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1、第五章 热扩渗,定义：将工件放在特殊的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层），从而改变材料成分、组织和性能的方法。,热扩渗目的：提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬度达950Hv1200Hv，渗硼表面硬度达1400Hv2000Hv。提高疲劳强度。渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残余压应力。提高淬透性。低碳钢、低合金钢渗碳。提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数，如渗硫、氮化。提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等。,第五章 热扩渗,渗层形成的条件：渗剂产生活性原子和基体金属原子具有较好的相溶性，能形成固溶体或金属化合物。必
2、须保持直接的紧密接触活性原子在基体金属内有一定的扩散速度。必须满足热力学条件（化学反应）在热力学条件满足的前提下，扩散速度取决于动力学条件，即温度。,第五章 热扩渗技术,热扩渗技术机理：渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面。活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸收，形成固溶体或金属间化合物。活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加。,第五章 热扩渗技术,热扩渗层的组织：形成单相固溶体，如渗碳层中的-Fe。形成化合物，如渗氮层中的相（Fe2-3N），渗硼层中的Fe2B等。形成固溶体和化合物的混合组织，并形成梯度分布。,第五章 热扩渗技术,40CrNiMo钢(a)渗碳：层深0.5
3、mm 左右,表面碳势0.9%。表层为高碳马氏体+颗粒状碳化物+残留奥氏体;心部为中碳马氏体。（b）渗氮：表层碳氮化合物+含氮马氏体+残留奥氏体，心部是回火索氏体。,第五章 热扩渗技术,渗氮厚度与时间、温度的关系（95%N2+5%H2）,热扩渗工艺分类按渗剂状态分：气体法、液体法、固体法和等离子法。按渗入元素分：渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、浸铝、浸锌、碳氮共渗、氮碳共渗等。按工作温度分：高温（910）、中温和低温热（720）热扩渗。,第五章 热扩渗技术,在增碳活性气氛中，将工件加热到高温，低碳钢或低合金钢一般加热900950，使碳原子渗入工件表面，形成高碳层。,渗碳,5.1 气体热扩渗,渗碳气氛的形
4、成方式：滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油。（设备简单，要求经验）吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳。（专用设备，大批量生产）氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳。（专用设备）气氛检测仪器（CO2、CH4、CO分析仪）,渗碳,5.1 气体热扩渗,渗碳,5.1 气体热扩渗,渗碳层质量控制：渗碳层碳浓度：设计炉内碳势，测定随炉试样成分，调节碳势，严格控制温度。渗碳层深度：控制温度、时间，测定随炉试样成分，调节时间。工件变形：夹具刚性高，装炉平稳内氧化：炉内气氛，高温装炉，低温开炉和出炉。,渗碳,5.1 气体热扩渗,20Cr2Ni4A齿轮渗碳,内
5、氧化组织 心部正常组织,5.1 气体热扩渗,优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高缺点：处理温度高，工件畸变大,渗碳,渗碳,应用 渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。,例：冷挤压成型塑料模（1）要求 冷挤压成型在退火态具有高的塑性和低变形抗力提高耐磨性渗碳淬回火处理，表面硬度达5862HRC,渗碳,超低碳钢,渗碳,（2）材料工业纯铁、20Cr、12CrNi3A、0Cr4NiMoV(LJ)LJ含碳量低，塑性优良，变形抗力低，Cr、Ni、Mo、V提高淬透性，渗碳能力提高
6、；代替10钢，20钢。（3）工艺性能（LJ）固体渗碳工艺：加热930（68h）油淬（850870）低温回火（2002202h）表面硬度：5860HRC；心部：2129HRC；变形小，渗硬层深,汽车齿轮渗碳温度高，变形大，渗碳速度慢等缺点稀土共渗技术稀土元素作用：（1）催渗（2）微合金化：成为第二相沉淀析出的核心，超细化马氏体，接触疲劳、弯曲疲劳强度高,渗碳,向密封的渗氮炉内通入氨气，氨气发生下列反应：2NH3=3H2+2N 480570 N+Fe=FeN 生成的活性N原子渗入钢铁表面，形成一定厚度的渗氮层。,渗氮,5.1 气体热扩渗,渗氮层相及特性,5.1 气体热扩渗,优点：氮化层硬度高达95
7、01200Hv，耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。低温渗氮：500600渗氮，工件变形小。缺点：时间长，数十到上百小时。渗层薄（500m），脆性高,渗氮,5.1 气体热扩渗,渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁。产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等。渗氮层很薄，一般为0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。,渗氮的应用,5.1 气体热扩渗,在520580，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化。氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性小。氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的
8、热扩渗工艺。,碳氮共渗,5.1 气体热扩渗,在780930，以渗碳为主，称碳氮共渗。碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小，晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形开裂倾向小。氮不仅扩大了相区，而且提高奥氏体稳定性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。渗层存在较大的残余压应力。更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性。,碳氮共渗,5.1 气体热扩渗,渗氮层很薄，一般为0.10.15mm，渗氮处理后最好不加工或少量精加工。不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，而且要求精度高的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等。,渗氮和氮碳共渗应用,5.1 气体热扩渗,将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几
9、种元素的方法称为液体热扩渗。,5.2 液体热扩渗,盐浴法：（1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到工件表层。（2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子。热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面。,5.2 液体热扩渗,Melenite工艺（盐浴氮碳共渗）1974年德国Degguss公司发明盐浴温度550600，盐浴中含有3438%的CNO2-离子。Melenite工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，但反应产物中含低氰。零件清洗水可以直接排放，但废盐处理是问题。,Melenite工艺,5.2 液体热扩渗,
10、Sursulf工艺（盐浴硫氮碳共渗）由法国HEF公司开发的一种表面处理工艺，在5655工作温度下，由硫催化下的无公害盐浴氮化。卓越的渗氮能力使舍舍夫（SUSULF）技术有效地解决钢和铸铁的磨损摩擦、疲劳、咬合及腐蚀的各种问题。,Sursulf工艺,5.2 液体热扩渗,Sursulf工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，反应产物中含有少量的氰酸根CN-，质量分数0.8%。零件清洗水在添加去氰剂中和后，可以直接排放，但废盐处理是问题。同Melenite工艺相比，Sursulf工艺处理零件的摩擦系数更低，抗咬合性能更好。,Sursulf工艺,5.2 液体热扩渗,将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护
11、层的方法。热浸金属的三个过程：（1）基体金属表面被溶解，形成合金层。（2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。（3）合金层外面包覆一层纯金属。,热浸金属,5.2 液体热扩渗,热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁材料表面防护方法。热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭、桥梁上大量使用。热浸铝还在汽车零部件上使用。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法。,热浸锌和热浸铝,5.2 液体热扩渗,热浸产品,钢管,换热器,5.2 液体热扩渗,铝液与铁接触，在界面上形成Fe/Al合金层，并形成FeAl3化合物。铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，
12、FeAl3相厚度增加。随着铝原子继续向内扩散，还形成 Fe2Al5相。取出工件时，表面形成一层纯铝。,热浸铝,5.2 液体热扩渗,用常规方法对工件表面脱脂除锈用质量浓度为4%的K2ZrF6溶剂在5080清洗工件：（1）进一步清除工件表面铁锈（2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力。工件干燥后，浸入铝液。,热浸铝,5.2 液体热扩渗,热浸铝液成分和浸渍工艺,5.2 液体热扩渗,铝液成分、温度、时间基体成分：钢中C、Si含量增加，浸铝层厚度下降钢中的Cr、Mn元素，浸铝层厚度下降Si提高铝液流动性，降低合金层的厚度和硬度,热浸铝工艺影响因素,5.2 液体热扩渗,渗铝的方法很多：液态渗铝：工件
13、浸入铝液固体粉末渗铝：88%AlFe粉+10%石英粉+2%NH4Cl2膏剂，涂在工件表面35mm厚，在专用密封炉内加热，使铝渗入工件。表面喷涂铝，再扩散退火渗铝：电弧喷涂0.71.2mm铝层，在920950进行46小时扩散退火渗铝。,渗铝,5.3 固体热扩渗,把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定时间，使工件表面渗入一种或多种元素的方法。固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）+催渗剂（或催化剂）+填充剂。,供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活性原子，如供渗剂是稳定的化合物，还要加还原剂。还原剂的作用是使供渗剂产生活性原子。催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗入工件和促进还原
14、反应。填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生产成本。渗剂原子活性越强，渗层就越厚。,5.3 固体热扩渗,例：渗硼,供硼剂：含硼量高的物质，B4C、硼铁、硼砂，硼量越高，硼的活性越大。还原剂：用硼砂的还原剂为SiC。催渗剂：欧美用碳化物（环保），国内用氟化物和氯化物（活化能力强）填充剂：SiC或Al2O3。,5.3 固体热扩渗,常用固体渗硼剂及渗硼工艺,例：渗硼,硼在-Fe或-Fe中的溶解度低于0.002%，易与Fe形成Fe2B，如渗硼剂活性高，渗层中硼量增加，当B量超过8.83%时，会出现FeB。FeB的硬度比Fe2B 高，脆性性也大，所以一般希望得到Fe2B 相，但大多数情况是得到Fe2B 相和
15、FeB 相混合组织。,5.3 固体热扩渗,例：渗硼,Fe2B 的硬度为12001800Hv，FeB的硬度为18002200Hv。渗硼能显著提高钢的耐磨，特别是磨粒磨损性能。钢件渗硼后抗拉强度和韧性下降，但抗压强度提高。渗硼工件的抗粘着磨损性能比渗碳淬火和离子渗氮更高。在硫酸、盐酸、磷酸等水溶液中的耐腐蚀性能明显提高，但不耐海水和硝酸的腐蚀。,5.3 固体热扩渗,例：渗硼,钢化学成分对渗硼影响：B的渗入，使钢中C内迁，以形成Fe/B化合物。含C量越高，渗硼层越薄。W、Ti、Mo是阻止硼化物形成元素，能急剧降低渗硼层厚度。Cr、Al、Si影响较小；Mn、Co、Ni几乎没有影响。最适合于中碳钢及中碳
16、合金钢,5.3 固体热扩渗,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，在工件表面产生热扩渗的工艺。,5.4 等离子体热扩渗,离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸收被渗离子和活性原子。离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗。调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能。工艺过程易于控制。,5.4 等离子体热扩渗,等离子体热扩渗特点,气体放电,当电压达到一定大小时，阴阳极间的气体会发生电离，等离子体是一种电离度超过0.1%的气体。,图5-12 气体放电伏安特性曲线,被激放电区（oc）自激放电区（ce）C点电压称为辉光放电点
17、燃电压正常辉光放电区（de）异常辉光放电区（ef）弧光放电区（fg）,5.4 等离子体热扩渗,辉光放电特性,阴极附近的电位降落最激烈，此区域的辉光强度最强，称为阴极辉光区，即所谓的辉光厚度。,图5-14 辉光放电特性,5.4 等离子体热扩渗,改变两极距离，辉光厚度无明显变化。当距离小于辉光厚度时，辉光将熄灭。这一原理用于工件局部保护。,例：离子渗氮,图5-15 离子渗氮装置示意图,5.4 等离子体热扩渗,例：离子渗氮,将工件放入离子渗氮炉,抽真空至1.33Pa.通入少量含氮气体,如氨,使炉压升到规定值.阴极(工件)和阳极加直流高压,使炉内气体放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极,产生大
18、量热量加热工件,同时氮离子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗层.保持一定时间，渗层达到要求厚度后停电、停气，降温到200后出炉。,5.4 等离子体热扩渗,离子渗氮工艺,5.4 等离子体热扩渗,辉光电压：保温阶段为500700V电流密度：0.515mA/cm2。电流密度大，升温快，但易出现打弧。炉内真空度：266533Pa。炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易出现打弧。渗氮气氛：液氮或氮氢混合气。液氮使用简单，但渗层脆性大；体积比为1:3的氮氢混合气可改善渗层性能。调整氮氢混合气的氮势，可控制渗层相组成。,离子渗氮工艺,5.4 等离子体热扩渗,渗氮温度：450650。不含铝的钢一般采用50
19、0550的一段渗氮工艺，含铝钢采用520530和560580的二段渗氮工艺；不锈钢采用600650的渗氮温度。渗氮时间：为0.20.6mm时，为630h。一般钢种8h左右，不锈钢要长得多。渗层深度计算公式：=k（D）1/2计算。为渗层深度，k为常数，D为扩散系数，为渗氮时间。,离子渗氮特点,效率高：渗氮速度与普通气体渗氮的35倍。（1）N离子轰击，使部分金属原子活化，使C、N、O等部分非金属元素还原出来。（2）表面清洗作用（3）高的N浓度：轰击出来的N，Fe原子形成FeN，吸附在工件表面，提高了表面浓度。（4）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密度增加，增加了N原子向内的扩散系数。,5.4 等离子体热扩渗,离子渗氮特点,硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当。厚度：离子渗氮层厚度可达0.30.5mm，比气体渗氮层厚得多。热效率高，节能；环保。,5.4 等离子体热扩渗,热扩渗的发展趋势,应用越来越广：耐磨、耐蚀、提高表面强度。低温工艺代替高温工艺，减少变形。提高渗层性能，单元素扩渗变为双元素或多元素扩渗。环保：液体碳氮共渗改为离子碳氮共渗。催渗剂研究控制系统或元器件的研发。,第五章 热扩渗技术,
