厦门大学材料表面工程四章节

第四章第四章 热渗镀热渗镀 4.1 概述概述 4-2 热渗镀原理热渗镀原理 4-3 TRD渗镀法渗镀法 4-4 热浸镀热浸镀 4-5 离子轰击渗镀离子轰击渗镀 4-6 离子渗氮离子渗氮 4-7 离子渗碳离子渗碳 4.1 概述概述用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面，得到一扩散合金层，称为热渗镀。面，得到一扩散合金层，称为热渗镀。该技术的突出特点是表面强化层的形成主要依靠加热扩散该技术的突出特点是表面强化层的形成主要依靠加热扩散的作用，因而不存在结合力不足的问题。的作用，因而不存在结合力不足的问题。热渗镀：热渗镀：加热加热+扩散扩散 渗入基体渗入基体 合金层合金层 热渗镀材料的选择范围很宽，渗入不同元素可得到不同组热渗镀材料的选择范围很宽，渗入不同元素可得到不同组织和性能的表面，这些性能包括：耐腐蚀性、耐磨性、耐织和性能的表面，这些性能包括：耐腐蚀性、耐磨性、耐高温氧化性等。高温氧化性等。热渗镀的方法很多，按接触介质划分有：固渗、液渗、气热渗镀的方法很多，按接触介质划分有：固渗、液渗、气渗和等离子渗；按复合手段划分有：电泳渗、料浆渗、喷渗和等离子渗；按复合手段划分有：电泳渗、料浆渗、喷涂渗、电镀渗和化学镀渗等。涂渗、电镀渗和化学镀渗等。热渗镀方法分类详见下图：热渗镀方法分类详见下图：1固渗法固渗法 粉末包渗法粉末包渗法 粉末包渗法是固渗中最普通的方法。粉末包渗法是固渗中最普通的方法。把工件埋人装有渗层金属粉末的容器里把工件埋人装有渗层金属粉末的容器里 进行加热扩散，在粉末中加入防粘结粉进行加热扩散，在粉末中加入防粘结粉 末末(如如Al2O3)和活化剂。和活化剂。活化剂一般为卤化物，如活化剂一般为卤化物，如NH4C1，NH4Br，NH4I等。等。以以NH4C1为例，加热时发生下列反应：为例，加热时发生下列反应：NH4C1 NH3+HCl 2NH3 3H2+N2 2HCl+MF MC12+H2M是欲渗金属。卤化物分解生成的是欲渗金属。卤化物分解生成的N2和和H2会排除容器内会排除容器内的空气造成还原气氛。的空气造成还原气氛。HCl与与M反应生成反应生成MCl2，随着加热的进行，随着加热的进行，MCl2气化，气化，与基体金属与基体金属A反应，生成活性原子反应，生成活性原子M：MC12+A AC12+M活性金属原子活性金属原子M随后扩散渗入基体金属表面，与基体随后扩散渗入基体金属表面，与基体形合金镀层。形合金镀层。粉末包渗法的优点粉末包渗法的优点:设备简单，操作容易，适用于形状复杂的工件的设备简单，操作容易，适用于形状复杂的工件的 渗镀；渗镀；缺点：效率低，尺寸受限制，温度高，时间长，基体金属缺点：效率低，尺寸受限制，温度高，时间长，基体金属 的强度有一定降低。的强度有一定降低。流化床法流化床法这种方法与粉末包渗法相似，不同之处是将工件放于带这种方法与粉末包渗法相似，不同之处是将工件放于带有固体渗剂的流化床内，然后加热，同时通人卤气和运有固体渗剂的流化床内，然后加热，同时通人卤气和运载气体载气体(H2，Ar)，使之与流体粒子反应产生欲渗金属的，使之与流体粒子反应产生欲渗金属的活性原子渗入工件。活性原子渗入工件。优点：传热性好，渗速快，渗层质量高并有利于机械化优点：传热性好，渗速快，渗层质量高并有利于机械化和自动化；缺点：流化床设备装置成本极高，运转费用和自动化；缺点：流化床设备装置成本极高，运转费用大，尚未推广使用。大，尚未推广使用。2液渗法液渗法 热浸法热浸法将工件直接浸入某一液态金属中，经较短时间即形成合将工件直接浸入某一液态金属中，经较短时间即形成合金镀层。当浸渍时间极短时，所形成的镀层只是附着层金镀层。当浸渍时间极短时，所形成的镀层只是附着层而不是扩散层，与基体金属结合不牢固，在热浸后还要而不是扩散层，与基体金属结合不牢固，在热浸后还要加热使镀层进行扩散，以形成合金层。加热使镀层进行扩散，以形成合金层。优点：设备简单，操作容易，被广泛采用。优点：设备简单，操作容易，被广泛采用。这种方法多用于钢铁制品的镀锌、镀铝、镀锡等。这种方法多用于钢铁制品的镀锌、镀铝、镀锡等。熔烧法熔烧法把渗镀金属或合金粉末加粘结剂后制成料浆，再将料把渗镀金属或合金粉末加粘结剂后制成料浆，再将料浆均匀涂敷于工件表面上，干燥后在惰性气体或真空浆均匀涂敷于工件表面上，干燥后在惰性气体或真空环境中以稍高于料浆熔点的温度加热烧结，通过液环境中以稍高于料浆熔点的温度加热烧结，通过液-固固界面扩散而形成合金层。界面扩散而形成合金层。与热浸法相比，该法能获得成分和厚度都很均匀的渗与热浸法相比，该法能获得成分和厚度都很均匀的渗层，同时具有热传递性好、渗速快等特点。层，同时具有热传递性好、渗速快等特点。盐浴法盐浴法盐浴法是在金属盐熔融液体中加入盐浴法是在金属盐熔融液体中加入V，Nb，Cr，Ti，Ta等铁合金粉末，然后把含有较高等铁合金粉末，然后把含有较高C，N的钢件浸入，在的钢件浸入，在800 1250 C温度下，经过温度下，经过0.510 h的时间后，可在表的时间后，可在表面上形成一极硬的金属的碳氮化合物薄层，从而赋予工面上形成一极硬的金属的碳氮化合物薄层，从而赋予工件表面很高的耐磨性。件表面很高的耐磨性。3气渗法气渗法 首先把工件加热到渗剂原子在基体中能产生显著扩散的首先把工件加热到渗剂原子在基体中能产生显著扩散的温度，然后把含有渗镀金属卤化物温度，然后把含有渗镀金属卤化物(MCl2)的氢气通人，的氢气通人，气体和表面接触时，工件表面的金属气体和表面接触时，工件表面的金属A和氢与和氢与MCl2发生发生反应。反应。MCl2+A ACl2+M MCl2+H2 2HCl+M 反应生成的活性原子反应生成的活性原子M渗人工件表面。渗人工件表面。实现气渗工艺大致可分为两大类：实现气渗工艺大致可分为两大类：一类是渗镀金属同工件不在同一空间，用氢气做载体把欲一类是渗镀金属同工件不在同一空间，用氢气做载体把欲渗金属的卤化物运载到工件表面；渗金属的卤化物运载到工件表面；另一类是渗镀金属同工件在同一空间，使另一类是渗镀金属同工件在同一空间，使HCl气体先流过气体先流过被加热了的渗剂金属产生金属氯化物气体，随后使氯化物被加热了的渗剂金属产生金属氯化物气体，随后使氯化物气体流经金属表面，置换出活性原子气体流经金属表面，置换出活性原子M，进行渗镀。，进行渗镀。优点：渗层厚度均匀，易控制，对异形件和小孔结构的渗优点：渗层厚度均匀，易控制，对异形件和小孔结构的渗镀效果好，且无粉尘，劳动条件好。镀效果好，且无粉尘，劳动条件好。4离子轰击渗镀法离子轰击渗镀法离子轰击渗镀法是利用物质的第四态离子轰击渗镀法是利用物质的第四态等离子体进行渗等离子体进行渗镀。等离子体是利用低真空下气体辉光放电获得的，因镀。等离子体是利用低真空下气体辉光放电获得的，因为离子活性比原子高，加上电场的作用，因此渗速较高，为离子活性比原子高，加上电场的作用，因此渗速较高，质量较好。质量较好。但是该法除离子氮化已经成熟，包括渗碳在内的离子渗但是该法除离子氮化已经成熟，包括渗碳在内的离子渗金属尚在开发之中。金属尚在开发之中。5复合渗复合渗 复合渗是固渗的发展，即采用各种镀层手段先在工件表面制造一固相复合渗是固渗的发展，即采用各种镀层手段先在工件表面制造一固相涂层，然后把工件连同涂层一起加热。涂层，然后把工件连同涂层一起加热。包括：包括：电泳渗电泳渗 料浆渗料浆渗 喷镀渗喷镀渗 电镀渗电镀渗 化学镀渗化学镀渗 真空渗镀真空渗镀 4-2 热渗镀原理热渗镀原理 4-2-1 热渗镀的基本过程热渗镀的基本过程一般说来热渗镀的基本过程应包括四个步骤。一般说来热渗镀的基本过程应包括四个步骤。介质中发生化学反应，以提供界面反应所需要的反应物；介质中发生化学反应，以提供界面反应所需要的反应物；反应物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩散；反应物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩散；反应物中的某些粒子被金属表面吸附，并发生界面反应；反应物中的某些粒子被金属表面吸附，并发生界面反应；界面反应产生的活性原子为金属表面层吸收并向纵深迁移，达到一界面反应产生的活性原子为金属表面层吸收并向纵深迁移，达到一定的深度，此称内扩散。定的深度，此称内扩散。在这四个步骤中，最关键的是进行最慢的步骤，即控制步在这四个步骤中，最关键的是进行最慢的步骤，即控制步骤。骤。步骤步骤速度快，不会对整个过程产生阻碍作用。速度快，不会对整个过程产生阻碍作用。步骤步骤虽然是一个扩散过程，但此扩散是在气态或液态下进虽然是一个扩散过程，但此扩散是在气态或液态下进行，扩散速率要远远大于元素在固态内的扩散，因而也不可行，扩散速率要远远大于元素在固态内的扩散，因而也不可能成为控制步骤。能成为控制步骤。后两个步骤都有可能成为过程中的控制步骤。可根据渗层深后两个步骤都有可能成为过程中的控制步骤。可根据渗层深度和时间的关系来判定究竟是步骤度和时间的关系来判定究竟是步骤还是还是是控制步骤。是控制步骤。大部分渗镀处理的控制步骤是内扩散，因此提高温度可加大部分渗镀处理的控制步骤是内扩散，因此提高温度可加速扩散的进行。但如果界面反应是控制步骤，则仅靠提高速扩散的进行。但如果界面反应是控制步骤，则仅靠提高温度就未必会收到加速的效果。温度就未必会收到加速的效果。一般来说，在初始阶段，金属表面上的浓度较低，界面反一般来说，在初始阶段，金属表面上的浓度较低，界面反应大多是控制步骤；到一定的程度，渗镀元素在表面的浓应大多是控制步骤；到一定的程度，渗镀元素在表面的浓度高达某一值后，渗层厚度的增长主要靠内扩散来进行，度高达某一值后，渗层厚度的增长主要靠内扩散来进行，因此扩散成了控制步骤。因此扩散成了控制步骤。4-2-2 渗层的形成条件渗层的形成条件渗层是基体金属和渗入元素原子混合或化合组成的薄合金层，形成条渗层是基体金属和渗入元素原子混合或化合组成的薄合金层，形成条件为：件为：(a)渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金属间化合物；渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金属间化合物；(b)渗入元素与基体金属必须保持紧密的接触，即渗入元素可在界渗入元素与基体金属必须保持紧密的接触，即渗入元素可在界 面被吸附；面被吸附；(c)必须保持一定的温度，使原子获得足够的扩散动力；必须保持一定的温度，使原子获得足够的扩散动力；(d)生成活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件。生成活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件。渗层能否形成，关键在于渗入元素能否与基体金属形成渗层能否形成，关键在于渗入元素能否与基体金属形成有一定浓度变化范围的二元合金相。形成这种相后，才有一定浓度变化范围的二元合金相。形成这种相后，才可能造成浓度差，从而使渗入元素获得扩散所需要的驱可能造成浓度差，从而使渗入元素获得扩散所需要的驱动力。动力。影响固溶体或金属间化合物形成的因素主要有：原子相影响固溶体或金属间化合物形成的因素主要有：原子相对大小，原子间的化学亲合力，点阵类型以及相对原子对大小，原子间的化学亲合力，点阵类型以及相对原子价。多数情况下，可通过原子相对大小初步判定固溶体价。多数情况下，可通过原子相对大小初步判定固溶体渗层形成的可能性。渗层形成的可能性。4-3 TRD渗镀法渗镀法 TRD(Surface Coating by Thermo-Reactive Deposition and Diffusion)称为热反应沉积和扩散的表面覆层法，称为热反应沉积和扩散的表面覆层法，简称为简称为TRD渗镀法或渗镀法或TD法。法。应用最广泛的是用熔盐浸镀法在工件表面上涂覆应用最广泛的是用熔盐浸镀法在工件表面上涂覆VC，NbC，CrxCy等碳化物。等碳化物。4-3-1 处理方法处理方法 TRD处理的设备如图处理的设备如图4-4所示。所示。将将70 90的硼砂放人耐热钢坩埚中熔融后，向坩埚中加入可形成的硼砂放人耐热钢坩埚中熔融后，向坩埚中加入可形成欲镀覆的碳化物的物质。例如欲涂欲镀覆的碳化物的物质。例如欲涂VC时，加入时，加入Fe-V的合金粉末或的合金粉末或V2O5粉末，将含碳的钢件浸入此盐浴中，在粉末，将含碳的钢件浸入此盐浴中，在8001200 C保温保温1 10 h，便得到了仅由碳化物镀覆的表面层。碳的来源完全依靠钢中自身的碳便得到了仅由碳化物镀覆的表面层。碳的来源完全依靠钢中自身的碳向外扩散。向外扩散。4-3-2 影响涂层厚度的因素影响涂层厚度的因素影响涂层厚度的主要因素是盐浴温度、处理时间和钢中的含影响涂层厚度的主要因素是盐浴温度、处理时间和钢中的含碳量。碳量。镀层成长的速率主要取决于碳原子的扩散速率，有下列关系镀层成长的速率主要取决于碳原子的扩散速率，有下列关系式：式：2=A t e-QRT 式中，式中，为涂层厚度，为涂层厚度，t为浸镀时间，为浸镀时间，T为浸镀温度，为浸镀温度，Q为碳为碳扩散活化能扩散活化能 钢中的含碳量越高，温度越高，镀层增厚越快。钢中的含碳量越高，温度越高，镀层增厚越快。4-3-3 镀层性能镀层性能 镀层特点：镀层特点：1硬度硬度：高高 2耐磨性耐磨性：好好 3抗热粘结性抗热粘结性：良好良好 4抗剥离性抗剥离性：良好良好 5抗氧化及耐蚀性：一般具有良好的抗氧化及耐蚀性，抗氧化及耐蚀性：一般具有良好的抗氧化及耐蚀性，随镀覆的碳化物种类的不同而不同。随镀覆的碳化物种类的不同而不同。6韧脆性韧脆性：与淬火回火钢大体处于同一水平。：与淬火回火钢大体处于同一水平。4-4 热浸镀热浸镀 4-4-1 热镀锌热镀锌1镀层形成理论镀层形成理论 热镀锌是一种经济实惠的材料保护工艺，其形成要经历如下热镀锌是一种经济实惠的材料保护工艺，其形成要经历如下步骤：步骤：铁基表面被锌液溶解形成铁锌合金相层；铁基表面被锌液溶解形成铁锌合金相层；合金层中的锌原子进一步向基体扩散，形成锌铁固溶体；合金层中的锌原子进一步向基体扩散，形成锌铁固溶体；合金层表面包络一薄锌层。合金层表面包络一薄锌层。热镀锌层的组织由内向外按下列顺序排列：热镀锌层的组织由内向外按下列顺序排列：与钢基体相接的是与钢基体相接的是 相，即相，即Zn在在Fe中的固溶体中的固溶体(Zn-Fe合金合金)；由由 相相向外，是化合物向外，是化合物 相，相，Fe3Zn10，硬度，硬度515 HV，质脆；，质脆；再向外是再向外是 1化合物相，化合物相，FeZn7，成栅状分布，成栅状分布，硬度硬度454 HV，韧性好；再向外是韧性好；再向外是 相，相，FeZnl3，硬度不高，硬度不高(270 HV)，性脆；，性脆；最外层是最外层是 相，即纯相，即纯Zn层，该层是钢铁件从锌液中取出时，层，该层是钢铁件从锌液中取出时，在合金层上粘附的液体锌凝固而成。在合金层上粘附的液体锌凝固而成。热镀锌的工艺就是调整各相的比例，得到结合力高、致密且热镀锌的工艺就是调整各相的比例，得到结合力高、致密且具有良好外观的镀锌层。具有良好外观的镀锌层。2热镀锌的方法热镀锌的方法 目前工业上应用的热镀锌方法有：目前工业上应用的热镀锌方法有：干法热、氧化还原法、湿法、铅锌法、单面热镀锌等多种。干法热、氧化还原法、湿法、铅锌法、单面热镀锌等多种。应用最多的是干法热镀锌和氧化还原法热镀锌。应用最多的是干法热镀锌和氧化还原法热镀锌。干法热镀锌干法热镀锌 干法热镀锌是先把预处理后的清洁工件进行溶剂处理，干法热镀锌是先把预处理后的清洁工件进行溶剂处理，干燥后再把工件浸入熔融锌液中去。干燥后再把工件浸入熔融锌液中去。溶剂处理的目的是去除工件表面上残存的铁盐，将预溶剂处理的目的是去除工件表面上残存的铁盐，将预处理后新生成的锈层溶解，活化钢件表面，提高锌液浸处理后新生成的锈层溶解，活化钢件表面，提高锌液浸润铁基体的能力，增加镀层的结合力。润铁基体的能力，增加镀层的结合力。锌的熔点是锌的熔点是419.5，在热镀锌工业中把锌液温度分为，在热镀锌工业中把锌液温度分为5个个区域：区域：1)在在480以下，锌液对基体铁溶解缓慢，工业上一般不以下，锌液对基体铁溶解缓慢，工业上一般不采用；采用；2)在在540左右，锌液对铁溶解力很强，可用于镀灰铸铁左右，锌液对铁溶解力很强，可用于镀灰铸铁工件；工件；3)495左右，这是锌液对铁的恶性溶解温度，镀层疏松，左右，这是锌液对铁的恶性溶解温度，镀层疏松，是热镀锌的禁区；是热镀锌的禁区；4)620左右，铁锌结合层很快形成，是钢铁件热镀锌的左右，铁锌结合层很快形成，是钢铁件热镀锌的最佳温度；最佳温度；5)660以上，铁急剧溶解，工件表面挂不上锌，这是应以上，铁急剧溶解，工件表面挂不上锌，这是应避免的温度。避免的温度。干法热镀锌允许有较高的含铝量，因此锌液表面能生成一干法热镀锌允许有较高的含铝量，因此锌液表面能生成一层薄层薄(0.1 m)A12O3保护膜，防止锌液氧化。保护膜，防止锌液氧化。加铝还可得到塑性较高的镀锌层。加铝还可得到塑性较高的镀锌层。氧化还原法热镀锌氧化还原法热镀锌 该法取消了碱洗、酸洗和溶剂处理等表面预处理。该法取消了碱洗、酸洗和溶剂处理等表面预处理。其工艺过程为先使钢件通过氧化性气氛的预热炉其工艺过程为先使钢件通过氧化性气氛的预热炉(炉内炉内加热温度为加热温度为440460)，再把工件送进还原性气氛，再把工件送进还原性气氛炉中把氧化皮还原并加热到规定的温度，接着将钢件浸炉中把氧化皮还原并加热到规定的温度，接着将钢件浸人约人约440460温度的锌液中进行镀锌。温度的锌液中进行镀锌。3热镀锌层的性能热镀锌层的性能 镀锌层的防护性能表现在两个方面：镀锌层的防护性能表现在两个方面：1、锌在大气中能在表面形成一层致密、坚固、耐蚀、锌在大气中能在表面形成一层致密、坚固、耐蚀的的ZnCO33Zn(OH)3保护膜，保护了下面的保护膜，保护了下面的Zn和和Fe免于腐蚀；免于腐蚀；2、对于局部损坏处有阴极保护的作用。、对于局部损坏处有阴极保护的作用。4热镀锌的应用热镀锌的应用热镀锌不仅适用于较小的工件热镀锌不仅适用于较小的工件(如螺母、螺栓、弹簧等标如螺母、螺栓、弹簧等标准件准件)，而且还能用于镀锌钢管、钢板、钢丝的大批量生，而且还能用于镀锌钢管、钢板、钢丝的大批量生产。产。目前该工艺正广泛地应用于在大气和海洋中工作的钢铁目前该工艺正广泛地应用于在大气和海洋中工作的钢铁构件上。构件上。4-4-2 热渗镀铝热渗镀铝 当钢中含铝量高于当钢中含铝量高于8时，其表面能形成致密的铝氧化膜，时，其表面能形成致密的铝氧化膜，有良好的抗氧化性和抗蚀性。但钢中含这样高的铝时就会变有良好的抗氧化性和抗蚀性。但钢中含这样高的铝时就会变脆。脆。采用渗铝的方法既可保持钢件心部的韧性，又可提高表面采用渗铝的方法既可保持钢件心部的韧性，又可提高表面的抗氧化性和抗蚀性。的抗氧化性和抗蚀性。1热浸铝热浸铝 热浸镀铝是当前最受重视的渗铝方法。把预处理过的工件浸热浸镀铝是当前最受重视的渗铝方法。把预处理过的工件浸人熔融的人熔融的 铝浴中保温一定时间取出，使其表面渗入一层铝。铝浴中保温一定时间取出，使其表面渗入一层铝。(1)热浸铝机理热浸铝机理当液态铝与铁接触时，由于相界面当液态铝与铁接触时，由于相界面反应首先生成反应首先生成 FeAl3化合物；此后化合物；此后继续扩散，继续扩散，FeAl3层加厚，由于浓度层加厚，由于浓度起伏，起伏，FeAl3表表 面上出现面上出现Fe2Al5微区；微区；随着随着Al的进一步的进一步 扩散，扩散，Fe2Al5相不相不断扩大成柱状晶，断扩大成柱状晶，FeAl3相逐相逐渐减少。渐减少。(2)浸铝层的组织特点浸铝层的组织特点 基本可分为两层：基本可分为两层：最外层为富最外层为富A1层，成分基本同铝液；层，成分基本同铝液；次层是次层是Al，Fe合金层，主要是金属化合物合金层，主要是金属化合物Fe2Al5相，还有相，还有少量少量FeAl3相，相，Fe2Al5相呈舌状伸人钢中。相呈舌状伸人钢中。Fe2Al5相质硬而脆，要尽可能抑制其生长，一股把其控制相质硬而脆，要尽可能抑制其生长，一股把其控制在渗层的在渗层的1/10范围内为好。范围内为好。控制浸镀温度控制浸镀温度(700730)，加入，加入26的的Si或加入或加入0.6的的Be都有助于减少都有助于减少Fe2Al5的厚度。的厚度。2其它渗镀铝的方法其它渗镀铝的方法 固体粉末渗铝固体粉末渗铝 固体粉末渗铝是将渗铝工件埋在粉末状的渗铝剂中，固体粉末渗铝是将渗铝工件埋在粉末状的渗铝剂中，然后加热到然后加热到9001050保温数小时即可，优点是设备保温数小时即可，优点是设备简单，操作方便，特别适合于机械的零部件；缺点是简单，操作方便，特别适合于机械的零部件；缺点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。渗铝剂一般由三部分组成：渗铝剂一般由三部分组成：铝粉或铝铁合金粉；氧化铝粉，起稀释填充和防止金属粉铝粉或铝铁合金粉；氧化铝粉，起稀释填充和防止金属粉末粘结的作用；氯化铵末粘结的作用；氯化铵(活化剂活化剂)。工件可以是钢铁件，也可以是镍基和钴基高温合金，还可工件可以是钢铁件，也可以是镍基和钴基高温合金，还可用于钛合金、铜合金及钼、铌等难熔金属。用于钛合金、铜合金及钼、铌等难熔金属。钢的渗铝是通过下列反应实现的：钢的渗铝是通过下列反应实现的：2NH4Cl 2HCl+N2+3H2 6HCl+2Al 2A1C13+3H2 Fe+A1C13 FeCl3+A1 渗剂可按表渗剂可按表4-2配制。配制。喷镀渗铝法喷镀渗铝法 把热喷涂铝后的工件在把热喷涂铝后的工件在8001000温度下保温温度下保温5h，让，让Al进进行扩散，称为喷镀渗铝。该处理不仅改善了喷铝层与基体行扩散，称为喷镀渗铝。该处理不仅改善了喷铝层与基体表面的结合强度，还提高了喷表面的结合强度，还提高了喷Al层的密度。层的密度。料浆渗铝法料浆渗铝法 料浆渗铝是由固体粉末渗铝法发展而来的一种工艺方法。料浆渗铝是由固体粉末渗铝法发展而来的一种工艺方法。将渗铝剂调成糊状，然后涂刷在工件表面上，在将渗铝剂调成糊状，然后涂刷在工件表面上，在120时烘时烘干，再加热到干，再加热到1000左右进行扩散渗铝。左右进行扩散渗铝。气体渗铝法气体渗铝法 气体渗铝是在密封的贯通式炉或井式炉中进行，渗铝气氛气体渗铝是在密封的贯通式炉或井式炉中进行，渗铝气氛为铝的卤化物，反应机理基本同固体粉末法，气氛可以从为铝的卤化物，反应机理基本同固体粉末法，气氛可以从炉外通人，也可以在炉内制取。该法质量稳定，效率较炉外通人，也可以在炉内制取。该法质量稳定，效率较高。高。其它渗铝法其它渗铝法 上面介绍的五种方法已在我国应用，还有下述一些方法正在上面介绍的五种方法已在我国应用，还有下述一些方法正在研究中：研究中：电泳渗铝法：电泳渗铝法：先用电泳法将铝粉均匀地沉积在工件表面上，先用电泳法将铝粉均匀地沉积在工件表面上，再加热扩散制成镀层。电泳沉积铝的溶液是由铝粉再加热扩散制成镀层。电泳沉积铝的溶液是由铝粉(10 m)、无水乙醇和三氯化铝组成的，配比时按每升乙醇含铝粉无水乙醇和三氯化铝组成的，配比时按每升乙醇含铝粉50g、三氯化铝约三氯化铝约58g配制。工件为阴极，铝板为阳极。配制。工件为阴极，铝板为阳极。快速电加热渗铝法快速电加热渗铝法 有三种快速渗铝工艺：有三种快速渗铝工艺：(1)高频加热热喷涂之后的工件；高频加热热喷涂之后的工件；(2)在渗铝气氛中用高频电流加热工件；在渗铝气氛中用高频电流加热工件；(3)在活性膏剂中用高频感应加热工件。在活性膏剂中用高频感应加热工件。该渗铝法可使渗铝周期从几十小时缩短为几分钟甚至该渗铝法可使渗铝周期从几十小时缩短为几分钟甚至几十秒钟，且可改善铝层质量，实现自动化生产，是几十秒钟，且可改善铝层质量，实现自动化生产，是近十几年出现的一种渗铝新工艺。近十几年出现的一种渗铝新工艺。3渗铝层的性能渗铝层的性能 各种渗铝法形成的渗层基本上可用图各种渗铝法形成的渗层基本上可用图4-6来表示。来表示。渗铝层具有特殊的抗氧化性和耐腐蚀性。渗铝层具有特殊的抗氧化性和耐腐蚀性。抗氧化性能抗氧化性能 渗铝后的钢与原来未渗铝的钢相比，使用温度可提高渗铝后的钢与原来未渗铝的钢相比，使用温度可提高200。A3钢渗铝后抗高温氧化性能优于钢渗铝后抗高温氧化性能优于0Crl7Mnl3Mo2N不锈不锈钢，与未渗铝的钢，与未渗铝的A3钢比较，抗高温氧化能力提高钢比较，抗高温氧化能力提高100倍倍以上。以上。耐腐蚀性耐腐蚀性 渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的手段之一。在渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的手段之一。在大气条件下，渗铝钢比热镀锌钢具有更好的耐蚀性。渗铝大气条件下，渗铝钢比热镀锌钢具有更好的耐蚀性。渗铝钢的腐蚀量仅是热镀锌钢的钢的腐蚀量仅是热镀锌钢的1/101/5。使用寿命与渗铝层。使用寿命与渗铝层厚度的关系见表厚度的关系见表4-3。4渗镀铝的应用渗镀铝的应用 渗镀铝主要用于提高机件的耐热耐腐蚀寿命，可用于炉渗镀铝主要用于提高机件的耐热耐腐蚀寿命，可用于炉内构件、烟道、汽车消音器、汽车进排气零部件、高温石内构件、烟道、汽车消音器、汽车进排气零部件、高温石油化工用换热器、加热管、热风管、加热炉排风扇、空气油化工用换热器、加热管、热风管、加热炉排风扇、空气预热器和热处理用设备，以及一切与预热器和热处理用设备，以及一切与H2S，SO2，CO2，H2CO3，HNO3，液，液N2，水煤气接触的设备。，水煤气接触的设备。4-5 离子轰击渗镀离子轰击渗镀 4-5-1 概述概述离子轰击渗镀是利用低真空中气体辉光放电产生的离子离子轰击渗镀是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，使表面成分、组织结构及性能发生改变轰击工件表面，使表面成分、组织结构及性能发生改变的处理方法。的处理方法。它与传统的固、液、气态中的渗镀原理不同，是近几年它与传统的固、液、气态中的渗镀原理不同，是近几年物质的第四态物质的第四态 等离子体在热渗镀领域的应用。等离子体在热渗镀领域的应用。通过辉光放电获得的等离子体是正离子、负离子、分子、通过辉光放电获得的等离子体是正离子、负离子、分子、中性原子、电子、光子等各种粒子的复合体。其中带电粒中性原子、电子、光子等各种粒子的复合体。其中带电粒子在电场的作用下作定向运动，具有足够能量的粒子与中子在电场的作用下作定向运动，具有足够能量的粒子与中性的气体原子或分子相撞，使其处于激发态，成为活性原性的气体原子或分子相撞，使其处于激发态，成为活性原子或离子。这些活性原子或离子，比较容易被金属表面吸子或离子。这些活性原子或离子，比较容易被金属表面吸收，进入金属内部。收，进入金属内部。离子轰击渗镀的基本方法可示意于图离子轰击渗镀的基本方法可示意于图4-7以工件为阴极，容器壁为阳以工件为阴极，容器壁为阳极，调节渗剂送气和抽气速极，调节渗剂送气和抽气速率，使维持率，使维持1331333 Pa的的压力，极间施以压力，极间施以300 V以上的以上的直流电压，使产生辉光放电。直流电压，使产生辉光放电。用离子轰击进行渗镀，有以下优点：用离子轰击进行渗镀，有以下优点：(1)离子对表面的轰击可使表面高度活化，且离子和随离离子对表面的轰击可使表面高度活化，且离子和随离子一起冲击表面的活性原子易被表面吸收，因而渗镀子一起冲击表面的活性原子易被表面吸收，因而渗镀速度很快。速度很快。(2)可方便地通过调整渗剂气成分、有关电参数和气体参可方便地通过调整渗剂气成分、有关电参数和气体参数控制渗镀层组织，从而实现对渗镀层的要求。数控制渗镀层组织，从而实现对渗镀层的要求。(3)由于离子的轰击作用，可以去除氧化膜和钝化膜，对由于离子的轰击作用，可以去除氧化膜和钝化膜，对于那些易氧化或钝化的金属如不锈钢特别适合。于那些易氧化或钝化的金属如不锈钢特别适合。(4)辉光放电可均匀地覆盖于工件表面，因此比较适合形辉光放电可均匀地覆盖于工件表面，因此比较适合形状复杂及多沟槽和孔隙工件的处理。状复杂及多沟槽和孔隙工件的处理。(5)易实现工艺过程的计算机控制。易实现工艺过程的计算机控制。4-6 离子渗氮离子渗氮可显著提高钢铁零件表面抗磨、耐疲劳和耐腐蚀性的表面处理新工艺。可显著提高钢铁零件表面抗磨、耐疲劳和耐腐蚀性的表面处理新工艺。把被处理的工件放在真空室，抽真空至把被处理的工件放在真空室，抽真空至13.31.33 Pa，充以稀薄的含氮气体如热分解氨，充以稀薄的含氮气体如热分解氨或氮氢混合气体，在阴阳极间加上直流高压或氮氢混合气体，在阴阳极间加上直流高压后，气体被电离而发生辉光放电，放电过程后，气体被电离而发生辉光放电，放电过程中氮和氢离子在高压电场的作用下，冲向阴中氮和氢离子在高压电场的作用下，冲向阴极表面，产生大量的热把工件加热到所需的极表面，产生大量的热把工件加热到所需的温度，同时氮的离子或原子为工件表面所吸温度，同时氮的离子或原子为工件表面所吸附，并迅速扩散，形成了一定厚度的氮化层。附，并迅速扩散，形成了一定厚度的氮化层。4-6-1 4-6-1 离子氮化机理离子氮化机理阴极溅射模型阴极溅射模型：在辉光放电中，具有高能量的氮、氢离子轰击作为阴极的在辉光放电中，具有高能量的氮、氢离子轰击作为阴极的工件，一部分离子直接为表面所吸附，渗人工件，另一部工件，一部分离子直接为表面所吸附，渗人工件，另一部分通过阴极溅射轰击出电子及铁、氧等原子。溅射出的铁分通过阴极溅射轰击出电子及铁、氧等原子。溅射出的铁原子与附近的活性氮原子结合，形成原子与附近的活性氮原子结合，形成FeN，被工件吸收。，被工件吸收。FeN受到高温作用和离子的轰击按照受到高温作用和离子的轰击按照FeN Fe2N Fe3N Fe4N的顺序分解为低价氮化铁，同时析出原子的顺序分解为低价氮化铁，同时析出原子氮，析出的原子氮向工件内部渗入。氮，析出的原子氮向工件内部渗入。4-6-2 离子氮化的应用离子氮化的应用离子氮化的应用范围很广，碳钢、合金结构钢、高速钢和离子氮化的应用范围很广，碳钢、合金结构钢、高速钢和铸铁都可以用离子氮化来强化表面。铸铁都可以用离子氮化来强化表面。例如，机床工业中用离子氮化大批量的齿轮、丝杆、离合例如，机床工业中用离子氮化大批量的齿轮、丝杆、离合器、顶针套、轴等。切削工具通过离子氮化，可提高寿命器、顶针套、轴等。切削工具通过离子氮化，可提高寿命1.52倍，用于连杆、曲轴、轮毂的热锻模，寿命提高倍，用于连杆、曲轴、轮毂的热锻模，寿命提高140265。4-7 离子渗碳离子渗碳渗碳是一门古老的表面热处理技术，直到目前仍是提高钢渗碳是一门古老的表面热处理技术，直到目前仍是提高钢铁表面硬度、耐磨性和疲劳强度的主要的表面处理方法之铁表面硬度、耐磨性和疲劳强度的主要的表面处理方法之一，约占表面强化零件的一，约占表面强化零件的70以上。以上。近几十年来，渗碳工艺不断进步，由最早的固体渗碳发展近几十年来，渗碳工艺不断进步，由最早的固体渗碳发展为气体渗碳、真空渗碳。为气体渗碳、真空渗碳。二十世纪二十世纪70年代以后，开始研年代以后，开始研究、开发离子渗碳工艺，并在究、开发离子渗碳工艺，并在80年代中期开始在工业上年代中期开始在工业上应用。应用。4-7-1 离子渗碳原理离子渗碳原理在真空状态下，以工件为阴极，施以直流电压，产生辉光在真空状态下，以工件为阴极，施以直流电压，产生辉光放电，碳离子轰击工件表面，把工件表面加热并被表面吸放电，碳离子轰击工件表面，把工件表面加热并被表面吸收，然后向内部扩散。收，然后向内部扩散。4-7-2 等离子渗碳的特点等离子渗碳的特点1不使晶界氧化：等离子渗碳工件在真空中加热，而且工不使晶界氧化：等离子渗碳工件在真空中加热，而且工作气中不含作气中不含 O2和和H2O，所以不会发生晶界氧化。，所以不会发生晶界氧化。2表面渗碳量容易控制：表面渗碳层深度、碳浓度和晶粒表面渗碳量容易控制：表面渗碳层深度、碳浓度和晶粒大小对工件和机械性能有重大影响，因此必须严格控制。大小对工件和机械性能有重大影响，因此必须严格控制。采用丙烷等离子渗碳可通过气体流量和等离子体中采用丙烷等离子渗碳可通过气体流量和等离子体中C3H8分分压的高精度控制来控制表面渗碳量。压的高精度控制来控制表面渗碳量。3多次循环处理形成复合硬化层：可以迅速更换渗碳室多次循环处理形成复合硬化层：可以迅速更换渗碳室的反应气，为达到的反应气，为达到“先渗碳后氮化先渗碳后氮化”或或“先氮化后渗碳先氮化后渗碳”的表面硬化目标，可以对连续的多循环处理进行程序控的表面硬化目标，可以对连续的多循环处理进行程序控制。制。例如：对于例如：对于SVS316零件，经零件，经950，60 min渗碳后，渗碳后，再进行再进行650，30 min高温氮化处理，表面硬度可达高温氮化处理，表面硬度可达HV550600，硬化深度为，硬化深度为0.2 mm，硬化层的组，硬化层的组织中既有大量碳化物又有大量氮化物。如果单纯用渗碳织中既有大量碳化物又有大量氮化物。如果单纯用渗碳的方法仅能达的方法仅能达HV400450的硬度。的硬度。4-7-3 4-7-3 等离子渗碳的应用等离子渗碳的应用 1代替气体渗碳代替气体渗碳等离子渗碳可在比较短的时间内得到高得多的碳浓度，此等离子渗碳可在比较短的时间内得到高得多的碳浓度，此外不会出现晶界氧化层和异常渗碳层。外不会出现晶界氧化层和异常渗碳层。2等离子高浓度渗碳等离子高浓度渗碳通常的渗碳表面的通常的渗碳表面的C浓度规定为浓度规定为0.8左右。左右。如果有意地使碳化物在表面层析出，使表面改质，称为高如果有意地使碳化物在表面层析出，使表面改质，称为高浓度渗碳。浓度渗碳。对于含对于含Cr，Mo，V，Ti合金元素的钢，当有微细碳化物合金元素的钢，当有微细碳化物析出时，耐磨性会大大提高。析出时，耐磨性会大大提高。用气体渗碳进行高浓度渗碳时，碳黑会大量沉积于工件表用气体渗碳进行高浓度渗碳时，碳黑会大量沉积于工件表面和炉壁上，而且含面和炉壁上，而且含Cr高的钢，气体渗碳时，晶界会高的钢，气体渗碳时，晶界会剧烈氧化；而等离子渗碳克服了这些缺点。剧烈氧化；而等离子渗碳克服了这些缺点。3难渗材料的等离子渗碳难渗材料的等离子渗碳 高铬马氏体和奥氏体钢，很高铬马氏体和奥氏体钢，很难难用一般的渗碳方法渗碳，称用一般的渗碳方法渗碳，称为难渗材料。等离子渗碳在减压下进行，由于等离子的作用，为难渗材料。等离子渗碳在减压下进行，由于等离子的作用，使这些材料的渗碳成为可能。使这些材料的渗碳成为可能。4高熔点金属的等离子渗碳高熔点金属的等离子渗碳 对对W，Cr和和Nb等高熔点金属进行等离子渗碳在表面上可形等高熔点金属进行等离子渗碳在表面上可形成一系列碳化物。成一系列碳化物。5热喷涂层的等离子渗碳热喷涂层的等离子渗碳 对对Ni基自熔合金和基自熔合金和WC-Co系热喷涂层进行了等离子渗碳，系热喷涂层进行了等离子渗碳，提高了热喷涂层的耐磨性。提高了热喷涂层的耐磨性。等离子渗碳具有一系列优点，应用前景广阔。等离子渗碳具有一系列优点，应用前景广阔。到目前应用并不普遍，这主要有两个原因：到目前应用并不普遍，这主要有两个原因：（1）作为一门新工艺，本身还需进一步完善，近些年虽然有）作为一门新工艺，本身还需进一步完善，近些年虽然有一些研究，但是从深度和广度来说都还是很不够的；一些研究，但是从深度和广度来说都还是很不够的；（2）尽管等离子渗碳有许多优越性，但更新设备要相当的投）尽管等离子渗碳有许多优越性，但更新设备要相当的投资。资。开发等离子渗碳的新领域，用于解决传统的渗碳无法解决的开发等离子渗碳的新领域，用于解决传统的渗碳无法解决的表面改质问题，是今后的研究方向。表面改质问题，是今后的研究方向。作业：作业：1、热渗镀的基本过程是什么？何谓渗镀的控制步骤。、热渗镀的基本过程是什么？何谓渗镀的控制步骤。2、热渗镀渗层形成的基本条件是什么？如何根据基体和、热渗镀渗层形成的基本条件是什么？如何根据基体和渗入元素的特性来判定渗层形成的可能性？渗入元素的特性来判定渗层形成的可能性？3、举出一种热浸锌和热浸铝的工艺，并说明每一步的理、举出一种热浸锌和热浸铝的工艺，并说明每一步的理由。由。4、离子氮化的机理是什么？、离子氮化的机理是什么？5、简述甲烷等离子渗碳工艺。、简述甲烷等离子渗碳工艺。