revised第五章 熱擴(kuò)滲

第五章熱擴(kuò)滲第一節(jié)定義、條件和過(guò)程定義：所謂熱擴(kuò)滲就是金屬材料及熱處理里講的化學(xué)熱處理，就是將金屬工件防入含有某種活性原子的化學(xué)介質(zhì)中，通過(guò)加熱、保溫使介質(zhì)中的活性原子被吸收、擴(kuò)散滲入工件一定深度的表層，改變表層的化學(xué)成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝，叫熱擴(kuò)滲。目的：就是為了提高材料表層的機(jī)械性能，具體來(lái)說(shuō)，就是提高耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化性。種類(lèi)：滲碳、氮化、滲硼、滲金屬熱擴(kuò)滲時(shí)要使某種元素滲入工件表面，必須具備兩個(gè)條件：(1)

鋼本身必須具有吸收滲入元素活性原子的能力，即該原子能溶入鐵晶格中形成固溶體，在鐵中有一定的溶解度，或與鐵具有較強(qiáng)親合力形成化合物。(2)

滲入元素的原子必須是具有化學(xué)活性的活性原子，即它是從某種化學(xué)介質(zhì)中分解出來(lái)的，或經(jīng)離子轉(zhuǎn)化形成的，這樣的活性原子處于高能狀態(tài)，它能克服鋼件表面鐵原子的結(jié)合力而滲入工件表面?；具^(guò)程（形成機(jī)理）：(1)將工件加熱到一定溫度，使之有利于溶入活性原子或形成化合物。(2)利用化合物分解或者離子轉(zhuǎn)化得到滲入元素活性原子。(3)活性原子吸附在鋼件表面，溶入鋼件表層，并在保溫過(guò)程中，由表層向內(nèi)擴(kuò)散，形成一定層深的擴(kuò)散層。擴(kuò)散層的組織特征：

擴(kuò)散層的相組成和化學(xué)成分由合金系的相圖確定。注意一點(diǎn)：二元合金的滲層一般不會(huì)出現(xiàn)兩相共存區(qū)（由相律決定的）。滲層由濃度呈階梯式跳躍分布、相互毗鄰的單相區(qū)組織構(gòu)成。f=c-p+1C:組元數(shù)，p:相數(shù)，f:自由度。第二節(jié)熱擴(kuò)滲的分類(lèi)按照加熱溫度高溫>910℃

中溫720-910℃

低溫<720℃按照介質(zhì)工作狀態(tài)氣體熱擴(kuò)滲液體熱擴(kuò)滲固體熱擴(kuò)滲第三節(jié)氣體熱擴(kuò)滲一、氣體滲碳目的：是通過(guò)向工件表層滲入碳原子，從而使表層具有高的含碳量，并經(jīng)熱處理后使表層具有高硬度、耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度及較高的塑性、韌性。

設(shè)備：主要有井式滲碳爐和連續(xù)滲碳爐，小批量的生產(chǎn)使用井式滲碳爐，大批量的生產(chǎn)就使用連續(xù)爐。CH4[C]+2H22CO[C]+CO2CO+H2[C]+H2O工藝參數(shù)：(1)溫度和時(shí)間溫度選擇原則，即要使?jié)B碳過(guò)程以較快的速度進(jìn)行，從鋼本身來(lái)說(shuō)，滲碳溫度下應(yīng)該能容納較多的碳原子，從活性碳原子來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散速率應(yīng)較快，滲碳溫度就應(yīng)該在較高溫度下進(jìn)行，900-950℃

。時(shí)間由滲層深度決定，井式爐大約是0.2mm/h,一般0.8-1.2mm,4-6h.

(2)滲碳?xì)夥眨ê剂康目刂?

氣氛是通過(guò)控制碳勢(shì)來(lái)控制的。因?yàn)椴煌瑵B碳劑產(chǎn)生活性碳原子的能力是不同的。碳勢(shì)就是在給定溫度下，鋼件表面含碳量與爐中氣氛達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，鋼件表面的實(shí)際含碳量。滲碳用鋼

低碳鋼和低碳合金鋼。含碳量過(guò)高會(huì)降低心部組織的塑性和韌性。15，20，15Cr,20Cr,20CrMnTi,20CrNiMo

碳勢(shì)的控制通?？捎玫吞间摬?厚度<0.1mm)在含碳?xì)夥罩械钠胶馓己縼?lái)表示。測(cè)量方法：假設(shè)爐氣氛處于平衡條件下，按熱力學(xué)分析得出的。H2+CO2+=H2O+CO2CO=[C]+CO2k2=[pco]2/acPco2，紅外儀測(cè)CO2濃度CO+H2=[C]+H2Ok3=PH2*PCO/PH2Oac，測(cè)露點(diǎn)溫度CO=[C]+1/2O2,k4=pCO/[pO2]1/2ac,氧探頭，測(cè)氧電勢(shì)滲碳后的熱處理和組織性能滲碳后，鋼件表層含碳量可達(dá)到0.9-1.25%。滲碳零件的一般工藝路線是：

下料-鍛造-正火-機(jī)加（粗）-滲碳-淬火+低溫回火-機(jī)加（精）為了提高滲碳件的性能，滲碳后還要進(jìn)行淬火并低溫回火。組織

表層：細(xì)小的片狀回火馬氏體及少量滲碳體，HRC58-62

心部：15，20，鐵素體和珠光體HRC10-15，20CrMnTi低碳回火馬氏體、鐵素體、屈氏體HRC35-45。應(yīng)用：汽車(chē)、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速齒輪。二、氣體氮化定義：向鋼的表面滲入氮原子，形成堅(jiān)硬化合物層的過(guò)程稱(chēng)為氮化。目的：是為了獲得比滲碳更高的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、紅硬性和抗蝕性，與滲碳不同的是氮化是靠在表層形成氮化物來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的。氮化原理：

使用的滲劑是氨氣。氣體氮化時(shí)，將氨氣通入加熱到氮化溫度的密閉氮化爐中，氨氣（NH3）在450℃以上溫度時(shí)與鐵接觸后分解：2NH3

3H2+2[N]。氮化溫度一般選擇在500-570℃進(jìn)行，在此溫度下鐵素體對(duì)氮有一定的溶解能力，α-Fe吸收活性氮原子，先形成氮在α-Fe中的固溶體，當(dāng)?shù)砍^(guò)α-Fe的溶解度時(shí)，便形成氮化物Fe4N和Fe2N。所以氮化后組織由里及表依次為：Fe2-3N(ε）-Fe4N（r’)-α-Fe(N)-心部組織。氮化層厚度一般在0.15-0.7mm范圍內(nèi)選擇，氮化時(shí)間為10-100h.

特點(diǎn)：

(1)氮化件具有極高的硬度和耐磨性。由于在氮化后在表層形成極硬的氮化物，HV850以上，相當(dāng)于HRC65-72,比滲碳淬火硬度高的多。因此氮化后無(wú)須進(jìn)行淬火。(2)具有較高的紅硬性，氮化物的高硬度可以保持到相當(dāng)高的溫度（600-650），而滲碳件則不同（硬度在300以上明顯下降）。(3)抗腐蝕性好，氮化物結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐自來(lái)水、大氣和蒸汽、堿液的腐蝕，但是不耐硝酸腐蝕。氮化處理、溫度低變形小。應(yīng)用:

各種精密齒輪、高精度機(jī)床主軸以及要求變形很小的耐熱、耐蝕、耐磨的零件（如高溫閥門(mén)等）。氮化用鋼：

中碳合金鋼，一般含有合金元素Cr、Mo、Al、V、Ti等。這些元素極易與氮形成顆粒細(xì)密，分布均勻，硬度高而且穩(wěn)定的化合物CrN、MoN、AlN、VN、TiN.38CrMoAl.

滲氮層中各相特點(diǎn)α，間隙固溶體,體心，硬度高于基體γ，面心立方，僅存在于共析點(diǎn)之上γ‘，F(xiàn)e4N,面心，硬度較高，脆性小ε，F(xiàn)e2-3N,密排六方，硬度較高，脆性小ζ，F(xiàn)e2N,斜方，脆性大熱浸鋅和熱浸鋁

將鋼材浸到熔融的鋅液或鋁液中，在鋼材表面形成鋅及鋅鐵合金層或鋁及鋁鐵合金層。熱浸鋅是一種應(yīng)用非常廣泛的材料表面工藝，主要應(yīng)用在大氣和海洋中工作的工件表面，水管，高速公路護(hù)欄、鐵塔和螺栓。熱浸鋁比熱浸鋅更耐大氣腐蝕，主要用于汽車(chē)排氣管、消音器、高速公路護(hù)欄。

第四節(jié)液體熱擴(kuò)滲熱浸鍍步驟：（1）鐵基表面溶解，界面上形成合金層。（2）滲入原子向內(nèi)擴(kuò)散，形成固溶體或化合物（3）表面包絡(luò)一層純金屬。第五節(jié)固體熱擴(kuò)滲固體熱擴(kuò)滲就是將工件放到一個(gè)密閉的箱中，工件周?chē)錆M了固體滲劑，然后加熱保溫一段時(shí)間，使工件表面滲入某種元素的工藝。固體滲劑由三部分組成：

供滲劑：產(chǎn)生滲入元素的活性原子。

催滲劑：促進(jìn)活性原子滲入。

填充劑：減少滲劑板結(jié)，降低成本。（還原劑）:將欲滲元素還原成活性原子。固體熱擴(kuò)滲優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，買(mǎi)些簡(jiǎn)單的滲劑就可以了，化工商店都有賣(mài)的。缺點(diǎn)是能耗大，生產(chǎn)率低，工作環(huán)境差，滲層組織難以精確控制，生產(chǎn)上應(yīng)用不普遍。方法粉末法和膏劑法粉末法工件埋入粉末滲劑或粒狀滲劑的容器內(nèi)進(jìn)行熱擴(kuò)滲。膏劑法將粉末滲劑和粘結(jié)劑調(diào)成膏體，涂在工件表面干燥后加熱擴(kuò)散形成滲層。一般涂5mm厚度。里面不加填充劑，但是加抗粘結(jié)劑（防止冷卻后粘結(jié)）固體滲硼目的：希望在工件表面形成高硬度的Fe2B（1200-1800HV），所以滲硼能顯著提高鋼件的表面硬度和耐磨性，特別是耐磨粒磨損的能力，而且能耐硫酸、鹽酸的腐蝕，800℃沒(méi)有明顯的氧化，因此，改善耐熱性和耐蝕性。組織與性能：滲硼后的顯微硬度曲線分為三個(gè)臺(tái)階，第一個(gè)臺(tái)階HV為2000左右，對(duì)應(yīng)著FeB,第二個(gè)臺(tái)階HV為1400左右，對(duì)應(yīng)著Fe2B，第三個(gè)臺(tái)階硬度較低，對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散層與基體。FeB很脆，我們希望得到Fe2B，這也是理想的滲層。應(yīng)用：

泥漿泵零件（耐磨和耐蝕），滾壓模具、熱鍛模具。方法：粉末滲硼和膏劑滲硼。粉末滲硼：生產(chǎn)上常用的滲硼劑由硼鐵、碳化硼、無(wú)水硼砂和適量的氧化鋁(防粘結(jié)粉末)和鹵化物（助滲劑，NH4Cl）組成。處理溫度：900-1000℃，時(shí)間為1-5h.可形成0.05-0.15mm的滲硼層,NH4ClNH3+HCl2NH33H2+N2,N2和H2會(huì)排除容器內(nèi)的空氣造成還原氣氛?？梢垣@得耐磨的Fe2B表面層。這種方法質(zhì)量穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便已在生產(chǎn)中應(yīng)用。膏劑滲硼：比較適用于大型零件的局部滲硼。

滲硼件的性能特點(diǎn)：滲硼件硬度極高，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，鋁、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(duì)含量并使FeB硬度降低。(2)強(qiáng)度與耐磨性鋼件經(jīng)滲硼處理后抗拉強(qiáng)度和韌性下降．但抗壓強(qiáng)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)耐腐蝕件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—定抗高溫氧化性能。在空氣中加熱到

800℃持續(xù)40h，氧化增重甚微。抽油管的滲硼耐蝕性好耐磨性好滲硼層厚度、表面硬度與滲硼時(shí)間滲硼時(shí)間（小時(shí)）滲硼層厚度（mm）硬度（HV）30.045112040.052112050.0671160氫氧化鈉溶液

鹽酸

硫酸

腐蝕后試樣實(shí)物照片

滲硼與未滲硼試樣在H2SO4、HCL介質(zhì)中的腐蝕失重比較

試樣的磨損失重比較

滲硼抽油管經(jīng)濟(jì)效益分析

未處理抽油管每米成本約為60元，滲硼費(fèi)用為25.15元，在不計(jì)入清洗費(fèi)、人工費(fèi)的情況下，每米成本約為85元。經(jīng)過(guò)內(nèi)表面處理的抽油管每米市場(chǎng)價(jià)格約為120元，因此，每米可增加產(chǎn)值35元。按每天處理一爐，一爐處理105根，每爐可創(chuàng)產(chǎn)值=105×9.8×120=12.348萬(wàn)元，利潤(rùn)=35×105×9.8=3.6015萬(wàn)元。按每年工作300天計(jì)算，年產(chǎn)值可達(dá)3704.4萬(wàn)元，年利潤(rùn)可達(dá)1080.45萬(wàn)元。單以腐蝕為主要失效機(jī)制的情況下，按滲硼層的使用壽命是未滲硼的50倍計(jì)算，滲硼層的厚度取為0.09mm,當(dāng)滲硼層腐蝕掉后，抽油管內(nèi)徑擴(kuò)大0.18mm，而未滲硼抽油管的內(nèi)徑擴(kuò)大9.00mm,壁厚減少4.5mm。因此，一根滲硼管的使用壽命是未處理管的3倍。

在腐蝕和磨損共同作用的條件下，按滲硼層的使用壽命是未滲硼的30倍計(jì)算，滲硼層的厚度取為0.09mm,當(dāng)滲硼層腐蝕和磨損掉后，抽油管內(nèi)徑擴(kuò)大0.18mm,而未滲硼抽油管的內(nèi)徑擴(kuò)大5.4mm,壁厚減少2.7mm。因此，一根滲硼管的使用壽命是未處理管的2倍以上。

CatalysisofrareearthelementNdonboridingofAISI1045steel

Fig.1XRDpatternsofAISI1045steeltreatedwithdifferentboridingagentsat1213K：(a)withoutNd2O3addition，(b)withNd2O3addition.Fig.2OpticalmicrographsofboridedAISI1045steelsubjectedtodifferentprocesstemperatures:(a)1093K,(b)1093KwithNd2O3addition,(c)1213K，(d)1213KwithNd2O3addition.Fig.3Boridelayerthicknessvs.boridingtimeforvariousprocesstemperatures.

Fig.4Growthrateconstantvs.temperatureofboridedAISI1045steel.2BF3+B4C=3BF2↑+3[B]+C

ΔG5(5)3KF+3BF3+2Nd2O3=4NdF3+3KO2+3[B]

ΔG6(6)2KO2=K2O2+O2↑

ΔG7(7)2BF3+3B4C+Nd2O3+6O2=2NdF3+2B2O3+[B]+3CO↑

ΔG8(8)2BF3+B4C+3Fe+2O2=3FeF2+B2O3+6[B]+CO↑

ΔG9(9)B4C+2KF+Fe+3O2=2[B]+FeF2+2K2O+B2O3+CO2↑ΔG10

(10)2BF3+SiC+3Fe+3O2=3FeF2+SiO2+B2O3+CO↑

ΔG11(11)B4C+2KF+3O2=[B]+BF2+B2O3+K2O+CO↑ΔG12(12)

Fig.6ChangesofGibbsfreeenergyasatemperaturefordifferentreactions.

Fig.7ElementmappingonthesurfacesoftheAISI1045steelboridedat1053K

Fig.8ElementmappingonthesurfacesoftheAISI1045steelboridedat1133K.

Fig.9EDSspectrumoftinysphereonsurfaceofRE-boridedAISI1045steelat1133K.Fig.10ElementmappingonthesurfacesoftheAISI