表面处理第七讲热扩渗.ppt

第六讲热扩渗 表面工程学 第六讲热扩渗 一 本课的基本要求1 掌握热渗镀的机理与渗层形成的条件 2 掌握几种热扩渗的工艺方法 二 本课的重点 难点 重点 1 热扩渗的机理与渗层形成条件 2 深层的组织特征 3 气体渗碳与渗氮 热浸锌 热浸铝 固态渗硼 离子氮化的原理与工艺 难点 1 热扩渗的机理与渗层形成的条件 2 渗层的组织特征 重点 1 热扩渗的机理与渗层形成条件 2 深层的组织特征 3 气体渗碳与渗氮的原理与工艺 4 热浸锌 热浸铝的原理与工艺5 固态渗硼的原理与工艺 6 离子氮化的原理与工艺 难点 1 热扩渗的机理与渗层形成的条件 2 渗层的组织特征 基本要求 1 掌握热渗镀的机理与渗层形成的条件 2 掌握几种热扩渗的工艺方法 引言 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 或掺杂层 的工艺 就称为热扩渗技术 或化学热处理技术 所形成的合金层称为热扩渗层 简称渗层 特点是 渗层与基本金属之间是冶金结合 结合强度很高 渗层不易脱落或者剥落 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散层 从而极大提高工件的耐磨性 耐蚀性和抗高温氧化性能等 能进行热扩渗的元素包括C N B Zr Al Cr V Nb Ti Si S等和多元共渗 第一节熱扩渗技术的基本原理 一 热扩渗层形成的基本条件 渗入元素的原子存在于扩渗层的形式为二种 固熔体和金属化合物 1 渗入元素必须能够与基体金属形成固熔体或金属间化合物 原子直径 结构 电负性等必须满足要求 2 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 加热 第一节熱扩渗技术的基本原理 4 对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺而言 反应必须满足热力学条件 置换反应 A BCl2 气 ACl B 还原反应 BCl2 气 H2 2HCl 气 B 分解反应 BCl2 气 Cl2 气 B 第一节熱扩渗技术的基本原理 二 渗层形成机理3个过程 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面 热激活能法和化学反应法热激活能法 用于热浸渗 镀 电镀渗 化学镀渗 喷镀渗和无活化剂的金属粉末的热扩渗 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 建立热扩渗所必须的浓度梯度 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 使渗层增厚 第一节熱扩渗技术的基本原理 三 热扩渗速度的影响因素1 热扩渗层的形成速度总是由上述三个过程中最慢的一个来制约 初始阶段 受供给渗剂活性原子的化学反应速度控制 反应物浓度 反应温度 活化剂形成渗层后 主要取决于扩散速度 温度 时间 晶体结构 晶体缺陷等 第一节熱扩渗技术的基本原理 四 扩渗层的组织特征1 纯扩散形成连续固溶体2 反应扩散随浓度增加而生成新相 例 渗剂元素B向基体金属A中扩渗并形成渗层的过程 第二节热扩渗工艺的分类 按温度 高温 中温和低温热扩渗高温 T 910 C 渗速快 渗层厚 有相变 变形大 低温 T 720 C 渗层薄 无相变 变形小 第二节热扩渗工艺的分类 按化学成分 热扩渗技术按渗入元素分类 第二节热扩渗工艺的分类 按渗剂的状态 气体 固体 液体 等离子体 复合热扩渗5种 热扩渗技术按工艺特点分类 第三节气体热扩渗工艺 一 气体热扩渗技术的基本工艺特点气体热扩渗是把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到渗剂原子能在基体中产生显著扩散的温度 使工件表面获得该渗剂元素的工艺过程 常规气体法 低压气体法和流态床法 第三节气体热扩渗工艺 工艺特点 1 产生活性原子气体的渗剂可以是气体 液体 固体 但在扩渗炉内都成为气体 2 在气体热扩渗过程中 渗剂可以不断补充更新 使活性原子的供给 吸收和向内部扩散的过程持续维持 3 可以随时调整炉内气氛 实现可控热扩渗 第三节气体热扩渗工艺 二 气体渗碳1 基本特点在增碳的活性气氛中 将低碳钢或低碳合金钢加热到高温 一般为900 C 950 C 使活性碳原子进入钢的表面 以获得高碳渗层的工艺方法称为气体渗碳 钢件渗碳后 表面为高碳钢 内部仍保持低碳状态 再通过淬火及低温回火可使渗碳工件具有表面硬度高 耐磨损 心部硬度低 塑性和韧性好的特点 能够满足那些工作时许多易磨损件的工况需求 或者需要同时承受较高的表面接触应力 弯曲力矩及冲击负荷作用的零件的性能要求 与气体渗碳相比 固体渗碳的劳动强度差 生产效率低 液体渗碳稳定性差 工件质量波动大 等离子渗碳设备造价高 而且不够完善 900 950 C 根据扩散方程可精确算出扩渗的深度 第三节气体热扩渗工艺 2 影响气体渗碳工艺的主要因素 温度和时间浅层渗碳2 3h 常规渗碳5 8h 深层渗碳16 30h 渗碳气氛碳势 钢的化学成分C的扩散影响CrMoNiTi 第三节气体热扩渗工艺 3 气体渗碳的主要方式 滴注式气体渗碳煤油 吸热式气氛渗碳富碳气 吸热气体CO H2 氮基气氛渗碳 第三节气体热扩渗工艺 气体渗碳的组织特性和基本性能表面硬度 渗碳层深度 心部硬度表面碳的质量分数为0 8 1 1 为最好 C 0 8 耐磨性和强度不足 C 1 1 淬火后表面碳化物及残余奥氏体的增加 损坏性能 第三节气体热扩渗工艺 碳含量从表向里逐渐降低 其缓冷的组织为过共析 共析 亚共析组织 淬火组织为渗碳体 马氏体和低碳马氏体 渗层深度取决于零件的工作条件及心部材料的强度 零件所受负荷越大 渗碳层应越深 零件的心部硬度高 支撑渗层的强度高 渗层可以相应浅一些 第三节气体热扩渗工艺 5 弥散碳化物渗碳法用于高合金模具钢 渗层中会沉淀出大量弥散合金碳化物 含C量高达2 3 弥散碳化物的质量分数高达50 以上 性能非常好 第三节气体热扩渗工艺 三 气体渗氮将氮渗入钢件表面的过程称为渗氮 氮化层的硬度可以高达950 1200HV 其耐磨性 疲劳强度 红硬性 抗咬合性能亦优于渗碳层 钢的渗氮温度低 480 570 且渗氮后一般随炉冷却 工件变形很小 Fe N相图 在700 C以下 有5个单相区和2个共析反应区组成 渗氮层各相的特性 渗氮的渗剂为氨或氨的化合物 用井式炉进行 高温下 氨分解出氮原子 工件吸附 向内扩散 形成渗氮层 第三节气体热扩渗工艺 渗氮层的高硬度是由于合金氮化物的弥散硬化作用导致的 氮化物自身具有很高的硬度 加上其晶格常数比基材 Fe的大得多 因此 当它与母相保持共格联系时 使得Fe晶格产生很大的畸变 导致强化效应 渗氮温度不同 生成的氮化物尺寸大小不同 渗氮后硬度高低也不一样 随着渗氮温度的升高 氮化物尺寸长大并和母相共格关系破坏 渗氮层的硬度便降低 抗回火 在500C以下长期保持高硬度 第三节气体热扩渗工艺 四 气体碳氮共渗和氮碳共渗二元共渗在520 580 碳 氮共渗以渗氮为主 因此称之为氮碳共渗 硬度比渗氮略软 称软氮化在780 930 碳 氮共渗以渗碳为主 因此称之为碳氮共渗 第三节气体热扩渗工艺 优点 与渗氮相比 氮碳共渗所需时间大大缩短 表面化合物中不含 脆性相 所以渗层韧性好 裂纹敏感件小 而其它性能与渗氮相似 所以氮碳共渗是 种表面硬度高 耐磨损 抗疲劳 尺寸变形小的热扩渗工艺 第三节气体热扩渗工艺 与渗碳相比 碳氮共渗能在较低的温度热扩渗 零件晶粒不易长大 处理后可以直接淬火 零件变形开裂倾向小 氮的渗入不仅扩大了Y区 而且提高了奥氏体的稳定性 即提高了渗层的淬透性和淬硬性 而且渗层表面残存一定的压应力 提高了零件的疲劳强度 Y相区的扩大还使渗层的碳含量升高 所以与渗碳相比 碳氮共渗的疲劳强度 耐磨性 耐蚀性 抗回火稳定性等都更高 第四节液体热扩渗 将工件浸渍在熔融液体中 使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法称为液体热扩渗 液体热扩渗根据工艺特点可分为盐浴法 热浸法 熔烧法三种 盐浴法盐浴为渗剂or盐浴为载体 悬浮渗剂渗一种0R几种元素热浸法Zn Al Sn金属中 厚度不均匀熔烧法渗剂为浆料 烧结扩散 渗层均匀 第四节液体热扩渗 一 低温盐浴共渗法特点 温度低 无相变 变形小 不用精加工 硬度可达HV900 经历了高 中 低氰盐浴的发展 污染 盐浴氮碳共渗 氧化盐浴冷却 Melenite工艺 盐浴硫氮碳共渗 Sursulf工艺 组织为Fe4N Fe2 3N 减摩 第四节液体热扩渗 Melenite工艺500 600 C CNO2 34 38 盐浴氮碳共渗 氧化盐浴冷却不含氰化物CN 极低 无污染 第四节液体热扩渗 盐浴氮碳共渗工艺及渗层厚度和表面硬度 第四节液体热扩渗 Sursulf工艺氮碳共渗与渗硫 硫的渗入 工件具有耐磨 减磨 抗咬死 抗疲劳性能 并能改善耐蚀性 低含氰化物 无污染 Fe4N 相 和Fe2 3N 相 组成的化合物和氮碳扩散层 摩擦系数更低 第四节液体热扩渗 二 硼砂熔盐金属覆层技术 T D 法在高温下将钢铁材料放入硼砂熔盐浴中一定时间后 可在材料表面形成几微米到数十微米的碳化物层 这种工艺就称为硼砂熔盐金属覆层技术 源于渗硼脱水硼砂分子式 Na2B4O7 熔点 740 C 分解温度1573 C 第四节液体热扩渗 渗B过程 加Al粉 还原出活性B原子 使之渗B 加与O亲和力小于B的单质 Cr V Nb 则还原出这些单质活性原子 弥散悬浮溶解在硼砂中 通过对流 与金属表面接触 向金属内扩散 形成金属渗层 处理温度为900 980 C 扩散差异 形成C化物 第四节液体热扩渗 特点 T D法处理温度为900 980 C 在中 高碳钢处理时 金属原子一旦被工件吸附 就与工件中的C原子生成碳化物 C在C化物中的扩散能力高 双向扩散机理 比单质原子 半径大 造成晶格畸变小 获得的覆层硬度极高 HV0 1 1300 第四节液体热扩渗 三 热浸锌和热浸铝1 热浸渗工艺的基本特点将钢浸到熔融的Zn Al液中 表面形成Zn及Zn合金 orAl及Al合金 工艺简单 成本低廉 易实现自动化 大大提高耐腐蚀性能 第四节液体热扩渗 过程 铁基表面被溶解 并形成合金层 合金层中的渗入原子向内扩散 形成固熔体或化合物 合金层表面包络一层纯金属 第四节液体热扩渗 2 工艺方法干法 用于钢丝及钢制零部件的热浸渗脱脂除锈 溶剂处理 干燥 热浸渗 水冷 第四节液体热扩渗 氧化还原法 主要用于钢板 钢带的连续热浸渗 第四节液体热扩渗 3 热浸锌的工艺和性能锌液为Zn Al Zn Ni浴等工艺参数为 锌液温度 浸渍时间 抽出速度 1 锌液T 440 465 C最佳 温度过高 浸锌层塑性 锌锅寿命 锌液对基体铁溶解加快 温度过低 粘度 浸锌层厚度不均匀性 第四节液体热扩渗 2 浸Zn时间和抽出速度时间增加4倍 合金层重量增加1倍 抽出速度低 锌层薄 反之 锌层厚 速度过快 引起凸凹不平 热浸锌的耐蚀性 形成致密的ZnCO3 Zn OH 3保护膜 若有局部损坏 有阴极保护作用 第四节液体热扩渗 4 热浸Al工艺和性能处理温度为700 930 C 保温10 20min 耐高温氧化用品必须进行扩散退火 900 980 C 保温4 6h 表面生成Al203膜 第五节固体热扩渗 一 固体热扩渗的基本特点固体热扩渗是把工件放入固体渗剂中或用固体渗剂包裹工件加热到一定温度保温一段时间 使工件表面渗入某种元素或多种元素的工艺过程 在固体热扩渗中 影响渗层深度和质量的因素是温度和时间以及固体渗剂的成分 第五节固体热扩渗 固体渗剂一般由供渗剂 催渗剂 活化剂 填充剂组成 供渗剂的作用是能产生活性原子 如供渗剂是化合物 还需加入还原剂 使之产生活性原子 催渗剂的作用是能促进活性原子渗入 而在由还原剂组成的渗剂中能促进还原反应进行或兼有促进活性原子渗入这两种作用 填充剂的作用主要是减少渗剂的板结 方便工件的取出 并降低成本 还原剂的作用是能将欲渗元素还原成活性原子 两种形式 粉末 膏剂 第五节固体热扩渗 二 固体渗硼将硼元素渗入工件表面的热扩渗工艺称为渗硼 渗硼能显著地提高钢件表面硬度和耐磨性 特别是耐磨粒磨损能力 渗硼层还具有良好的耐热性和耐蚀性 硼碳复合渗是目前提高钢件耐磨粒磨损性能的最好工艺之一 渗硼方法有粉末法 膏剂法和熔盐法 第五节固体热扩渗 1 渗硼工艺及特点固体渗硼的工艺非常简单 将工件放入渗硼箱 四周填充渗硼剂 将渗硼箱密封后放入加热炉中加热 保温数小时后出炉 由于硼在 铁和 铁中的溶解度低于0 002 易与铁形成楔形的硼化物Fe2B 含合金元素则以 Fe M 2B表示 若渗硼剂活性高 在渗层中还会出现第二种硼化物FeB 由于Fe B的共晶温度为1146 而合金元素会使共晶点下降 因此渗硼温度一般不超过1000 对变形有要求的工件 钢件的渗硼温度一般为850 900 第五节固体热扩渗 第五节固体热扩渗 供硼剂一般选用含硼量高的物质 如碳化硼 硼铁 硼砂 催渗剂多用碳化物 氟化物和氯化物 填充剂为碳化硅或三氧化二铝 第五节固体热扩渗 第五节固体热扩渗 2 渗硼件的性能渗硼件硬度极高 耐磨 耐蚀 抗氧化性能好 而且摩擦系数小 1 硬度FeB显微硬度为1800 2200HV Fe2B显微硬度为1200 1800HV 钽的硼化物硬度高于300HV 铌 钨 钼的硼化物硬度也都在2000HV以上 钢中含碳量的增加可减少双相型渗硼层中FeB的相对含量并使FeB的硬度降低 第五节固体热扩渗 2 强度与耐磨性钢件经渗硼处理后抗拉强度和韧性下降 但抗压强度提高 渗硼工件耐粘着磨损性能比渗碳淬火 离子渗氮更高 耐磨料磨损能力也非常好3 耐腐蚀性能钢件渗硼后在硫酸 盐酸 磷酸等水溶液中的耐蚀性能均明显提高 但不耐硝酸及海水腐蚀 4 抗高温氧化性能渗硼层具有 定抗高温氧化性能 在空气中加热到800 C持续40h 氧化增重甚微 第六节等离子体热扩渗 等离子体热扩渗 是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面 形成热扩渗层的工艺过程 第六节等离子体热扩渗 一 等离子体热扩渗的基本特点与普通气体热扩渗技术相比 等离子体热扩渗技术具有如下特点 1 离子轰击工件使其表面高度活化 易于吸收被渗离子和随离子一起冲击工件表面的活性原子 因而热扩渗速度加快 2 通过调节电参数 渗剂气体成分和压力等参数来控制热扩渗层的组织 使工件满足各种工况的要求 3 离子轰击作用可以去除工件表面的氧化膜和钝化膜 使易氧化或纯化的金属 如不锈钢等 能进行有效热扩渗 4 易实现工艺过程的计算机控制 第六节等离子体热扩渗 二 等离子体热扩渗原理1 气体放电方式及伏安特性曲线被激放电区 Oabc 自激放电区 cd 正常辉光放电区 de 异常辉光放电区 ef 弧光放电区 fg 第六节等离子体热扩渗 离子渗氮一 工艺特点 第六节等离子体热扩渗 二 离子渗氦的组织及影响因素离子渗氮渗层结构与气体渗氮相似 但离子渗氮易于调整工艺参数 获得不同渗层组织 1 单一扩散层 2 扩散层 3 扩散层 4 扩散层 影响离子渗氮层的主要因素有 1 温度随着温度的升高 渗层厚度增加 在570 600 C达到极大值 随着温度的升高 相的数量减少 相的数量增多 第六节等离子体热扩渗 2 时间随着时间的延长 渗氮层的成分会发生变化 由于 相在氮离子的不断轰击下 热稳定件降低而易于分解 所以 相减少 相增多 在适当长的时间内 可获得最大厚度的 相层 3 气体成分离子渗氮使用纯氨 纯氮 氮气和氢气等多种气体 使用纯氮效果不如氮气和氢气好 而氮气和氢气的混合比例不同 渗层表面氮含量不同 渗层表面相成分就不同 通过调节氮气和氢气的混合比例 就可获得不同氮含量的渗层 氨气中氮与氢的摩尔分数分别是25 和75 但用氨气渗氮比用摩尔分数为25 氮气和75 氢气的混合气渗氮所获的表面氮含量高 不过 使用纯氨时 由于氨的分解率不易控制 气氛中的氮势不稳定 第六节等离子体热扩渗 4 炉气气压 辉光放电电压和电流密度在一般离子渗氮炉中 气压 电压与电流密度是互有牵制的因素 在气压一定时 随着电压的升高 电流密度升高 在电压一定时 炉气气压对辉光层厚度有影响 对于不同形状的工件应选择相应的气压以获得均匀的渗层 例如 对于小孔和槽的渗氮要采用较高的气压 第六节等离子体热扩渗 3 离子渗氮层的性能 1 硬度 2 疲劳强度 3 韧性 4 耐磨性