表面工程學第五章-熱擴滲

1、表面工程學第五章 熱擴滲熱擴滲技術（化學熱處理工藝）將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種元素滲入工件表面，形成合金層的工藝。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1.滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物首要的基本條件；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，否則在生產(chǎn)上沒有實用價值。二、滲層形成機理1.產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。2.滲劑元素的活性原子吸附在基體金屬表面上，隨后被集機體金屬所吸收，形成最初的表面固溶體或金屬間化合物，建立熱擴滲所必需的梯度。3.滲劑元素原子向基體金屬內(nèi)部擴散，基體金屬原子

2、也同時向滲層中擴散，使擴滲層深度增厚，即擴深層成長過程，簡稱擴散過程。三.熱擴滲速度的影響因素影響化學反應速度的主要因素有：反應物濃度、反應溫度和活化劑（催化劑）等。四.擴滲層的組織特征第二節(jié) 熱擴滲工藝的分類1.按熱擴滲的溫度分： 高、中和低溫熱擴滲2.按滲入元素化學成分的特點分：非金屬元素、金屬元素、金屬-非金屬元素多元共滲和均勻化退火熱擴滲。3.按滲劑在工作溫度下滲劑的物質(zhì)狀態(tài)分;氣體、液體、固體、等離子和復合熱擴滲五種。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(nèi)都成為氣體；在氣體熱擴滲過程中，滲劑可以不斷補充更新，使

3、活性原子的供給、吸收和內(nèi)部擴散的過程持續(xù)維持；可以隨時調(diào)整爐內(nèi)氣氛，實現(xiàn)可控熱擴滲。二、氣體滲碳1.氣體滲碳工藝的基本特點2.影響氣體滲碳工藝的主要原因（1）溫度和時間；（2）滲碳氣氛；（3）鋼的化學成分。b.按獲得不同滲碳層深度的工藝特點分為：淺層、常規(guī)和深層滲碳三種。4.氣體滲碳的組織特征和基本性能表面硬度、滲碳層深度、心部硬度5.彌散碳化物滲碳法(CD法)3.氣體滲碳的主要方式 a.按所用滲碳氣體的產(chǎn)生方法及及種類分：滴注式、吸熱式和氮基氣氛滲碳三種。三、氣體滲氮滲氮將氮滲入鋼件表面的過程。滲氮層不僅具有高的表面硬度、強調(diào)和耐磨性，而且有很強的抗回火能力，可在500度以下長期保持高硬度。

4、四、氣體碳氮共滲和氮碳共滲在520-580度碳氮共滲以滲氮為主，因此稱為氮碳共滲；在780-930度碳氮共滲以滲碳為主，因此稱為碳氮共滲。 第四節(jié) 液體熱擴滲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。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。一、低溫鹽浴共滲法特點：熱擴滲時鋼基體無相變，工件處理后變形很小，一般可進行機械加工或只拋光就使用。硼砂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。三、熱浸鋅和熱浸鋁熱浸鋅或鋁將鋼材或工件浸漬到熔融鋅或鋁液中，使鋼材或工件表面形

5、成鋅及鋅鐵合金層或鋁及鋁合金層的方法。二、硼砂熔鹽金屬覆層技術（T.D.法）1.熱浸滲工藝的基本特點 當浸漬時間極短時，所形成的鍍層只是附著層而不是擴散層，因而與基體金屬結(jié)合不牢固，因此一般在熱浸鍍后還要加熱使鍍層進行擴散，以形成合金層。 熱浸法滲金屬工藝中，液態(tài)金屬的活性、液態(tài)金屬與工件基體金屬發(fā)生反應和滲入原子向內(nèi)熱擴散的能量均由熱能提供。2.熱浸滲的工藝方法根據(jù)工藝特點，熱浸法工藝分為：溶劑法和氧化還原法。溶劑法又分為：濕法和干法，濕法由于工藝復雜已基本淘汰。用途：溶劑法多用于鋼絲及鋼制零件的熱浸滲。氧化還原反應法主要用于鋼板、鋼帶的連續(xù)熱浸滲。這兩種方法的主要區(qū)別在于脫脂除銹、保持工件

6、或鋼材表面清潔的方式不同。氧化還原法熱浸滲是將鋼板或鋼帶先通過氧化爐燒掉表面的軋制油，再進入還原爐去除氧化膜，然后在隔絕空氣的條件下冷卻到一定溫度后進入熱浸滲爐。影響熱浸鋁層厚度和性能的因素有：工件基體的化學成分、鋁液的成分、浸鋁的溫度和時間等。3.熱浸鋅的工藝和性能決定工件或鋼材浸鋅質(zhì)量的主要工藝參數(shù)：鋅液溫度，浸漬時間和從鋅液中抽出的速度。4.熱浸鋁的工藝和性能第五節(jié) 固體熱擴滲一、固體熱滲透的基本特點固體熱滲透是把工件放入固體滲劑中或用固體滲透包裹工件加熱到一定溫度保溫一段時間，使工件表面滲入某種元素或多種元素的工藝過程。 固體熱擴滲設備簡單，滲劑配制容易，可以實現(xiàn)多種元素的熱擴滲，適用

7、于形狀復雜的工件，并能實現(xiàn)局部熱擴滲。但能耗大，熱效率和生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境差，工人勞動強度大，滲層組織和深度都難以控制，因此在使用上受到限制。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。 1.滲硼工藝及特點將工件放入滲硼箱，四周填充滲硼劑，將滲硼箱密封后放入加熱爐中加熱，保溫數(shù)小時后出爐。對于滲碳和滲氮，滲硼層更?。ㄒ话阒挥?.05-0.15mm）。 為了后續(xù)加工和滿足工況要求，滲硼層越厚越好。 由于Fe-B的共晶溫度為1146C，而合金元素會使共晶點下降，因此滲硼溫度一般不超過1000C。對變形有要求的工作，鋼件的滲硼溫度一般為850-900C。 2.滲硼件的性能 滲硼件硬度極高

8、，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3000HV，鈮、鎢、鉬的硼化物硬度也都在2000HV以上。鋼中含碳量的增加可減少雙相型滲硼層中FeB的相對含量并使FeB硬度降低。（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 滲硼層具有一定抗高溫氧化性能。在空氣中加熱到800攝氏度持續(xù)40h，氧化增重甚微。第六節(jié) 等離子體熱擴滲一、等離子體熱擴滲的基本特點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(diào)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