第10章-热扩渗技术-用课件

第第1010章章 热扩渗技术热扩渗技术教材：材料表面工程技术李慕勤 化学工业出版社v定义：定义：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层入工件表面，形成合金层(或掺杂层或掺杂层)的工艺。的工艺。(化学热处理技化学热处理技术术)v所形成的合金层称为热扩渗层，简称所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层渗层。v突出特点：渗层与基体金属之间是突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合冶金结合，结合强度很高。，结合强度很高。v通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同组织和性能的扩渗层，从而表面获得不同组织和性能的扩渗层，从而极大极大提高工件的提高工件的耐磨耐磨性性、耐蚀性耐蚀性和和抗高温氧化性能抗高温氧化性能等。等。v广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。v最早起源于我国战国时代。最早起源于我国战国时代。勾践剑：宝剑通长勾践剑：宝剑通长55.6厘米，剑身长厘米，剑身长47.2厘米，剑身宽厘米，剑身宽4.6厘米，重厘米，重857.4克。克。1965年于湖北年于湖北荆州出土荆州出土，历经，历经2500多年仍未生锈多年仍未生锈，且能吹发可断、一下划破，且能吹发可断、一下划破20多张复印纸。剑表面黑色多张复印纸。剑表面黑色部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。v能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、硫等和这些元素的多元共渗。硫等和这些元素的多元共渗。10.1 热扩渗的基本原理热扩渗的基本原理 及分类及分类一、热扩渗层形成的基本条件一、热扩渗层形成的基本条件v渗入元素的原子存在于扩渗层的形式：渗入元素的原子存在于扩渗层的形式：与与基体金属基体金属形成：固溶体或形成：固溶体或金属间化合物金属间化合物层，或固溶体层，或固溶体+化合化合物的复合层物的复合层v形成渗层基本条件：形成渗层基本条件：1.渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2.欲渗元素与基材之间必须有直接接触。欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3.被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4.(.(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺)该反应必须满足该反应必须满足热力学条件。热力学条件。(产生活性原子；反应平衡常数产生活性原子；反应平衡常数1%。)v所谓满足热力学条件是指在一定的扩渗温度下，通过改变反所谓满足热力学条件是指在一定的扩渗温度下，通过改变反应物浓度或者添加催化剂，或通过提高扩渗温度能使产生活应物浓度或者添加催化剂，或通过提高扩渗温度能使产生活性原子的反应正常（向右）进行。性原子的反应正常（向右）进行。v在扩渗过程中产生活性原子的化学反应有置换反应、还原反在扩渗过程中产生活性原子的化学反应有置换反应、还原反应、分解反应三类。应、分解反应三类。v渗碳、渗氮、碳氮共渗等间隙原子的热扩渗工艺，提供活性渗碳、渗氮、碳氮共渗等间隙原子的热扩渗工艺，提供活性原子的化学反应主要是分解反应原子的化学反应主要是分解反应v对于渗金属如渗铬、渗钛等热扩渗工艺，提供活性原子的化对于渗金属如渗铬、渗钛等热扩渗工艺，提供活性原子的化学反应主要是置换反应或还原反应或者是两个反应同时发生学反应主要是置换反应或还原反应或者是两个反应同时发生来提供活性原子。来提供活性原子。二、渗层形成机理二、渗层形成机理（形成过程）（形成过程）1.产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法2.渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。渗所必须的浓度梯度。3.渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过简称扩散过程程)。扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。三、热扩渗速度的影响因素三、热扩渗速度的影响因素v热扩渗层的形成速度是由形成渗层的三个过程中最慢的一个来制约。热扩渗层的形成速度是由形成渗层的三个过程中最慢的一个来制约。在初始阶段：化学介质分解化学反应速度在初始阶段：化学介质分解化学反应速度 在中后期：扩散速度在中后期：扩散速度v能影响化学反应速度和扩散速度的因素，均将影响热扩渗层的形成速度：能影响化学反应速度和扩散速度的因素，均将影响热扩渗层的形成速度：增加反应物浓度、提高增加反应物浓度、提高反应温度反应温度、加入适当催化剂等均能使反应速度成、加入适当催化剂等均能使反应速度成倍提高。在扩散过程中，升高温度就更有效。倍提高。在扩散过程中，升高温度就更有效。扩散过程中原子平均扩散距离扩散过程中原子平均扩散距离X为为:其中：其中：t为扩散时间，为扩散时间，C为受几何因素影响的常数，为受几何因素影响的常数，D为扩散速度。为扩散速度。D=D0exp(-Q/RT)Q为扩散激活能为扩散激活能四、扩渗层的组织特征四、扩渗层的组织特征v纯扩散：形成连续固溶体纯扩散：形成连续固溶体v反应扩散：形成新相反应扩散：形成新相相图上单相区越宽，相区间的含量差相图上单相区越宽，相区间的含量差就越大，渗入元素的流量将增加，因此就越大，渗入元素的流量将增加，因此该相层就越厚。该相层就越厚。表面表面基材心部基材心部wB(%)10.1.2 热扩渗工艺的分类热扩渗工艺的分类v按热扩渗温度：按热扩渗温度：高温（高于高温（高于910）、中温和低温（低于）、中温和低温（低于720）热扩渗）热扩渗v按渗入元素：按渗入元素：非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元共渗、扩非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元共渗、扩散退火散退火(均匀化退火均匀化退火)。v按渗剂在工作温度下物质状态：按渗剂在工作温度下物质状态：气体热扩渗气体热扩渗 液体热扩渗液体热扩渗 固体热扩渗固体热扩渗 等离子体热扩渗等离子体热扩渗 复合热扩渗复合热扩渗10.2 热浸镀热浸镀v将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法。的方法。v即即把需要处理的工件放入低熔点的熔融态金属液中，工件把需要处理的工件放入低熔点的熔融态金属液中，工件表面发生溶解、扩散或反应等物理化学过程，随后离开镀表面发生溶解、扩散或反应等物理化学过程，随后离开镀槽时工件表面形成金属镀层的表面处理技术。槽时工件表面形成金属镀层的表面处理技术。v热浸镀的三个过程：热浸镀的三个过程：v（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。）基体金属表面被溶解，形成合金层。v（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。物。v（3）合金层外面包覆一层纯金属。）合金层外面包覆一层纯金属。v热浸镀工艺过程：预处理、热浸镀、后处理热浸镀工艺过程：预处理、热浸镀、后处理v热浸镀：热浸镀：1.常见：钢铁制品的热浸锌、热浸铝、热浸锡等。常见：钢铁制品的热浸锌、热浸铝、热浸锡等。2.特点：生产效率高。渗层厚度不易均匀，且只适于浸渗特点：生产效率高。渗层厚度不易均匀，且只适于浸渗熔点较低的金属。熔点较低的金属。v10.2.1 热浸镀原理v热浸镀时，被镀的基体材料与熔融金属的接触面上发生界面反应，是一个冶金过程，按相应的相图形成不同相构成的合金层，所以热浸镀层是由合金层和浸镀金属构成的复合镀层。v钢铁的热浸镀过程v热浸渗过程：热浸渗过程：热能为反应的主驱动力。热能为反应的主驱动力。溶解溶解 形成合金层形成合金层 扩散扩散 形成固溶体或形成固溶体或金属间化合物金属间化合物 包络包络 获得纯金属获得纯金属内内外外v10.2.2 热浸镀工艺方法v（1）溶剂法：湿法（熔融溶剂法）、干法（烘干溶剂法）v（2）保护气体还原法：森吉米尔法、美钢联法。2.热浸渗的工艺方法热浸渗的工艺方法v热浸渗工艺种类：溶剂法热浸渗工艺种类：溶剂法(湿法和干法湿法和干法)、氧化还原法、氧化还原法(森吉米尔法森吉米尔法)。两种方法是按脱脂除锈、表面保洁方式来分类的。两种方法是按脱脂除锈、表面保洁方式来分类的。三、热浸锌和热浸铝三、热浸锌和热浸铝v1.热浸渗工艺的基本特点：热浸渗工艺的基本特点：v热浸锌和热浸铝是热浸法中热浸锌和热浸铝是热浸法中最常用最常用的工艺。的工艺。v热浸锌或铝就是将钢材或工件浸渍到熔融锌液或铝液中，使钢材或工热浸锌或铝就是将钢材或工件浸渍到熔融锌液或铝液中，使钢材或工件表面形成锌及件表面形成锌及锌铁合金锌铁合金层或铝及层或铝及铝合金铝合金层的方法。层的方法。v热扩渗锌是世界各国公认的一种经济实惠的材料表面保护工艺。广泛热扩渗锌是世界各国公认的一种经济实惠的材料表面保护工艺。广泛应用于在大气和海洋中工作的钢铁工件上。应用于在大气和海洋中工作的钢铁工件上。v热浸锌方法热浸锌方法特点特点：生产成本低、效率高、操作简单、生产工艺可靠、生产成本低、效率高、操作简单、生产工艺可靠、易于实现机械化和自动化等优点，应用更广泛。易于实现机械化和自动化等优点，应用更广泛。v热扩渗锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐热扩渗锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐磨性。磨性。v渗铝是一种既可以保持工件的基体韧性，又可以提高渗铝是一种既可以保持工件的基体韧性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蚀能力的方法。表面的抗氧化和耐腐蚀能力的方法。v热浸铝层比热浸锌层更耐大气腐蚀。热浸铝层比热浸锌层更耐大气腐蚀。3.热浸锌的工艺和性能热浸锌的工艺和性能 热浸锌层由基体向表面有多相组织，各相组织的硬度和韧热浸锌层由基体向表面有多相组织，各相组织的硬度和韧性等都不一样。热浸锌工艺就是调整各相的比例，得到结合力性等都不一样。热浸锌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热浸锌层。高、致密且具有良好外观的热浸锌层。v热热浸锌方法种类：浸锌方法种类：湿法热浸锌、干法热浸锌、氧化还原法热浸锌、铅锌法热浸湿法热浸锌、干法热浸锌、氧化还原法热浸锌、铅锌法热浸锌、单面热浸锌等。锌、单面热浸锌等。国内应用最多的是：干法热浸锌和氧化还原法热浸锌。国内应用最多的是：干法热浸锌和氧化还原法热浸锌。v锌液：锌液：ZnAl，ZnNi等等v决定浸锌质量的主要工艺参数：决定浸锌质量的主要工艺参数：锌液温度、浸渍时间和从锌液中抽出的速度。锌液温度、浸渍时间和从锌液中抽出的速度。v热浸锌层的耐腐蚀性能：保护膜保护，阴极保护作用。热浸锌层的耐腐蚀性能：保护膜保护，阴极保护作用。v热浸锌层的耐大气腐蚀能力与锌层的厚度有关。热浸锌层的耐大气腐蚀能力与锌层的厚度有关。4热浸铝工艺和性能热浸铝工艺和性能v影响热浸铝层厚度和性能的因素：影响热浸铝层厚度和性能的因素：基体的化学成分、铝液的成分、浸铝的温度和时间等。基体的化学成分、铝液的成分、浸铝的温度和时间等。v根据用途不同，热浸铝钢材和工件可分为耐蚀用品和耐高温根据用途不同，热浸铝钢材和工件可分为耐蚀用品和耐高温氧化用品，后者必须进行扩散退火。氧化用品，后者必须进行扩散退火。v渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀的最有效方法之一。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀的最有效方法之一。v扩散退火后热浸铝层抗高温氧化性能良好。扩散退火后热浸铝层抗高温氧化性能良好。v在大气条件下，热浸铝钢比热浸锌钢具有更好的耐蚀性在大气条件下，热浸铝钢比热浸锌钢具有更好的耐蚀性。10.3 渗碳与渗氮渗碳与渗氮10.3.1 渗碳渗碳v渗碳渗碳1（carburizing/carburization）是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。v也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。v渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火以得到高的表面硬度高的耐磨性和疲劳强度并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机汽车和拖拉机等的机械零件如齿轮轴凸轮轴等。v渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(9601100)气体渗碳得到发展。至70年代出现了真空渗碳和离子渗碳。原理原理v渗碳与其他化学热处理一样也包含3个基本过程 v分解v渗碳介质的分解产生活性碳原子。v吸附v活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中使奥氏体中含碳量增加。v扩散v表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。渗碳工艺渗碳工艺v按渗碳介质的不同渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳液体渗碳和碳氮共渗（氰化）。v气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。v固体渗碳是将工件和固体渗碳剂（木炭加促进剂组成）一起装在密闭的渗碳箱中，将箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一定时间，使活性碳原子渗人工件表面的一种最早的渗碳方法。v液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常用的液体渗碳介质有：碳化硅，“603”渗碳剂等。v目前使用最广泛的是气体渗碳v低碳钢渗碳后缓冷的显微组织：表层为珠光体和二次渗碳体，心部为珠光体和铁素体，中间为过渡组织。v一般规定从表面到过渡层一半处为渗碳层厚度。v渗碳后热处理工艺：淬火+低温回火v工件渗碳后，仅钢件表层含碳量增加，若使工件表层具有高硬度和耐磨性，必须进行后续热处理。10.3.2 渗氮渗氮v渗氮，是在一定温度下一定介质中使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。v如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗 应用原理应用原理v渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。v与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。v渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。v钢件渗氮后一般不进行热处理。为了提高钢件心部强韧性，渗氮前必须进行调质处理。气体渗氮气体渗氮v气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。v一般以提高金属的耐磨性为主要目的，因此需要获得高的表面硬度。它适用于38CrMoAl等渗氮钢。渗氮后工件表面硬度可达HV8501200。渗氮温度低，工件畸变小，可用于精度要求高、又有耐磨要求的零件，如镗床镗杆和主轴、磨床主轴、气缸套筒等。但由于渗氮层较薄，不适于承受重载的耐磨零件 离子渗氮离子渗氮v又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面 v与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是：可适当缩短渗氮周期；渗氮层脆性小；可节约能源和氨的消耗量；对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮；离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮；渗层厚度和组织可以控制 v优点：渗氮时间短，质量容易控制，氮化层耐疲劳、有高强度，由于氮化温度在520-540，所以工件变形小，表面抗磁性高 v缺点：设备控制复杂，炉温均匀性不好 氮碳共渗氮碳共渗 v低温氮碳共渗又称软氮化,即在铁-氮共析转变温度以下，使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳。碳渗入后形成的微细碳化物能促进氮的扩散，加快高氮化合物的形成。这些高氮化合物反过来又能提高碳的溶解度。碳氮原子相互促进便加快了渗入速度。此外，碳在氮化物中还能降低脆性。氮碳共渗后得到的化合物层韧性好，硬度高，耐磨，耐蚀，抗咬合（3）激光熔凝与渗氮复合工艺）激光熔凝与渗氮复合工艺v激光熔凝是激光熔凝是用激光束将工件加热熔化至一定深度，然后自冷使熔层凝固，以改善表层组织，获得要求性能的工艺方法，在熔化、凝固过程中，可以排除表面薄层中的杂质和气体，同时由于急冷重结晶可以使原来粗大的晶粒、树枝晶和碳化物细化。v利用激光熔凝技术可以使材料表面晶粒细化，进而提高晶界的活性和加快扩散速度，达到加快化学热处理的目的，这将缩短渗氮时间，大大提高生产效率。v激光熔凝与渗氮复合工艺具有工艺简单、渗氮效率高、工艺周期短的特点，是一种强化表面的新工艺。热热扩渗的发展趋势扩渗的发展趋势v应用越来越广：耐磨、耐蚀、提高表面强度。应用越来越广：耐磨、耐蚀、提高表面强度。v低温工艺代替高温工艺，减少变形。低温工艺代替高温工艺，减少变形。v提高渗层性能，单元素扩渗变为双元素或多元素扩渗。提高渗层性能，单元素扩渗变为双元素或多元素扩渗。v环保：液体碳氮共渗改为离子碳氮共渗。环保：液体碳氮共渗改为离子碳氮共渗。v催渗剂研究催渗剂研究v控制系统或元器件的研发。控制系统或元器件的研发。