)2B表示)。若滲硼劑活性高。在滲層中還會出現(xiàn)第二種硼化物FeB．由于Fe—B的共晶溫度為1146℃，而合金元素會使共晶點下降，因此滲硼溫度一般不超過1000℃。對變形有要求的工件，鋼件的滲硼溫度一般為850—900℃。,第五節(jié) 固體熱擴滲,第五節(jié) 固體熱擴滲,●供硼劑一

26、般選用含硼量高的物質，如碳化硼、硼鐵、硼砂；●催滲劑多用碳化物、氟化物和氯化物；●填充劑為碳化硅或三氧化二鋁；,第五節(jié) 固體熱擴滲,第五節(jié) 固體熱擴滲,2．滲硼件的性能 滲硼件硬度極高，耐磨、耐蝕、抗氧化性能好，而且摩擦系數(shù)小。1）硬度 FeB顯微硬度為1800—2200HV；Fe2B顯微硬度為1200—1800HV。鉭的硼化物硬度高于300HV，鈮、鎢、鉬的硼化物硬度也都在2000HV以上。鋼中含碳量的增加可

27、減少雙相型滲硼層中FeB的相對含量并使FeB的硬度降低。,第五節(jié) 固體熱擴滲,2）強度與耐磨性 鋼件經(jīng)滲硼處理后抗拉強度和韌性下降．但抗壓強度提高。滲硼工件耐粘著磨損性能比滲碳淬火、離子滲氮更高，耐磨料磨損能力也非常好3）耐腐蝕性能 鋼件滲硼后在硫酸、鹽酸、磷酸等水溶液中的耐蝕性能均明顯提高，但不耐硝酸及海水腐蝕。4）抗高溫氧化性能 滲硼層具有—定抗高溫氧化性能。在空氣中加熱到800?C持續(xù)40h，氧化增重甚微。,第

28、六節(jié) 等離子體熱擴滲,等離子體熱擴滲，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，形成熱擴滲層的工藝過程。,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,一、等離子體熱擴滲的基本特點與普通氣體熱擴滲技術相比，等離子體熱擴滲技術具有如下特點：1) 離子轟擊工件使其表面高度活化．易于吸收被滲離子和隨離子一起沖擊工件表面的活性原子，因而熱擴滲速度加快。2) 通過調節(jié)電參數(shù)、滲劑氣體成分和壓力等參數(shù)來控制熱擴滲層的組織，使工件滿足各種工況的要求。3

29、) 離子轟擊作用可以去除工件表面的氧化膜和鈍化膜，使易氧化或純化的金屬(如不銹鋼等)能進行有效熱擴滲。4) 易實現(xiàn)工藝過程的計算機控制。,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,二、等離子體熱擴滲原理1．氣體放電方式及伏安特性曲線被激放電區(qū)（Oabc）、自激放電區(qū)(cd)、正常輝光放電區(qū)(de)、異常輝光放電區(qū)(ef)、弧光放電區(qū)(fg)；,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,離子滲氮一、工藝特點,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,二、離子滲氦的組織及影響因素

30、離子滲氮滲層結構與氣體滲氮相似。但離子滲氮易于調整工藝參數(shù)，獲得不同滲層組織：1.單一擴散層; 2. γ’+擴散層；3. ε+γ’+擴散層；4. ε+擴散層。影響離子滲氮層的主要因素有： (1)溫度 隨著溫度的升高，滲層厚度增加，在570-600?C達到極大值.隨著溫度的升高。ε相的數(shù)量減少．γ’相的數(shù)量增多。,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,(2)時間 隨著時間的延長，滲氮層的成分會發(fā)生變化。由于ε相在氮離子的不斷轟擊下，熱穩(wěn)定

31、件降低而易于分解，所以ε相減少．γ’相增多。在適當長的時間內，可獲得最大厚度的γ’相層；(3)氣體成分 離子滲氮使用純氨、純氮、氮氣和氫氣等多種氣體。使用純氮效果不如氮氣和氫氣好。而氮氣和氫氣的混合比例不同，滲層表面氮含量不同．滲層表面相成分就不同。通過調節(jié)氮氣和氫氣的混合比例，就可獲得不同氮含量的滲層。氨氣中氮與氫的摩爾分數(shù)分別是25％和75％，但用氨氣滲氮比用摩爾分數(shù)為25％氮氣和75％氫氣的混合氣滲氮所獲的表面氮含量高。不過，

32、使用純氨時，由于氨的分解率不易控制，氣氛中的氮勢不穩(wěn)定。,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,(4)爐氣氣壓、輝光放電電壓和電流密度 在一般離子滲氮爐中，氣壓、電壓與電流密度是互有牽制的因素。在氣壓一定時．隨著電壓的升高，電流密度升高；在電壓一定時，爐氣氣壓對輝光層厚度有影響。對于不同形狀的工件應選擇相應的氣壓以獲得均勻的滲層。例如，對于小孔和槽的滲氮要采用較高的氣壓。,第六節(jié) 等離子體熱擴滲,3. 離子滲氮層的性能(1)硬度(2)疲勞