模具表面強(qiáng)化

1、一、概述一、概述表面技術(shù)的定義：表面技術(shù)的定義： 表面技術(shù)是指通過表面涂覆、表面改性或多種表表面技術(shù)是指通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，加強(qiáng)材加強(qiáng)材料表面保護(hù)，降低材料表面的腐蝕、磨損、氧化、料表面保護(hù)，降低材料表面的腐蝕、磨損、氧化、疲勞斷裂，延長材料的使用壽命。疲勞斷裂，延長材料的使用壽命。 第六章第六章 模具表面強(qiáng)化模具表面強(qiáng)化表面技術(shù)的目的：表面技術(shù)的目的：提高材料抵御環(huán)境作用的能力。提高材料抵御環(huán)境作用的能力。賦予材料表面某

2、種功能特性，包括光、賦予材料表面某種功能特性，包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種物理和電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種物理和化學(xué)性能?；瘜W(xué)性能。實(shí)施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部實(shí)施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。件和元器件等。一、概述一、概述表面技術(shù)的實(shí)施方法：表面技術(shù)的實(shí)施方法：1.施加各種覆蓋層施加各種覆蓋層 如各種涂層技術(shù)，包括電鍍、如各種涂層技術(shù)，包括電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、堆焊、熱噴涂、物理氣相沉積、電刷鍍、化學(xué)鍍、堆焊、熱噴涂、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。化學(xué)氣相沉積等。2.表面改性法：表面改性法：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材料表

3、面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而改變表層的性能。構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而改變表層的性能。主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理、離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理、離子注入表面改性等。離子注入表面改性等。一、概述一、概述表面技術(shù)的實(shí)施方法：表面技術(shù)的實(shí)施方法：一、概述一、概述（一）化學(xué)熱處理原理（一）化學(xué)熱處理原理 將工件置于含有欲滲元素的活性介質(zhì)中加熱到將工件置于含有欲滲元素的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使活性介質(zhì)分解出欲滲

4、元素的活性原子，一定溫度，使活性介質(zhì)分解出欲滲元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件內(nèi)部擴(kuò)散，活性原子被工件表面吸附并向工件內(nèi)部擴(kuò)散，以改以改變工件表層的化學(xué)成分。通常，在工件表層獲得高變工件表層的化學(xué)成分。通常，在工件表層獲得高硬度、耐磨損和高強(qiáng)度的同時(shí)，心部仍保持良好的硬度、耐磨損和高強(qiáng)度的同時(shí)，心部仍保持良好的韌性，使被處理工件具有抗沖擊載荷的能力。韌性，使被處理工件具有抗沖擊載荷的能力。二、模具表面化學(xué)熱處理二、模具表面化學(xué)熱處理（二）（二） 模具表面常用化學(xué)熱處理模具表面常用化學(xué)熱處理 主要包括：滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鋁、滲主要包括：滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鋁、滲鉻，以

5、及多元共滲，例如硼鉻共滲、碳氮和氮碳共滲、鉻，以及多元共滲，例如硼鉻共滲、碳氮和氮碳共滲、硫氮和硫氮碳共滲等。硫氮和硫氮碳共滲等。 根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)的不同，金屬根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)的不同，金屬表面化學(xué)熱處理可分為表面化學(xué)熱處理可分為:固體滲、液體滲、氣體滲、固體滲、液體滲、氣體滲、等離子滲。等離子滲。（三）化學(xué)熱處理工藝（三）化學(xué)熱處理工藝活性原子活性原子的的供供給給?；钚栽釉诨w金活性原子在基體金屬屬表面上吸附，表面上吸附，并并被基體被基體金金屬屬吸收。吸收。已溶入的滲已溶入的滲劑劑原子在滲原子在滲鍍鍍的高的高溫溫下向基體金下向基體金屬內(nèi)屬內(nèi)部部擴(kuò)擴(kuò)散。散。滲層形成滲層形成

6、基本過程基本過程:1 固體滲固體滲-粉末滲粉末滲 粉末滲就是把工件埋入裝有粉末滲劑的容器粉末滲就是把工件埋入裝有粉末滲劑的容器中，然后密封容器高溫加熱即可。中，然后密封容器高溫加熱即可。 這種方法很簡單，是固滲中最普通的方法，也這種方法很簡單，是固滲中最普通的方法，也是歷史最為悠久的方法。是歷史最為悠久的方法。 2 液體滲液體滲-鹽浴法鹽浴法 將工件直接浸入含有欲滲元素的熔鹽槽內(nèi)，將工件直接浸入含有欲滲元素的熔鹽槽內(nèi)，經(jīng)擴(kuò)散形成滲層。經(jīng)擴(kuò)散形成滲層。 3 氣體滲氣體滲 首先把工件加熱到擴(kuò)散的溫度，然后把含有首先把工件加熱到擴(kuò)散的溫度，然后把含有欲滲元素的氣體介質(zhì)通入，氣體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生欲滲元

7、素的氣體介質(zhì)通入，氣體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成活性原子滲入工件表面。成活性原子滲入工件表面。 4 離子滲離子滲 離子滲是利用物質(zhì)的第四態(tài)離子滲是利用物質(zhì)的第四態(tài)等離子體進(jìn)等離子體進(jìn)行滲鍍。因?yàn)榈入x子體離子活性比原子高，加上電行滲鍍。因?yàn)榈入x子體離子活性比原子高，加上電場(chǎng)的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好場(chǎng)的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好 （四）化學(xué)熱處理（四）化學(xué)熱處理滲層組織滲層組織 滲層的相組織和各相化學(xué)成分取決于組成該滲層的相組織和各相化學(xué)成分取決于組成該合金系的相圖。合金系的相圖。 在二元合金系統(tǒng)中，只有單相區(qū)、無兩相共在二元合金系統(tǒng)中，只有單相區(qū)、無兩相共存區(qū)，滲層的濃度分布呈階梯跳躍式分布，并

8、且存區(qū)，滲層的濃度分布呈階梯跳躍式分布，并且有相互毗鄰單相區(qū)所構(gòu)成。有相互毗鄰單相區(qū)所構(gòu)成。（四）化學(xué)熱處理（四）化學(xué)熱處理滲層組織滲層組織 影響擴(kuò)散速度的參數(shù)主要有兩個(gè)，即擴(kuò)散系影響擴(kuò)散速度的參數(shù)主要有兩個(gè)，即擴(kuò)散系數(shù)數(shù)D和濃度梯度，而許多因素都會(huì)影響這兩個(gè)參數(shù)，和濃度梯度，而許多因素都會(huì)影響這兩個(gè)參數(shù)，從而影響擴(kuò)散速度，幾個(gè)主要的影響因素為：從而影響擴(kuò)散速度，幾個(gè)主要的影響因素為： 溫度：擴(kuò)散系數(shù)溫度：擴(kuò)散系數(shù)D與溫度之間的關(guān)系為：與溫度之間的關(guān)系為：DD0EXP(-Q/RT)，可見擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而急，可見擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而急劇增大。劇增大。 晶體結(jié)構(gòu)：原子排列越緊密，擴(kuò)散時(shí)點(diǎn)陣畸晶

9、體結(jié)構(gòu)：原子排列越緊密，擴(kuò)散時(shí)點(diǎn)陣畸變大，所需擴(kuò)散激活能升高，擴(kuò)散越困難。變大，所需擴(kuò)散激活能升高，擴(kuò)散越困難。 （五）影響滲層形成（五）影響滲層形成厚度因素厚度因素 晶體缺陷：基體中的位錯(cuò)、空位和晶界等缺晶體缺陷：基體中的位錯(cuò)、空位和晶界等缺陷都是有利于擴(kuò)散的。陷都是有利于擴(kuò)散的。 基體合金成分?；w合金成分。 滲劑金屬原子濃度的影響：在其他條件相同滲劑金屬原子濃度的影響：在其他條件相同時(shí)，基體金屬表面滲劑金屬原子的起始濃度愈高，時(shí)，基體金屬表面滲劑金屬原子的起始濃度愈高，擴(kuò)散速度增大。擴(kuò)散速度增大。（五）影響滲層形成（五）影響滲層形成厚度因素厚度因素 滲硼是使硼原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理

10、工滲硼是使硼原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。硼在鋼中的溶解度很小，主要是與鐵和鋼中某藝。硼在鋼中的溶解度很小，主要是與鐵和鋼中某些合金元素形成硼化物。滲硼件的耐磨性高于滲氮些合金元素形成硼化物。滲硼件的耐磨性高于滲氮和滲碳層，而且有較高的熱穩(wěn)定性和耐蝕性，但滲和滲碳層，而且有較高的熱穩(wěn)定性和耐蝕性，但滲硼層脆性較大。硼層脆性較大。模具滲硼模具滲硼1.滲硼層組織：滲硼層組織：FeBFe2B擴(kuò)散擴(kuò)散層層心部組織心部組織鋼件滲硼后，滲硼層鋼件滲硼后，滲硼層由單一的由單一的Fe2B化合物化合物層或由層或由Fe2B+FeB構(gòu)成構(gòu)成的兩相化合物。的兩相化合物。Fe2B和和FeB通常為指狀通常為指狀(或或

11、梳齒狀梳齒狀)，且垂直于表，且垂直于表面楔入基體。面楔入基體。 2、滲硼層性能、滲硼層性能 （1）高硬度和高耐磨性）高硬度和高耐磨性 Fe2B和和FeB具有高的硬度，其顯微硬度分別為具有高的硬度，其顯微硬度分別為1300-1800HV和和1600-2200HV。鋼鐵材料滲硼后的。鋼鐵材料滲硼后的表面硬度也很高可達(dá)表面硬度也很高可達(dá)1300-2300HV。 （2）高的熱硬性）高的熱硬性 Fe2B和和FeB化合物穩(wěn)定性好，滲硼層在化合物穩(wěn)定性好，滲硼層在800C能保持高硬度。能保持高硬度。 2、滲硼層性能、滲硼層性能 （3）良好的高溫抗氧化性能及抗蝕性）良好的高溫抗氧化性能及抗蝕性 在高溫下、工件

12、表面的鐵硼化合物與氧反應(yīng)，在高溫下、工件表面的鐵硼化合物與氧反應(yīng)，生成生成B2O3使工件受到保護(hù)。使工件受到保護(hù)。 滲硼層對(duì)鹽酸、硫酸、磷酸、醋酸、氫氧化納滲硼層對(duì)鹽酸、硫酸、磷酸、醋酸、氫氧化納水溶液、氯化鈉水溶液，都具有較高的抗蝕性，但水溶液、氯化鈉水溶液，都具有較高的抗蝕性，但不耐硝酸腐蝕。不耐硝酸腐蝕。 （4）脆性）脆性 滲硼層硬度很高，但脆性較大。尤其滲硼層硬度很高，但脆性較大。尤其FeB，脆性大，一般希望得到單層的，脆性大，一般希望得到單層的Fe2B層。厚度層。厚度在在0.07-0.15mm .滲硼方法：滲硼方法：固體滲硼（粉末滲、膏劑滲）、氣固體滲硼（粉末滲、膏劑滲）、氣體滲硼、

13、液體滲硼、等離子滲硼。體滲硼、液體滲硼、等離子滲硼。 固體滲硼是將工件埋在滲硼劑粉末內(nèi)或?qū)⒎勰┕腆w滲硼是將工件埋在滲硼劑粉末內(nèi)或?qū)⒎勰B硼劑加上粘結(jié)劑調(diào)成膏狀，涂在需要滲硼的工件滲硼劑加上粘結(jié)劑調(diào)成膏狀，涂在需要滲硼的工件表面上，然后加熱擴(kuò)散。加熱方式一般為裝箱表面上，然后加熱擴(kuò)散。加熱方式一般為裝箱(用木用木炭或三氯化二鋁作為填充劑炭或三氯化二鋁作為填充劑)密封后在空氣爐中加熱；密封后在空氣爐中加熱；或不裝箱，在保護(hù)氣（氬氣或氮基氣氛或不裝箱，在保護(hù)氣（氬氣或氮基氣氛)中加熱，也中加熱，也可置于感應(yīng)器中可置于感應(yīng)器中(工件無需裝箱工件無需裝箱)進(jìn)行感應(yīng)加熱。進(jìn)行感應(yīng)加熱。 滲硼劑：供硼劑、活

14、化劑、填充劑。滲硼劑：供硼劑、活化劑、填充劑。1) 供硼劑供硼劑 供硼劑是滲硼的硼源。使用較多的是硼供硼劑是滲硼的硼源。使用較多的是硼鐵、碳化硼（鐵、碳化硼（B4C）和硼砂（）和硼砂（Na2B4O7）。）。2）活化劑）活化劑 活化劑的主要作用是提高滲劑的活性，活化劑的主要作用是提高滲劑的活性，與供硼劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)化合物，促進(jìn)活與供硼劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)化合物，促進(jìn)活性硼原子的產(chǎn)生，加速滲硼過程。常用的活化劑是性硼原子的產(chǎn)生，加速滲硼過程。常用的活化劑是氟硼酸鉀氟硼酸鉀(KBF4)、 碳化硅碳化硅(SiC)。3）填充劑）填充劑 填充劑是滲硼劑中的載體。它的主要填充劑是滲硼劑中的載體

15、。它的主要作用是使供硼劑、活化劑均勻分布在滲劑中，保證作用是使供硼劑、活化劑均勻分布在滲劑中，保證滲硼層的均勻性。通常的填充劑是碳化硅（滲硼層的均勻性。通常的填充劑是碳化硅（SiC）、）、三氧化二鋁（三氧化二鋁（Al2O3）、木炭。）、木炭。 供硼劑為硼砂（供硼劑為硼砂（Na2B407）、活化劑為碳化硅）、活化劑為碳化硅（SiC）時(shí)的反應(yīng)：）時(shí)的反應(yīng)： Na2B407 + SiC Na20Si02 + C02 + 02 +4B 通過反應(yīng)產(chǎn)生大量活性硼原子通過反應(yīng)產(chǎn)生大量活性硼原子B液體滲硼（鹽浴滲硼）：液體滲硼（鹽浴滲硼）：是將工件置于熔融鹽浴中是將工件置于熔融鹽浴中的滲硼方法。硼砂作為供硼劑

16、。還原劑的作用是從的滲硼方法。硼砂作為供硼劑。還原劑的作用是從硼砂熔融分解產(chǎn)物中還原出活性硼原子。凡是與氧硼砂熔融分解產(chǎn)物中還原出活性硼原子。凡是與氧的親和力大于硼和氧的親和力的物質(zhì)均可作為還原的親和力大于硼和氧的親和力的物質(zhì)均可作為還原劑。通常選用的還原劑有碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸劑。通常選用的還原劑有碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸鉀。鉀。滲硼溫度一般為滲硼溫度一般為9001000度，保溫度，保溫26小時(shí)。小時(shí)。碳鋼滲硼可代替合金鋼。碳鋼滲硼可代替合金鋼。 滲鉻可以提高模具在高溫下的抗氧化性以及抗?jié)B鉻可以提高模具在高溫下的抗氧化性以及抗蝕性，高碳鋼滲鉻還可提高耐磨性。蝕性，高碳鋼滲鉻還可提高耐磨性。

17、滲鉻層的組織與基體碳含量有關(guān)，高碳鋼基體滲鉻層的組織與基體碳含量有關(guān)，高碳鋼基體表層只形成鉻的碳化物層，如（表層只形成鉻的碳化物層，如（Cr,Fe）7C3, （Cr,Fe）23C6, （Fe, Cr）3C。厚度薄，只有。厚度薄，只有0.01-0.04mm，硬度為，硬度為1500HV。中碳鋼滲鉻層在鉻的碳。中碳鋼滲鉻層在鉻的碳化物層下有一層擴(kuò)散層。鉻在化物層下有一層擴(kuò)散層。鉻在鐵中的固溶體組織。鐵中的固溶體組織。低碳鋼只有擴(kuò)散層（鉻在低碳鋼只有擴(kuò)散層（鉻在鐵中的固溶體組織）。滲鐵中的固溶體組織）。滲鉻層的硬度取決于基體的含碳量。鉻層的硬度取決于基體的含碳量。 模具的滲鉻模具的滲鉻 滲鉻工藝有氣體

18、法、液體法和固體法。由于氣滲鉻工藝有氣體法、液體法和固體法。由于氣體滲鉻介質(zhì)體滲鉻介質(zhì)(CrCl2)沒有商品供應(yīng)，而且它的活性大沒有商品供應(yīng)，而且它的活性大難以貯存，因此氣體滲鉻沒有得到應(yīng)用。國內(nèi)用難以貯存，因此氣體滲鉻沒有得到應(yīng)用。國內(nèi)用于模具的主要采用固體滲鉻、真空滲鉻于模具的主要采用固體滲鉻、真空滲鉻 。 1）固體滲鉻）固體滲鉻固體粉末滲劑的組成固體粉末滲劑的組成 ： 鉻粉或鉻鐵粉鉻粉或鉻鐵粉+填充劑（填充劑（Al2O3）+活化劑活化劑(NH4Cl)1）鉻粉或鉻鐵粉提供活性鉻原子，純度越高越好。）鉻粉或鉻鐵粉提供活性鉻原子，純度越高越好。2）填充劑）填充劑(又稱分散劑又稱分散劑)通常使用

19、惰性高的粉末。通常使用惰性高的粉末。填充劑用于分散金屬粉末、防止它們?cè)跐B金屬高溫填充劑用于分散金屬粉末、防止它們?cè)跐B金屬高溫下彼此粘合或金屬粉末粘附在零件表面。下彼此粘合或金屬粉末粘附在零件表面。3）活化劑：其作用是把粉末金屬轉(zhuǎn)化為金屬活性）活化劑：其作用是把粉末金屬轉(zhuǎn)化為金屬活性物質(zhì)。物質(zhì)。滲鉻層組織滲鉻層組織 基材：基材： T8T8合金元素：合金元素：CrCr放大倍數(shù)：放大倍數(shù)：500500倍倍 滲碳目的是在低碳鋼或低碳合金鋼零件的表面得滲碳目的是在低碳鋼或低碳合金鋼零件的表面得到高的含碳量（高于到高的含碳量（高于0.8%)0.8%)。其后經(jīng)淬火、低溫回火。其后經(jīng)淬火、低溫回火得到高的硬度

20、和耐磨性的滲碳層，而零件的內(nèi)部具得到高的硬度和耐磨性的滲碳層，而零件的內(nèi)部具有高的強(qiáng)韌性。但缺點(diǎn)是處理溫度高（有高的強(qiáng)韌性。但缺點(diǎn)是處理溫度高（900C900C 左右），左右），工件畸變大。工件畸變大。 滲碳工藝廣泛應(yīng)用于工模具及飛機(jī)、汽車、機(jī)床滲碳工藝廣泛應(yīng)用于工模具及飛機(jī)、汽車、機(jī)床等的重要零件中，如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是等的重要零件中，如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應(yīng)用最廣、發(fā)展得最全面的化學(xué)熱處理工藝。用微應(yīng)用最廣、發(fā)展得最全面的化學(xué)熱處理工藝。用微處理機(jī)可實(shí)現(xiàn)滲碳全過程的自動(dòng)化，能控制表面含處理機(jī)可實(shí)現(xiàn)滲碳全過程的自動(dòng)化，能控制表面含碳量和碳在滲層中的分布。碳量和碳在滲層中的分布。

21、（一）滲碳（一）滲碳模具的滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲模具的滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲對(duì)多數(shù)中、小型零件來說，滲碳層深度一般為對(duì)多數(shù)中、小型零件來說，滲碳層深度一般為0.7-1.5mm、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7-0.9。按照滲碳介質(zhì)的狀態(tài)，滲碳方法分為：氣體滲、按照滲碳介質(zhì)的狀態(tài)，滲碳方法分為：氣體滲、液體滲、固體滲。液體滲、固體滲。 （1）氣體滲碳）氣體滲碳 （應(yīng)用最廣泛的滲碳方法）（應(yīng)用最廣泛的滲碳方法） CH3OH（甲醇）（甲醇）CO+2H2 CH4（甲烷）（甲烷）C +2H2 2COC+CO2 CO2+H2CO+2H20（2）固體滲碳（傳統(tǒng)的滲碳方法）固體滲碳（傳統(tǒng)的

22、滲碳方法）固體滲碳劑主要由木炭和碳酸鹽（固體滲碳劑主要由木炭和碳酸鹽（NaCO3，BaCO3）組成。反應(yīng)：）組成。反應(yīng)：碳酸鹽高溫分解：碳酸鹽高溫分解：NaCO3 NaO+CO2 BaCO3 BaO+CO2CO2與木炭反應(yīng)：與木炭反應(yīng)：C（木炭）（木炭）+CO22CO COCO2+C（3）鹽浴滲碳）鹽浴滲碳 介質(zhì)：氰鹽，反應(yīng)后生成氰氫酸，有劇毒。介質(zhì)：氰鹽，反應(yīng)后生成氰氫酸，有劇毒。滲碳層組織特點(diǎn)：滲碳層組織特點(diǎn)： 由表及里：網(wǎng)狀碳化物由表及里：網(wǎng)狀碳化物+珠光體珠光體-珠光體珠光體-珠光體珠光體+鐵素體鐵素體-珠光體減少，鐵素體增多。珠光體減少，鐵素體增多。 滲碳層不允許出現(xiàn)過多的網(wǎng)狀碳化物

23、，防止?jié)B碳層不允許出現(xiàn)過多的網(wǎng)狀碳化物，防止?jié)B碳層和零件變脆。只要控制滲碳介質(zhì)的活性或滲碳層和零件變脆。只要控制滲碳介質(zhì)的活性或碳碳勢(shì)勢(shì)（鋼表面的含碳量），就可以加以控制。（鋼表面的含碳量），就可以加以控制。 組織：表面組織：表面(層層)為高碳回火馬氏體組織、心部為高碳回火馬氏體組織、心部為低碳回火馬氏體組織。為低碳回火馬氏體組織。 滲氮（又稱氮化），是使氮原子向金屬工件表滲氮（又稱氮化），是使氮原子向金屬工件表層擴(kuò)散的化學(xué)熱處理工藝。鋼鐵滲氮后，可形成以層擴(kuò)散的化學(xué)熱處理工藝。鋼鐵滲氮后，可形成以氮化物為主的表層。當(dāng)鋼中含有鉻、鋁、鉬等氮化氮化物為主的表層。當(dāng)鋼中含有鉻、鋁、鉬等氮化物時(shí)，可

24、獲得比滲碳層更高的硬度、更高的耐磨、物時(shí)，可獲得比滲碳層更高的硬度、更高的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能。滲氮主要用于對(duì)精度、畸變量、耐蝕和抗疲勞性能。滲氮主要用于對(duì)精度、畸變量、疲勞強(qiáng)度和耐磨性要求都很高的模具。疲勞強(qiáng)度和耐磨性要求都很高的模具。 滲氮可使鋼鐵零件表面硬度達(dá)到滲氮可使鋼鐵零件表面硬度達(dá)到950-2200HV。（二）滲氮（二）滲氮 滲氮溫度低于共析轉(zhuǎn)變溫度，一般為滲氮溫度低于共析轉(zhuǎn)變溫度，一般為500-600，零件滲氮后不進(jìn)行淬火工藝，滲氮零件的，零件滲氮后不進(jìn)行淬火工藝，滲氮零件的變形很小。變形很小。 目前生產(chǎn)中多采用氣體滲氮和離子滲氮。目前生產(chǎn)中多采用氣體滲氮和離子滲氮。 氣體滲氮

25、是把工件放入密封容器中，通以流動(dòng)氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動(dòng)的氨氣并加熱，保溫較長時(shí)間后，氨氣熱分解產(chǎn)生的氨氣并加熱，保溫較長時(shí)間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子活性氮原子,不斷吸附到工件表面，并擴(kuò)散滲入工不斷吸附到工件表面，并擴(kuò)散滲入工件表層內(nèi)，形成滲氮層。件表層內(nèi)，形成滲氮層。 (2NH3=2N+3H2)滲氮層的滲氮層的組織：組織：三種典型三種典型組織：組織：(1)只有擴(kuò)只有擴(kuò)散層；散層；(2) 層層+擴(kuò)散層；擴(kuò)散層；(3) + 層層+擴(kuò)散層。擴(kuò)散層。 滲氮層金相照片滲氮層金相照片（三）（三）碳氮共滲碳氮共滲、氮碳共滲氮碳共滲碳氮共滲碳氮共滲和和氮碳共滲氮碳共滲是在金屬工件表層同時(shí)

26、滲入是在金屬工件表層同時(shí)滲入碳、氮兩種元素的化學(xué)熱處理工藝。碳、氮兩種元素的化學(xué)熱處理工藝。 前者以滲碳為主，與滲碳相比，共滲件淬冷前者以滲碳為主，與滲碳相比，共滲件淬冷的畸變小，耐磨和耐蝕性高，抗疲勞性能優(yōu)于滲碳，的畸變小，耐磨和耐蝕性高，抗疲勞性能優(yōu)于滲碳，7070年代以來，碳氮共滲工藝發(fā)展迅速，不僅可用在年代以來，碳氮共滲工藝發(fā)展迅速，不僅可用在若干種汽車、拖拉機(jī)零件上，也比較廣泛地用于多若干種汽車、拖拉機(jī)零件上，也比較廣泛地用于多種齒輪和軸類的表面強(qiáng)化；種齒輪和軸類的表面強(qiáng)化； 后者則以滲氮為主，它的主要特點(diǎn)是滲速較快，后者則以滲氮為主，它的主要特點(diǎn)是滲速較快，生產(chǎn)周期短，表面脆性小且

27、對(duì)工件材質(zhì)的要求不嚴(yán)，生產(chǎn)周期短，表面脆性小且對(duì)工件材質(zhì)的要求不嚴(yán)，不足之處是工件滲層較薄，不宜在高載荷下工作。不足之處是工件滲層較薄，不宜在高載荷下工作。 是通過硫與金屬工件表面反應(yīng)而形成是通過硫與金屬工件表面反應(yīng)而形成FeS薄膜薄膜的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)過滲硫處理的工件，其硬度的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)過滲硫處理的工件，其硬度較低，但減摩作用良好，能防止摩擦副表面接觸時(shí)較低，但減摩作用良好，能防止摩擦副表面接觸時(shí)因摩擦熱和塑性變形而引起的擦傷和咬死。因摩擦熱和塑性變形而引起的擦傷和咬死。模具滲硫模具滲硫硫氮共滲、硫氮碳共滲是將硫、氮或硫、氮、碳硫氮共滲、硫氮碳共滲是將硫、氮或硫、氮、碳同時(shí)滲入金屬

28、工件表層的化學(xué)熱處理工藝。采用滲同時(shí)滲入金屬工件表層的化學(xué)熱處理工藝。采用滲硫工藝時(shí)，滲層減摩性好，但在載荷較高時(shí)滲層會(huì)硫工藝時(shí)，滲層減摩性好，但在載荷較高時(shí)滲層會(huì)很快破壞。采用滲氮或氮碳共滲工藝時(shí)，滲層有較很快破壞。采用滲氮或氮碳共滲工藝時(shí)，滲層有較好的耐磨、抗疲勞性能，但減摩性欠佳。硫氮或硫好的耐磨、抗疲勞性能，但減摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共滲工藝，可使工件表層兼具耐磨和減摩等性氮碳共滲工藝，可使工件表層兼具耐磨和減摩等性能。能。 硫氮共滲、硫氮碳共滲硫氮共滲、硫氮碳共滲等離子體的物理概念等離子體的物理概念 通常物質(zhì)呈現(xiàn)三種狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。通常物質(zhì)呈現(xiàn)三種狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。

29、物質(zhì)的狀態(tài)是可以變化的，在一定溫度和壓力條件物質(zhì)的狀態(tài)是可以變化的，在一定溫度和壓力條件下固、液、氣三態(tài)的相互轉(zhuǎn)變?cè)缫褳槿藗兯熘?。下固、液、氣三態(tài)的相互轉(zhuǎn)變?cè)缫褳槿藗兯熘?若采取某種手段，如加熱、若采取某種手段，如加熱、放電等，使氣體分子離解和放電等，使氣體分子離解和電離，當(dāng)電離產(chǎn)生的帶電粒電離，當(dāng)電離產(chǎn)生的帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，物子密度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，物質(zhì)狀態(tài)便又出現(xiàn)新變化，這質(zhì)狀態(tài)便又出現(xiàn)新變化，這時(shí)的電離氣體己不再是原來時(shí)的電離氣體己不再是原來的氣體了。而是由離子、電的氣體了。而是由離子、電子和中性粒子組成的集合體子和中性粒子組成的集合體（等離子體等離子體）。）。按照產(chǎn)生的形

30、式，等離子體可以分為：按照產(chǎn)生的形式，等離子體可以分為：(1) (1) 天然等離子體天然等離子體 宇宙中宇宙中99%99%的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在的，的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在的，如恒星星系、星云，地球附近的閃電、極光、電離如恒星星系、星云，地球附近的閃電、極光、電離層等。太陽本身就是一個(gè)灼熱的等離子體火球。層等。太陽本身就是一個(gè)灼熱的等離子體火球。(2) (2) 人工等離子體人工等離子體 如：日光燈、霓虹燈中的放電等離子體。等離如：日光燈、霓虹燈中的放電等離子體。等離子體炬（焊接、新材料制備、消除污染）中的電弧子體炬（焊接、新材料制備、消除污染）中的電弧放電等離子體。氣體激光器及各種氣體放

31、電中的電放電等離子體。氣體激光器及各種氣體放電中的電離氣體。離氣體。離子滲氮離子滲氮 離子氮化是利用等離離子氮化是利用等離子放電產(chǎn)生的活性原子或子放電產(chǎn)生的活性原子或離子進(jìn)行滲氮的技術(shù)。離子進(jìn)行滲氮的技術(shù)。 設(shè)備主要由真空氮化設(shè)備主要由真空氮化爐、抽真空系統(tǒng)、供氣系爐、抽真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)統(tǒng)、電控系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)等組成。等組成。 圖圖3-3- 離子氮化設(shè)備示意圖離子氮化設(shè)備示意圖1-1-氣瓶；氣瓶；2-2-針形閥；針形閥；3-3-浮子流量計(jì)；浮子流量計(jì)；4-4-進(jìn)氣管；進(jìn)氣管；5-5-冷卻水進(jìn)水口；冷卻水進(jìn)水口；6-6-冷卻水出水孔；冷卻水出水孔；7-7-真空罩；真空罩；8-

32、8-窺視孔；窺視孔；9-9-觀察窗；觀察窗；10-10-工件；工件；11-11-陽極；陽極；12-12-陰陰極柱；極柱；13-13-真空泵；真空泵；14-14-光電測(cè)溫儀；光電測(cè)溫儀；15-15-溫度表；溫度表；16-16-直流電源直流電源+_12376485109111312161415工藝原理工藝原理 離子氮化是在密閉的真空爐內(nèi)，將清洗后的被離子氮化是在密閉的真空爐內(nèi)，將清洗后的被滲工件放置在陰極盤上（或吊掛在陰極掛具上）。滲工件放置在陰極盤上（或吊掛在陰極掛具上）。將真空爐抽真空至一定的真空度（將真空爐抽真空至一定的真空度（6Pa）后，充入一）后，充入一定流量的含氮?dú)怏w，如氨氣、氨熱分解

33、氣或以一定定流量的含氮?dú)怏w，如氨氣、氨熱分解氣或以一定比 例 混 合 的 氮 氫 混 合 氣 ， 并 將 氣 壓 保 持 在比 例 混 合 的 氮 氫 混 合 氣 ， 并 將 氣 壓 保 持 在1.331021.33103Pa左右，在陰極（工件）和陽左右，在陰極（工件）和陽極（真空室殼）之間施加極（真空室殼）之間施加4001000V左右的直流電左右的直流電壓，將含氮?dú)怏w電離成壓，將含氮?dú)怏w電離成N+、H+和電子，并產(chǎn)生輝光和電子，并產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象。在高壓電場(chǎng)作用下，放電現(xiàn)象。在高壓電場(chǎng)作用下，N+、H+在電場(chǎng)的作在電場(chǎng)的作用下以很大的速度轟擊工件表面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱用下以很大的速度轟擊工件表

34、面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，把工件表面加熱到所需滲氮溫度，與此同時(shí)，能，把工件表面加熱到所需滲氮溫度，與此同時(shí)，氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)擴(kuò)散形成滲氮層。氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)擴(kuò)散形成滲氮層。6.4 等離子體表面處理等離子體表面處理第六章第六章 表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)常用離子氮化工藝參數(shù)范常用離子氮化工藝參數(shù)范圍：圍：氮化溫度氮化溫度450-650；氣壓氣壓1.331021.33103Pa；放電電壓放電電壓400800V；電流密度電流密度0.55mA/cm2；氮化時(shí)間根據(jù)工件的材質(zhì)、氮化時(shí)間根據(jù)工件的材質(zhì)、氮化溫度以及要求的滲氮層氮化溫度以及要求的滲氮層深度，為十分鐘深度，為十分鐘幾十小時(shí)。幾

35、十小時(shí)。 +_12376485109111312161415離子對(duì)工件表面的轟擊作用離子對(duì)工件表面的轟擊作用：（1 1）將工件表面的）將工件表面的FeFe、C C、O O原子打出，破壞了金屬表面原子打出，破壞了金屬表面的氧化膜。的氧化膜。 (2) 激發(fā)了工件表面的二激發(fā)了工件表面的二次電子發(fā)射。次電子發(fā)射。 (3) 在 工 件 表 面 形 成在 工 件 表 面 形 成 5-10m的的厚的位錯(cuò)層厚的位錯(cuò)層。 圖3-1 離子氮化原理圖3氮的滲入機(jī)理：氮的滲入機(jī)理： 在離子轟擊作用下，從陰極在離子轟擊作用下，從陰極表面濺射出鐵原子，與陰極表面濺射出鐵原子，與陰極附近的活性氮原子結(jié)合形成附近的活性氮原

36、子結(jié)合形成FeN, 由于背散射效應(yīng)，一部由于背散射效應(yīng)，一部分分FeN又沉積到工件表面，在又沉積到工件表面，在離子轟擊和熱激活的作用下，離子轟擊和熱激活的作用下，氮化鐵發(fā)生分解：氮化鐵發(fā)生分解： FeN Fe2N + N Fe2N Fe3N + N1. Fe3N Fe4N + N圖3-1 離子氮化原理圖3離子氮化和氣體氮化的優(yōu)點(diǎn)：離子氮化和氣體氮化的優(yōu)點(diǎn)： 1滲氮速度快。獲得相同的氮化層厚度，離子滲氮速度快。獲得相同的氮化層厚度，離子氮化的保溫時(shí)間僅為氣體氮化的氮化的保溫時(shí)間僅為氣體氮化的1/3-1/5。 2省電、省氣，節(jié)約能源。采用離子轟擊作用省電、省氣，節(jié)約能源。采用離子轟擊作用加熱工件，

37、無需外加熱源，節(jié)省電能。離子滲氮的加熱工件，無需外加熱源，節(jié)省電能。離子滲氮的氣壓低，滲氮過程中進(jìn)氣量小，如采用氨氣作為工氣壓低，滲氮過程中進(jìn)氣量小，如采用氨氣作為工作氣體時(shí)，氨氣用量僅為氣體滲氮的作氣體時(shí)，氨氣用量僅為氣體滲氮的1/5-1/10。 3氮化層結(jié)構(gòu)可控。采用氮?dú)浠旌蠚庾鳛楣ぷ鞯瘜咏Y(jié)構(gòu)可控。采用氮?dú)浠旌蠚庾鳛楣ぷ鳉怏w時(shí)，通過有效控制氮?dú)浜勘?，可以控制氮化氣體時(shí)，通過有效控制氮?dú)浜勘?，可以控制氮化層的成分及組織結(jié)構(gòu)，獲得脆性小的層的成分及組織結(jié)構(gòu)，獲得脆性小的單相層或韌單相層或韌性較好的單相性較好的單相化合物層或僅有擴(kuò)散層。氣體滲氮化合物層或僅有擴(kuò)散層。氣體滲氮很難達(dá)到這一點(diǎn)。

38、很難達(dá)到這一點(diǎn)。離子氮化和氣體氮化相比的優(yōu)點(diǎn)：離子氮化和氣體氮化相比的優(yōu)點(diǎn)： 4非滲氮面屏蔽方法簡單。在不需滲氮部分可非滲氮面屏蔽方法簡單。在不需滲氮部分可采用機(jī)械屏蔽，如覆蓋一層鐵皮，無需采用氣體滲采用機(jī)械屏蔽，如覆蓋一層鐵皮，無需采用氣體滲氮中鍍錫或鍍銅的方法，屏蔽方法簡單方便。氮中鍍錫或鍍銅的方法，屏蔽方法簡單方便。5對(duì)不銹鋼不用去鈍化膜處理。對(duì)不銹鋼制品，對(duì)不銹鋼不用去鈍化膜處理。對(duì)不銹鋼制品，不用象氣體滲氮那樣在滲氮前對(duì)工件進(jìn)行噴沙或酸不用象氣體滲氮那樣在滲氮前對(duì)工件進(jìn)行噴沙或酸洗除去致密的氧化模，洗除去致密的氧化模， 可以在滲氮開始的陰極濺射可以在滲氮開始的陰極濺射作用下除去鈍化膜

39、。簡化工序，節(jié)省勞動(dòng)力。作用下除去鈍化膜。簡化工序，節(jié)省勞動(dòng)力。6無公害，工作環(huán)境好。與氣體滲氮和鹽浴滲無公害，工作環(huán)境好。與氣體滲氮和鹽浴滲氮不同，離子氮化的最大特點(diǎn)是不使用造成公害的氮不同，離子氮化的最大特點(diǎn)是不使用造成公害的物質(zhì)，僅使用少量的氨氣或氮?dú)?、氫氣，?duì)環(huán)境無物質(zhì)，僅使用少量的氨氣或氮?dú)?、氫氣，?duì)環(huán)境無危害。危害。離子滲碳離子滲碳 離子滲碳與離子氮化一樣，也是在真空狀態(tài)下，離子滲碳與離子氮化一樣，也是在真空狀態(tài)下，以工件為陰極，真空以工件為陰極，真空室殼室殼為陽極，在陰極與陽極之為陽極，在陰極與陽極之間施以直流電壓，將滲碳?xì)怏w電離，產(chǎn)生輝光放電。間施以直流電壓，將滲碳?xì)怏w電離，產(chǎn)

40、生輝光放電。在電場(chǎng)作用下碳離子轟擊工件表面，把工件表面加在電場(chǎng)作用下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。熱并被表面吸收然后向內(nèi)部擴(kuò)散。 與離子氮化不同的是，離子滲碳需要與離子氮化不同的是，離子滲碳需要900900以以上的高溫，僅靠離子轟擊加熱很難達(dá)到如此高的溫上的高溫，僅靠離子轟擊加熱很難達(dá)到如此高的溫度，因此，在離子滲碳爐內(nèi)通常要附加一個(gè)熱源度，因此，在離子滲碳爐內(nèi)通常要附加一個(gè)熱源（如采用爐內(nèi)電阻輻射加熱）。此外，離子滲碳還（如采用爐內(nèi)電阻輻射加熱）。此外，離子滲碳還要附設(shè)一套真空淬火設(shè)備，以便滲碳后及時(shí)進(jìn)行淬要附設(shè)一套真空淬火設(shè)備，以便滲碳后及時(shí)進(jìn)行淬火。火。離

41、子滲碳離子滲碳介質(zhì)介質(zhì)： 離子滲碳采用的滲碳離子滲碳采用的滲碳介質(zhì)介質(zhì)為甲烷為甲烷CH4或丙烷或丙烷C3H8。由于直接將甲烷。由于直接將甲烷或丙烷或丙烷通入爐內(nèi)滲碳時(shí)易產(chǎn)通入爐內(nèi)滲碳時(shí)易產(chǎn)生炭黑，特別是丙烷，一般多以氫氣或氬氣作為載生炭黑，特別是丙烷，一般多以氫氣或氬氣作為載氣，以氣，以1 1：10(10(體積比體積比) )將甲烷將甲烷或丙烷或丙烷稀釋后作為滲稀釋后作為滲碳介質(zhì)。碳介質(zhì)。離子滲碳的特點(diǎn)：離子滲碳的特點(diǎn)：1. 滲碳效率高。在等離子體放電空間，碳原子及滲碳效率高。在等離子體放電空間，碳原子及碳離子的活性大，供碳能力高，離子滲碳效率高達(dá)碳離子的活性大，供碳能力高，離子滲碳效率高達(dá)55

42、%，而真空滲碳效率為，而真空滲碳效率為20%，一般氣體滲碳效率，一般氣體滲碳效率為為1020%。2滲速快。離子滲碳時(shí)高的供碳能力以及離子滲速快。離子滲碳時(shí)高的供碳能力以及離子轟擊對(duì)碳原子擴(kuò)散的促進(jìn)作用加快了滲碳速度，離轟擊對(duì)碳原子擴(kuò)散的促進(jìn)作用加快了滲碳速度，離子滲碳的速度比氣體滲碳快子滲碳的速度比氣體滲碳快1/2-2/3。3. 3. 表面狀態(tài)好，滲層質(zhì)量高。表面狀態(tài)好，滲層質(zhì)量高。離子滲碳時(shí)工件離子滲碳時(shí)工件在真空中加熱，氣體中不含在真空中加熱，氣體中不含O2和和H2O，所以，所以經(jīng)離子經(jīng)離子滲碳的零件表面不氧化，無炭黑附著，更不出現(xiàn)內(nèi)滲碳的零件表面不氧化，無炭黑附著，更不出現(xiàn)內(nèi)氧化等缺陷，

43、滲碳層致密性好，表面清潔光亮。氧化等缺陷，滲碳層致密性好，表面清潔光亮。離子滲碳的特點(diǎn)：離子滲碳的特點(diǎn)：4滲碳量容易控制。通過調(diào)節(jié)滲碳?xì)怏w流量和滲碳量容易控制。通過調(diào)節(jié)滲碳?xì)怏w流量和氣體中甲烷或丙烷的分壓可以精確控制表面滲碳量。氣體中甲烷或丙烷的分壓可以精確控制表面滲碳量。5零件變形小。由于離子滲碳供碳能力高，滲零件變形小。由于離子滲碳供碳能力高，滲速快，高溫停留時(shí)間短，滲碳后零件變形小。速快，高溫停留時(shí)間短，滲碳后零件變形小。6離子滲碳件具有較常規(guī)滲碳件更高的耐磨性離子滲碳件具有較常規(guī)滲碳件更高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。和疲勞強(qiáng)度。7省能，無公害。離子滲碳滲速高，滲碳時(shí)間省能，無公害。離子滲碳滲速

44、高，滲碳時(shí)間短，降低了電的消耗，成本比真空滲碳每公斤降低短，降低了電的消耗，成本比真空滲碳每公斤降低33%。離子滲碳?xì)鈮簝H為真空滲碳的百分之一，減。離子滲碳?xì)鈮簝H為真空滲碳的百分之一，減少了甲烷、丙烷的用量，廢氣排除少，對(duì)環(huán)境無污少了甲烷、丙烷的用量，廢氣排除少，對(duì)環(huán)境無污染。染。離子碳氮共滲：離子碳氮共滲： 在離子滲碳?xì)怏w介質(zhì)中加入含氮?dú)怏w，利用工在離子滲碳?xì)怏w介質(zhì)中加入含氮?dú)怏w，利用工件件( (陰極陰極) )和陽極之間產(chǎn)生輝光放電同時(shí)滲入碳和氮，和陽極之間產(chǎn)生輝光放電同時(shí)滲入碳和氮，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝。 雙層輝光離子滲金屬技術(shù)：雙層輝光離子滲金屬技術(shù)

45、：在離子氮化設(shè)備的真空容器中，設(shè)置一源極。在在離子氮化設(shè)備的真空容器中，設(shè)置一源極。在源極和陽極之間及工件與陽極之間各設(shè)一個(gè)可控直源極和陽極之間及工件與陽極之間各設(shè)一個(gè)可控直流電源。當(dāng)真空室充入一定的氬氣后，接通電源，流電源。當(dāng)真空室充入一定的氬氣后，接通電源，在源極與陽極之間、工件與陽極之間產(chǎn)生兩組輝光在源極與陽極之間、工件與陽極之間產(chǎn)生兩組輝光放電現(xiàn)象（即雙層輝光放電現(xiàn)象）。利用輝光放電放電現(xiàn)象（即雙層輝光放電現(xiàn)象）。利用輝光放電所產(chǎn)生的氬離子轟擊源極，使欲滲合金元素由源極所產(chǎn)生的氬離子轟擊源極，使欲滲合金元素由源極表面被濺射出來，通過空間輸運(yùn)到達(dá)工件表面并被表面被濺射出來，通過空間輸運(yùn)到

46、達(dá)工件表面并被工件表面吸附工件表面吸附，在高溫下向內(nèi)部擴(kuò)散形成具有特殊在高溫下向內(nèi)部擴(kuò)散形成具有特殊物理化學(xué)性能的合金層。物理化學(xué)性能的合金層。 離子滲金屬離子滲金屬第三節(jié)第三節(jié) 模具表面鍍覆強(qiáng)化模具表面鍍覆強(qiáng)化 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)是在真空條件下，在各種材料或是在真空條件下，在各種材料或制品表面沉積制品表面沉積單層單層或或多層多層薄膜的技術(shù)。薄膜的技術(shù)。 氣相沉積技術(shù)一般可分為兩大類：氣相沉積技術(shù)一般可分為兩大類：物理氣相沉物理氣相沉積（積（PVD)和和化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVD）。 采用采用CVD和和PVD法在模具表面沉積法在模具表面沉積TiN、TiC，可提高模具表面硬度、耐磨

47、性、耐腐蝕性?？商岣吣＞弑砻嬗捕?、耐磨性、耐腐蝕性。1.化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD) : 把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質(zhì)氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學(xué)化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。 主要包括常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積主要包括常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積和兼有和兼有CVD和和PVD兩者特點(diǎn)的等離子化學(xué)氣相沉積等。兩者特點(diǎn)的等離子化學(xué)氣相沉積等。此外，還有有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積以及激光（電子束）此外，還有有機(jī)金屬化學(xué)

48、氣相沉積以及激光（電子束）化學(xué)氣相沉積?；瘜W(xué)氣相沉積。 一、化學(xué)氣相沉積原理一、化學(xué)氣相沉積原理 利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體材料表面材料表面(通常為熱表面通常為熱表面)上發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，上發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，從而在基材表面上形成鍍膜的技術(shù)稱為從而在基材表面上形成鍍膜的技術(shù)稱為化學(xué)氣相化學(xué)氣相沉積沉積(CVD)。 CVD法制備薄膜的過程，可以分為下面幾個(gè)法制備薄膜的過程，可以分為下面幾個(gè)主要的階段：主要的階段：反應(yīng)氣體擴(kuò)散至工件表面；反應(yīng)氣體擴(kuò)散至工件表面； 反應(yīng)氣體分子被基材表面吸附；反應(yīng)氣體分子被基材表面吸附； 在基材表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在基材表面

49、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 反應(yīng)生成的氣相副產(chǎn)物由基片表面脫離，被真反應(yīng)生成的氣相副產(chǎn)物由基片表面脫離，被真空泵抽掉；空泵抽掉； 在基片表面留下的固體反應(yīng)產(chǎn)物在基片表面擴(kuò)在基片表面留下的固體反應(yīng)產(chǎn)物在基片表面擴(kuò)散、形核，形成薄膜。散、形核，形成薄膜。CVD設(shè)備示意圖設(shè)備示意圖CVD設(shè)備設(shè)備:1.送氣裝置送氣裝置;2.反應(yīng)室反應(yīng)室;3.加熱裝置加熱裝置;4.排氣裝置排氣裝置 CVD技術(shù)中常采用的化學(xué)反應(yīng)有：技術(shù)中常采用的化學(xué)反應(yīng)有：（1）熱分解反應(yīng)：）熱分解反應(yīng)： 熱分解法是在真空或惰性氣氛下加熱基片至所需熱分解法是在真空或惰性氣氛下加熱基片至所需的溫度之后，導(dǎo)人反應(yīng)氣體使之發(fā)生熱分解反應(yīng)，最的溫度之后，導(dǎo)

50、人反應(yīng)氣體使之發(fā)生熱分解反應(yīng)，最后在基片上沉積出固體的薄膜材料。后在基片上沉積出固體的薄膜材料。 熱分解法制備硅單晶的示意圖：基底為硅片，反熱分解法制備硅單晶的示意圖：基底為硅片，反應(yīng)氣體為硅烷應(yīng)氣體為硅烷SiH4。 在在800-1000C發(fā)生熱分解反應(yīng)發(fā)生熱分解反應(yīng) SiH4 - Si + 2H2 （2）還原反應(yīng)（氫還原、金屬還原，基材還原）還原反應(yīng)（氫還原、金屬還原，基材還原） 用氫氣來還原鹵化物產(chǎn)生各種金屬和半導(dǎo)體薄膜。用氫氣來還原鹵化物產(chǎn)生各種金屬和半導(dǎo)體薄膜。如用如用H2還原四氯化硅制備單晶硅的反應(yīng)：還原四氯化硅制備單晶硅的反應(yīng)： SiCl4 + 2H2 - Si + 4HCl （3

51、）化學(xué)輸送（歧化反應(yīng)）：）化學(xué)輸送（歧化反應(yīng)）：2SiI2 - Si SiI4 （4）氧化反應(yīng)：）氧化反應(yīng)：SiH4 + O2 - SiO2 + 2H2 （5）水解反應(yīng)：）水解反應(yīng)： 2AlCl33H2O-Al2O3 6HCl（6）氮化反應(yīng)或氨解反應(yīng)：）氮化反應(yīng)或氨解反應(yīng)： 3SiH4 4NH3 - Si3N4 12H2 TiCl4+N2+ H2 TiN+HCl（7）碳化反應(yīng)：）碳化反應(yīng)：TiCl4 CH4 - TiC 4HCl （8）化學(xué)合成反應(yīng)）化學(xué)合成反應(yīng) 兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在一個(gè)熱的基兩種或兩種以上的氣態(tài)反應(yīng)物在一個(gè)熱的基底上相互反應(yīng)，產(chǎn)生固相的反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基底底上相互反應(yīng)，

52、產(chǎn)生固相的反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基底上，這種薄膜的沉積方法稱為化學(xué)合成法。上，這種薄膜的沉積方法稱為化學(xué)合成法。 如：如： SiCl4 +CCl4 - SiC+2Cl2 二、化學(xué)氣相沉積技術(shù)的分類二、化學(xué)氣相沉積技術(shù)的分類按化學(xué)反應(yīng)的激活方式，可分為按化學(xué)反應(yīng)的激活方式，可分為:1) 熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)（熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)（TCVD）2) 等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PACVD)3) 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積技術(shù)激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(LCVD)按化學(xué)反應(yīng)室的壓力，可分為按化學(xué)反應(yīng)室的壓力，可分為:1）常壓）常壓CVD；2）低壓）低壓CVD二、化學(xué)氣相沉積技術(shù)的分類二、化學(xué)氣相沉積

53、技術(shù)的分類 按化學(xué)反應(yīng)溫度高低，可分為按化學(xué)反應(yīng)溫度高低，可分為:1）低溫沉積（）低溫沉積（1200）。）。1 混氣室 2轉(zhuǎn)子流量計(jì) 3步進(jìn)電機(jī)控制儀 4真空壓力表 5不銹鋼管噴桿6噴頭 7基板 8石墨基座9 石英管反應(yīng)室 10機(jī)械泵 11WZK溫控儀 12電阻絲加熱源 13保溫層陶瓷管 14密封銅套1.1.熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)(TCVD) (TCVD) 電阻絲加熱，石英管反應(yīng)室電阻絲加熱，石英管反應(yīng)室1.1.熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)(TCVD) (TCVD) 電阻絲加熱，電阻絲加熱，石英鐘罩石英鐘罩熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)的特?zé)峄瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)的特點(diǎn)：點(diǎn)：沉積溫度高沉積

54、溫度高:800-1200C:800-1200C1.1.熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)熱化學(xué)氣相沉積技術(shù)(TCVD) (TCVD) 2. 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD) 利用利用直流放電、射頻放電或微波直流放電、射頻放電或微波產(chǎn)生的等離子體產(chǎn)生的等離子體內(nèi)的高能電子激活反應(yīng)氣體分子使之離解或電離，生內(nèi)的高能電子激活反應(yīng)氣體分子使之離解或電離，生成活潑的激發(fā)分子、離子、原子或活性原子團(tuán)等，并成活潑的激發(fā)分子、離子、原子或活性原子團(tuán)等，并在基體表面上沉積鍍膜。在基體表面上沉積鍍膜。 PCVD法借助于等離子體作用，促進(jìn)氣相化學(xué)反法借助于等離子體作用，促進(jìn)氣相化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，可降低基體溫

55、度，提高反應(yīng)速度。應(yīng)進(jìn)行，可降低基體溫度，提高反應(yīng)速度。 2. 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)射射頻頻等等離離子子CVCVD D 射頻電源通射頻電源通常采用電容耦常采用電容耦合或電感耦合合或電感耦合方式，其中又方式，其中又可分為電極式可分為電極式和無電極式結(jié)和無電極式結(jié)構(gòu)，電極式一構(gòu)，電極式一般采用平板式般采用平板式或熱管式結(jié)構(gòu)或熱管式結(jié)構(gòu)2. 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD) 微微波波等等離離子子CVDCVD3. 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積(LCVD) 利用利用激光激光激活反應(yīng)氣體分子使之離解或電離，生成激活反應(yīng)氣體分子

56、使之離解或電離，生成活潑的激發(fā)分子、離子、原子或活性原子團(tuán)等，并在活潑的激發(fā)分子、離子、原子或活性原子團(tuán)等，并在基體表面上沉積鍍膜?；w表面上沉積鍍膜。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：沉積溫度低。沉積溫度低。三、三、CVD技術(shù)在工模具上的應(yīng)用：技術(shù)在工模具上的應(yīng)用： CVD鍍層已成功地應(yīng)用在刀具、模具取得明顯的效鍍層已成功地應(yīng)用在刀具、模具取得明顯的效果。果。 用用CVD法在在刀具及模具表面沉積法在在刀具及模具表面沉積TiN、TiC、Ti（C,N)、Cr7C3、Al2O3, 可以提高工模具的耐磨性?？梢蕴岣吖つ＞叩哪湍バ浴?CVD金剛石薄膜金剛石薄膜2.物理氣相沉積物理氣相沉積(PVD): 在真空條件下，利用各

57、種在真空條件下，利用各種物理方法物理方法，將鍍料氣，將鍍料氣化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面上的方法。主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、基體表面上的方法。主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜等。離子鍍膜等。 真空蒸鍍定義：真空蒸鍍定義：真空蒸發(fā)是制備薄膜的一種常真空蒸發(fā)是制備薄膜的一種常用工藝，在工業(yè)上應(yīng)用較多。具體過程是：通常在用工藝，在工業(yè)上應(yīng)用較多。具體過程是：通常在真空度為真空度為10-4-10-5Torr的真空室內(nèi)進(jìn)行，采用電的真空室內(nèi)進(jìn)行，采用電阻式加熱、阻式加熱、 電子束加熱、電弧加熱及激光加熱等加電子束加熱、電弧加熱及激

58、光加熱等加熱方法，使金屬或者合金等材料蒸發(fā)和升華，由固熱方法，使金屬或者合金等材料蒸發(fā)和升華，由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)（原子、分子或原子團(tuán)）；蒸發(fā)的氣態(tài)態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)（原子、分子或原子團(tuán)）；蒸發(fā)的氣態(tài)粒子通過基本上沒有碰撞的直線方式從蒸發(fā)源傳輸粒子通過基本上沒有碰撞的直線方式從蒸發(fā)源傳輸?shù)交希⒃诨铣练e成膜。導(dǎo)電材料、介質(zhì)到基片上，并在基片上沉積成膜。導(dǎo)電材料、介質(zhì)材料、磁性材料和半導(dǎo)體材料等，都可以通過真空材料、磁性材料和半導(dǎo)體材料等，都可以通過真空蒸發(fā)工藝制備。蒸發(fā)工藝制備。二、真空蒸鍍方式和設(shè)備二、真空蒸鍍方式和設(shè)備（一）蒸發(fā)方式及蒸發(fā)源（一）蒸發(fā)方式及蒸發(fā)源 真空蒸鍍可采用的不同的加熱方法，

59、主要有：電真空蒸鍍可采用的不同的加熱方法，主要有：電阻加熱法、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱法、激光加熱阻加熱法、電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱法、激光加熱法。法。 蒸發(fā)源蒸發(fā)源：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱：加熱待蒸發(fā)材料并使之揮發(fā)的器具稱為蒸發(fā)源，也稱加熱器。為蒸發(fā)源，也稱加熱器。1.電阻加熱法電阻加熱法 用絲狀或片狀的高熔點(diǎn)金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)用絲狀或片狀的高熔點(diǎn)金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，將膜料放入其中，接通電源，電阻加熱膜料使之源，將膜料放入其中，接通電源，電阻加熱膜料使之蒸發(fā)。蒸發(fā)。 對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點(diǎn)，低蒸氣壓，對(duì)蒸發(fā)源材料的基本要求是：高熔點(diǎn)，低蒸氣壓，在蒸發(fā)溫度下不會(huì)與

60、膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有在蒸發(fā)溫度下不會(huì)與膜料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或互溶，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等性質(zhì)。常用一定的機(jī)械強(qiáng)度，且高溫冷卻后脆性小等性質(zhì)。常用鎢、鉬、鉭、石墨、氮化硼等高熔點(diǎn)材料。按照蒸發(fā)鎢、鉬、鉭、石墨、氮化硼等高熔點(diǎn)材料。按照蒸發(fā)材料的不同，可制成多股線螺旋形、材料的不同，可制成多股線螺旋形、U形、圓錐筐形、形、圓錐筐形、薄板形、舟形等。薄板形、舟形等。 電電阻阻加加熱熱蒸蒸發(fā)發(fā)源源2.電子束加熱電子束加熱 用電子槍發(fā)射出的高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物用電子槍發(fā)射出的高能電子束直接轟擊蒸發(fā)物質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。包括：發(fā)射電子的熱陰極、電質(zhì)的表面，使其蒸發(fā)。包括：發(fā)射電子