7-第六章-表面改性方法2

1、6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（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)部擴散，以改變工件表層的化學(xué)成分。通常，在工件表層獲得高硬度、耐磨損和高強度的同時，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。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（二） 化學(xué)熱處理方法主要包括：滲碳、滲氮、

2、滲硼、滲硫、滲硅、滲鋁、滲鉻、滲鋅（鈦、鈮、鉭、釩、鎢），以及其他多元共滲工藝，例如鋁硅共滲、硼鉻共滲、碳氮和氮碳共滲、硫氮和硫氮碳共滲等。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（三） 化學(xué)熱處理目的,每一種化學(xué)熱處理工藝都各有其特點，如果需要分別或同時提高耐磨、減摩、抗咬死、耐蝕、抗高溫氧化和耐疲勞性能，則根據(jù)工件的材質(zhì)和工作條件選擇相應(yīng)的化學(xué)熱處理工藝。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),組織：單相

3、固溶體；化合物。 滲層的形成主要依靠加熱擴散的作用，所得滲層與基體金屬之間是靠形成合金來結(jié)合的，即形成冶金結(jié)合，因而結(jié)合非常牢固，滲層不宜脫落。,（四）化學(xué)熱處理滲層基本組織類型,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),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。 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，并且有相互毗鄰單相區(qū)所構(gòu)成。,（四）化學(xué)熱處

4、理滲層基本組織類型,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（四）化學(xué)熱處理滲層基本組織類型,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（四）化學(xué)熱處理滲層基本組織類型,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（五）化學(xué)熱處理滲層形成的條件,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（六）滲層形成基本過程,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),影響擴散速度的參數(shù)主要有兩個，即擴散

5、系數(shù)D和濃度梯度，而許多因素都會影響這兩個參數(shù)，從而影響擴散速度，幾個主要的影響因素為： ①溫度：擴散系數(shù)D與溫度之間的關(guān)系為：D＝D0exp(-Q/RT)，可見擴散系數(shù)隨溫度升高而急劇增大。 ②晶體結(jié)構(gòu)：原子排列越緊密，擴散時點陣畸變大，所需擴散激活能升高，擴散越困難。,（七）影響滲層形成厚度因素,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),③晶體缺陷：基體中的位錯、空位和晶界等缺陷都是有利于擴散的。

6、④基體合金成分。 ⑤滲劑金屬原子濃度的影響：在其他條件相同時，基體金屬表面滲劑金屬原子的起始濃度愈高，擴散速度增大。,（七）影響滲層形成厚度因素,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),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:固體滲、液體滲、氣體滲、等離子滲。,（八）化學(xué)熱處理種類,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),1 固體滲-----粉末滲 粉末滲就是把工件埋入

7、裝有粉末滲劑的容器中，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，也是歷史最為悠久的滲鍍法。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),2 液體滲------鹽浴法 將工件直接浸入含有欲滲元素的熔鹽槽內(nèi)，經(jīng)擴散形成滲層。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),3 氣體滲 首先把工件加熱到擴散的溫度，然后把含有欲滲元素的氣體介質(zhì)通入，氣體介

8、質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成活性原子滲入工件表面。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),4 離子滲 離子滲是利用物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體進行滲鍍。因為等離子體離子活性比原子高，加上電場的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),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

9、的熱穩(wěn)定性和耐蝕性。滲硼層脆性較大，難以變形和加工，故工件應(yīng)在滲硼前精加工。這種工藝主要用于中碳鋼、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼零件，也用于鈦等有色金屬和合金的表面強化。,二、滲硼,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),2.滲硼層組織：FeB→Fe2B→擴散層→心部組織鋼件滲硼后，滲硼層由單一的Fe2B化合物層或由Fe2B+FeB構(gòu)成的兩相化合物。Fe2B和FeB通常為指狀(或梳齒狀)，且垂直于表面楔入基體。,6.3 金屬表面化

10、學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),3、滲硼層性能 （1）高硬度和高耐磨性 Fe2B和FeB具有高的硬度，其顯微硬度分別為1300-1800HV和1600-2200HV。鋼鐵材料滲硼后的表面硬度也很高．可達1300-2300HV。 （2）高的熱硬性 Fe2B和FeB化合物穩(wěn)定性好，滲硼層在80

11、0℃能保持高硬度。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),3、滲硼層性能（3）良好的高溫抗氧化性能及抗蝕性 在高溫下,工件表面的鐵硼化合物與氧反應(yīng)，生成B2O3, 使工件受到保護。 滲硼層對鹽酸、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，和不銹鋼耐蝕性相當。但不耐硝酸腐蝕。 （4）脆性 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

12、的Fe2B層。厚度在0.07-0.15mm .,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),鋼經(jīng)過滲硼以后、表面具有很高的硬度（1300 - 2300HV)和耐磨性、良好的抗蝕性、抗氧化性和熱硬性。已在承受磨損的磨具、受到磨粒磨損的石油鉆機的鉆頭、煤水泵零件、拖拉機履帶板、在腐蝕介質(zhì)或較高溫度條件下工作的閥桿、閥座等石油化工機械、汽車拖拉機、紡織機械、工模具(如拉絲模、沖壓模）、鉆桿等耐磨零件上得到廣泛應(yīng)用。 但滲硼工藝還

13、存在處理溫度較高、畸變大、熔鹽滲硼件清洗較困難和滲層較脆等缺點。,二、滲硼,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),二、滲硼,滲硼方法：固體滲硼、氣體滲硼、液體滲硼、等離子滲硼。固體滲硼：粉末滲、膏劑滲。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),固體滲硼滲硼劑：供硼劑、活化劑、填充劑。1) 供硼劑 供硼劑是滲硼的硼源。使用較多的是硼鐵、碳化硼（B4C）和硼砂（Na2B4O7）。2）活化劑 活化劑的主要作

14、用是提高滲劑的活性，與供硼劑進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)化合物，促進活性硼原子的產(chǎn)生，加速滲硼過程。常用的活化劑是氟硼酸鉀(KBF4)、 碳化硅(SiC)。3）填充劑 填充劑是滲硼劑中的載體。它的主要作用是使供硼劑、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（SiC）、三氧化二鋁（Al2O3）、木炭。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),固體滲硼 供硼劑為硼砂（Na2B407）、活化劑為碳化硅（S

15、iC）時的反應(yīng)： Na2B407 + SiC → Na20·Si02 + C02 + 02 +4[B]供硼劑為碳化硼（B4C）、活化劑為氟硼酸鉀(KBF4)時的反應(yīng)見書P183。 通過反應(yīng)產(chǎn)生大量活性硼原子[B],6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),膏劑滲硼：是將粉末溶劑加上粘結(jié)劑調(diào)成膏狀，涂在需要滲硼的工件表面上，然后加熱擴散。加熱方式一般為裝箱(用木炭或三氯化二鋁作為填充劑)密封后在空

16、氣爐中加熱；或不裝箱，在保護氣（氬氣或氮基氣氛)中加熱，也可置于感應(yīng)器中(工件無需裝箱)進行感應(yīng)加熱。,,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),液體滲硼（鹽浴滲硼）：是將工件置于熔融鹽浴中的滲硼方法。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、氟硅酸鉀。滲硼溫度一般為900~1000℃，保溫2~6小時。碳鋼滲硼

17、可代替合金鋼。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),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0.8%)。其后經(jīng)淬火、低溫回火得到高的硬度和耐磨性的滲碳層，而零件的內(nèi)部具有高的強韌性。但缺點是處理溫度高（900℃左右），工件畸變大。 滲碳工藝廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、機床等設(shè)備的重要零件中，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。用微處理機可實現(xiàn)滲碳全過程的自動化，能控制表面

18、含碳量和碳在滲層中的分布。,三、鋼的滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲（一）鋼的滲碳,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲碳層組織特點： 由表及里：網(wǎng)狀碳化物+珠光體------珠光體-----珠光體+鐵素體------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，防止?jié)B碳層和零件變脆。只要控制滲碳介質(zhì)的活性或碳勢（鋼表面的含碳量），就可以加以控制。 組織：表面(層)為高碳回火馬氏

19、體組織、心部為低碳回火馬氏體組織。,（一）鋼的滲碳,滲碳層深度一般為0.7-1.5mm、碳的質(zhì)量分數(shù)為0.7％-0.9％。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),三、鋼的滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲（一）鋼的滲碳,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。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（1）氣體滲碳 （應(yīng)用最廣泛的滲碳方法） CH3OH（甲醇）→CO+2

20、H2 CH4（甲烷）→[C] +2H2 2CO→[C]+CO2 CO2+H2→CO+2H20,（一）鋼的滲碳,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（2）固體滲碳（傳統(tǒng)的滲碳方法）固體滲碳劑主要由木炭和碳酸鹽（NaCO3，BaCO3）組成。反應(yīng)：碳酸鹽高溫分解：NaCO3 → NaO+CO2 Ba

21、CO3 →BaO+CO2CO2與木炭反應(yīng)：C（木炭）+CO2→2CO CO→CO2+[C],（一）鋼的滲碳,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（3）鹽浴滲碳 介質(zhì)：氰鹽，反應(yīng)后生成氰氫酸，有劇毒。,（一）鋼的滲碳,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲碳主要用于要求承受很大沖擊載荷、高的強度和好的抗脆裂性能，使用硬度為58～62H

22、RC的小型模具。如用Cr12MoV鋼制的八角模壽命很短，往往不到2 000件就斷裂，現(xiàn)在用20Cr鋼加滲碳處理來制造，在滲層深為1.0～1.2mm、硬度為60～62HRC時，一次壽命可延長到3萬件；W6Mo5Cr4V2鋼制螺母沖模經(jīng)滲碳淬火處理后，使用壽命比常規(guī)工藝處理的延長2～3倍；熱擠壓GCr15鋼軸承套圈用的3Cr2W8V鋼擠壓模，經(jīng)高溫滲碳處理后，其使用壽命可延長7～10倍；W18Cr4V鋼制沖孔沖模，經(jīng)滲碳淬火后，其使用壽命比

23、常規(guī)工藝處理的可延長2～3倍；還可以用65Nb鋼滲碳處理來代替Cr12MoV鋼制造冷擠壓模具，65Nb鋼制的冷擠壓模經(jīng)真空滲碳處理后，其壽命可達3萬件，而用Cr12MoV鋼經(jīng)淬火回火處理的冷擠壓模的壽命僅為4 000件。,（一）鋼的滲碳,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲氮（又稱氮化），是使氮原子向金屬工件表層擴散的化學(xué)熱處理工藝。鋼鐵滲氮后，可形成以氮化物為主的表層。當鋼中含有鉻、鋁、鉬等氮化物時，可獲得比滲碳層更

24、高的硬度、更高的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能。滲氮主要用于對精度、畸變量、疲勞強度和耐磨性要求都很高的工件，例如鏜床主軸、鏜桿，磨床主軸，氣缸套等。常用滲氮鋼38CrMoAl。,（二）鋼的滲氮,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲氮具有比滲碳更高的硬度和耐磨性，熱穩(wěn)定性好。滲氮后表面為殘余壓應(yīng)力，比滲碳具有更高的疲勞強度、抗咬合性能、低的缺口敏感性。 滲氮可使鋼鐵零件表面硬度達到950-2200HV。,（二）鋼的滲

25、氮,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲氮溫度低于共析轉(zhuǎn)變溫度，一般為500-600℃，零件滲氮后不進行淬火工藝，滲氮零件的變形很小。 主要用于結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵。目前生產(chǎn)中多采用氣體滲氮和離子滲氮。 氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子,不斷吸附到工件表面，并擴散滲入工件表層內(nèi)，形成滲氮層。 (2NH3=2[N]+3H2) 氣體滲氮滲速慢

26、，形成0.3mm厚滲層需60小時，包括保溫降溫時間。后發(fā)明離子氮化技術(shù)。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲氮層的組織： 離子氮化層通常可能出現(xiàn)以下三種典型組織：(1)只有擴散層；(2) γ’ 化合物層+擴散層；(3) ε+γ’ 復(fù)相化合物層+擴散層。 ε相是以Fe2-3N為基的固溶體，氮濃度范圍很寬（4.55％－11.0％）。 γ’相是以Fe4N為基的固溶體，氮濃度范圍比較窄（5.30％－5.75％）

27、。 純擴散層為氮原子在α-Fe中的固溶體組織。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),金相照片,（二）鋼的滲氮,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),碳氮共滲和氮碳共滲是在金屬工件表層同時滲入碳、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，共滲件淬冷的畸變小，耐磨和耐蝕性高，抗疲勞性能優(yōu)于滲碳，70年代以來，碳氮共滲工藝發(fā)展迅速，不僅可

28、用在若干種汽車、拖拉機零件上，也比較廣泛地用于多種齒輪和軸類的表面強化； 后者則以滲氮為主，它的主要特點是滲速較快，生產(chǎn)周期短，表面脆性小且對工件材質(zhì)的要求不嚴，不足之處是工件滲層較薄，不宜在高載荷下工作。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲金屬通常是指鋼鐵零件表面滲入金屬元素，如鉻、釩、鈦、鎢、鉬、鈮等，使工件表面形成一層金屬碳化物。滲金屬是鋼鐵零件表面強化工藝方法之一，其作用是提高零件的表面硬度、耐磨件和抗蝕

29、性或抗氧化性。為了使表面生成碳化物層，基材的含碳量必須大于0.45%。 滲金屬層的組織一般都很薄（0.005-0.02mm)，呈白亮色。 滲金屬方法：氣體滲、固體滲、液體滲、離子滲。,四、滲金屬,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),2.固體滲金屬固體粉末滲劑的組成 ： 金屬合金粉末（金屬氧化物粉末）+還原劑+填充劑（A12O3，Cr2O3） +活化劑(NH4Cl)1）金屬合金粉末純度越高越好。

30、2）填充劑(又稱分散劑)通常使用惰性高的粉末。填充劑用于分散金屬粉末、防止它們在滲金屬高溫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)化為金屬活性物質(zhì)。,（三）滲金屬方法,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(四) 滲鉻 滲鉻可以提高零件在高溫下的抗氧化性能以及在多數(shù)浸蝕性介質(zhì)中的抗蝕性和耐磨性。 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（Cr,Fe）7

31、C3, （Cr,Fe）23C6, （Fe, Cr）3C。厚度薄，只有0.01-0.04mm，硬度為1500HV。中碳鋼滲鉻層在鉻的碳化物層下有一層擴散層。鉻在α鐵中的固溶體組織。 滲鉻工藝有氣體法、液體法和固體法。 由于氣體滲鉻介質(zhì)(CrCl2)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。主要采用固體滲鉻。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(四) 滲鉻,基材： 1080合金元素：

32、Cr放大倍數(shù)：500X,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(五) 滲鈦 滲層主要為TiC。TiC具有很高的硬度，遠遠高于工業(yè)上用的大多數(shù)其它金屬碳化物。 TiC的耐磨性和耐蝕性優(yōu)良，碳可在11-20％之間變動，因而顯微硬度也不同，一般HV在3000一3800之間。 滲鈦可用于提高在腐蝕、氣蝕條件下以及在浸蝕性介質(zhì)中工作的普通碳鋼件的壽命。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(五

33、) 滲鈦,基材： 1080合金元素：Ti放大倍數(shù)：500X,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(五) 滲鈦,滲鈦方法:固體滲鈦，氣體滲鈦，液體滲鈦。,1.氣體滲鈦采用金屬鹵化物（TiCl4），用H2、Fe進行還原。,TiCl4 +2H2→[Ti]+4HCl,滲鈦溫度：950-1200℃。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),（六）滲鋁 當鋼中含鋁量高于8％時，其表面能形成致密的鋁氧化膜

34、，具有良好的抗氧化性和抗蝕性。但鋼中含這樣高的鋁時就會變脆。采用滲鋁的方法既可保持鋼件心部的韌性，又可提高表面的抗氧化性和抗蝕性。 滲鋁主要用來提高鋼鐵的抗氧化性能，還能提高在含硫與含氧化性介質(zhì)中的耐蝕性，在冶金，石油，化工，飛機，船舶，汽車等方面得到的廣泛的應(yīng)用。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),基材： 40Cr合金元素：Al放大倍數(shù)：500X,滲鋁層的組織,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章

35、表面改性技術(shù),（六）滲鋁 滲鋁的方法主要有：(1)固體粉末滲鋁；(2) 液體浸鋁( 熱浸鋁)；(3) 膏劑滲鋁（料漿滲Al）；(4) 噴鍍滲鋁；(5) 氣體滲Al,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(1)固體粉末滲鋁 將工件埋在粉末狀的滲鋁劑中，然后加熱到900-1050℃保溫數(shù)小時即可。滲鋁劑一般由三部分組成：①鋁粉、鋁鐵合金粉或鋁鉬合金粉（提供鋁原子的 原料);②氧化鋁粉(

36、稀釋填充劑，防止金屬粘結(jié)的作用);③氯化銨（活化劑）。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(1)固體粉末滲鋁滲鍍原理為：          2NH4Cl ---> 2HCl＋N2＋3H2          

37、6HCl＋2Al ---> 2AlCl3＋3H2          Fe＋AlCl3 ---> FeCl3＋[Al] 該方法不僅可在鋼鐵件上滲鍍，在鎳基、鈷基高溫合金上滲鍍，還可在鈦合金、銅合金及鉬、鈮等難熔金屬上滲鍍。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(2) 液體浸鋁( 熱浸鋁)

38、 液體滲鋁就是把預(yù)處理過的工件浸入熔融的鋁浴中，經(jīng)保溫一定時間取出，使其表面滲入一層鋁。 主要用于鍍鋁鋼板、鋼管、鋼絲及某些鋼鐵制品的生產(chǎn)，以提高這些制品的耐蝕性及耐熱性。 Al的熔點為660℃，所以熱浸鋁的溫度一般在700-850℃左右。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),(3) 膏劑滲鋁（料漿滲Al） 將滲鋁劑用有機溶劑調(diào)制成糊漿狀，涂刷或噴涂在工件表面上，在120

39、℃以下進行烘干，再加熱至1000℃左右，保溫1～3小時即可獲得滲鋁層。(4) 噴鍍滲鋁 將鋁絲熱噴涂于工件上，構(gòu)成附著牢固的覆蓋層，再在800～1000℃溫度下進行5小時的擴散退火，使Al擴散到工件表層內(nèi)而形成合金層。(5) 氣體滲Al 在封閉的貫通式爐或井式爐中進行的，滲Al氣氛為鋁的鹵化物，反應(yīng)機理基本同固體粉末法。氣氛可從爐外通入也可在爐內(nèi)制取。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),

40、（七）滲釩滲釩主要是在表面形成VC，提高耐磨性。硬度可達3000-3300HV 。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),五、滲其他元素1. 滲硅 鋼鐵滲硅后可以獲得優(yōu)良的耐熱性、耐酸性、耐磨性。 組織：帶有孔隙的含硅固溶體。硬度：175-230HV。 通過減磨提高耐磨性。 在750℃以下有好的抗氧化性，但高溫抗氧化性不如滲鉻、滲鋁。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),滲

41、硫 是通過硫與金屬工件表面反應(yīng)而形成FeS薄膜的化學(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因摩擦熱和塑性變形而引起的擦傷和咬死。,6.3 金屬表面化學(xué)熱處理,第六章 表面改性技術(shù),硫氮共滲、硫氮碳共滲是將硫、氮或硫、氮、碳同時滲入金屬工件表層的化學(xué)熱處理工藝。采用滲硫工藝時，滲層減摩性好，但在載荷較高時滲層會很快破壞。采用滲氮或氮碳共滲工藝時，滲層有較好的耐磨、抗疲勞性能，但減摩性欠佳

42、。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能。,硫氮共滲、硫氮碳共滲,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子化學(xué)熱處理     離子化學(xué)熱處理是最為先進的化學(xué)熱處理技術(shù)。該技術(shù)是將工件置于低壓容器內(nèi)，利用低壓氣體放電將氣體電離，在電場作用下，帶電離子轟擊工件表面，使其溫度升高，利用熱擴散實現(xiàn)原子滲的一種化學(xué)熱處理方法。20世紀30年代，德國學(xué)者B.Berghous首先采

43、用此工藝進行了滲氮處理，并取得了第一個離子滲氮發(fā)明專利。目前，該技術(shù)已經(jīng)可以用于任何金屬和非金屬元素，如碳、氮、硅、硼、硫等非金屬元素以及鋁、釩、鈦、鎢、鉬等非金屬元素。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,一、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)。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)變早已為人們所熟知。,若采取某種手段，如加熱、放電等，使氣體分子離解和

44、電離，當電離產(chǎn)生的帶電粒子密度達到一定數(shù)值時，物質(zhì)狀態(tài)便又出現(xiàn)新變化，這時的電離氣體己不再是原來的氣體了。而是由離子、電子和中性粒子組成的集合體（等離子體）。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,這種電離氣體是有別于普通氣體的一種新的物質(zhì)聚集態(tài)。按聚集態(tài)的順序，列為物質(zhì)第四態(tài)。 鑒于無論部分電離還是完全電離，其中的正電荷總數(shù)和負電荷總數(shù)在數(shù)值上總是相等的，故稱為等離子體。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性

45、技術(shù),,這種電離氣體與普通氣體有著本質(zhì)區(qū)別：首先，它是一種既能導(dǎo)電而又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電的中性；其二，氣體分子間并不存在靜電磁力，而電離氣體中的帶電粒子間存在庫侖力，由此導(dǎo)致帶電粒子群的種種集體運動；再者，作為一個帶電粒子系，其運動行為會受到磁場的影響和支配等。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,等離子體的產(chǎn)生：,產(chǎn)生等離子體的方法很多，但其主要著重點是使中性粒子電離：(1) 利用電子碰撞法

46、：在低壓氣體中，總存在有自然電子。這些自然電子在外加高壓電場的作用下，被加速并獲得足夠的能量，與中性粒子發(fā)生碰撞并使之電離，電離所產(chǎn)生的電子也會被電場加速與其他中性粒子碰撞并使之電離。從而產(chǎn)生雪崩式電離．形成等離子體。在離子滲氮、滲碳、滲硼等工藝中就是利用該方法獲得等離子體的。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,等離子體的產(chǎn)生：,產(chǎn)生等離子體的方法很多，但其主要著重點是使中性粒子電離：(2) 利用粒子熱運動法．將中性

47、氣體加熱到很高溫度，使得分子和原子的熱運動加劇，從而產(chǎn)生碰撞，使之離解為離子和電子。(3) 利用電磁波能量，如用光、X－射線、г－射線等，使氣體電離獲得等離子體。(4) 利用高能粒子的方法、如核聚變所用的方法獲得等離子體。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,按照產(chǎn)生的形式，等離子體可以分為：(1) 天然等離子體 宇宙中99%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、電離層等

48、。太陽本身就是一個灼熱的等離子體火球。(2) 人工等離子體 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）中的電弧放電等離子體。氣體激光器及各種氣體放電中的電離氣體。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子轟擊固體表面的物理、化學(xué)現(xiàn)象,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,二、離子滲氮 離子氮化設(shè)備主要由真空氮化爐、抽真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、測溫系

49、統(tǒng)等組成。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,工藝原理 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）。將真空爐抽真空至一定的真空度（6Pa）后，充入一定流量的含氮氣體，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1.33×102～1.33×103Pa左右，在陰極（工件）和陽極（真空室殼）之間施加400～1000V左右的直流電壓，將

50、含氮氣體電離成N+、H+和電子，并產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象。在高壓電場作用下，N+、H+在電場的作用下以很大的速度轟擊工件表面，將動能轉(zhuǎn)化為熱能，把工件表面加熱到所需滲氮溫度，與此同時，氮原子被工件表面吸收并向內(nèi)擴散形成滲氮層。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,常用離子氮化工藝參數(shù)范圍：氮化溫度450-650℃；氣壓1.33×102～1.33×103Pa；放電電壓400～800V；電流密度0.5~

51、5mA/cm2；氮化時間根據(jù)工件的材質(zhì)、氮化溫度以及要求的滲氮層深度，為十分鐘~幾十小時。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子對工件表面的轟擊作用：（1）將工件表面的Fe、C、O原子打出，破壞了金屬表面的氧化膜。 (2) 激發(fā)了工件表面的二次電子發(fā)射。 (3) 在工件表面形成5-10μm的厚的位錯層。,圖3-1 離子氮化原理圖[3],6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,氮的滲入機理：J.K

52、ölbel的濺射和沉積理論： 在離子轟擊作用下，從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FeN, 由于背散射效應(yīng)，一部分FeN又沉積到工件表面，在離子轟擊和熱激活的作用下，氮化鐵發(fā)生分解： FeN→ Fe2N + [N] Fe2N→ Fe3N + [N] Fe3N→ Fe4N + [N],圖3-1 離子氮化原理圖[3],6.4 等離子體表面處理,第六章

53、 表面改性技術(shù),,氮的滲入機理： (2)M.Hudis的分子離子化理論(3) Tibbetts的中性氮原子轟擊理論(4) 徐冰沖的碰撞離析理論,圖3-1 離子氮化原理圖[3],6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子氮化和氣體氮化的優(yōu)點： 1．滲氮速度快。獲得相同的氮化層厚度，離子氮化的保溫時間僅為氣體氮化的1/3-1/5。 2．省電、省氣，節(jié)約能源。采用離子轟擊作用加熱工件，無需外加熱源，節(jié)省電

54、能。離子滲氮的氣壓低，滲氮過程中進氣量小，如采用氨氣作為工作氣體時，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。采用氮氫混合氣作為工作氣體時，通過有效控制氮氫含量比，可以控制氮化層的成分及組織結(jié)構(gòu)，獲得脆性小的ε單相層或韌性較好的單相γ’化合物層或僅有擴散層。氣體滲氮很難達到這一點。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子氮化和氣體氮化相比的優(yōu)點： 4．非滲氮面屏蔽方法簡單。在不需滲氮部分可采用機

55、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。5．對不銹鋼不用去鈍化膜處理。對不銹鋼制品，不用象氣體滲氮那樣在滲氮前對工件進行噴沙或酸洗除去致密的氧化模， 可以在滲氮開始的陰極濺射作用下除去鈍化膜。簡化工序，節(jié)省勞動力。6．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是不使用造成公害的物質(zhì)，僅使用少量的氨氣或氮氣、氫氣，對環(huán)境無危害。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技

56、術(shù),,三．離子滲碳 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，真空室殼為陽極，在陰極與陽極之間施以直流電壓，將滲碳氣體電離，產(chǎn)生輝光放電。在電場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)部擴散。 與離子氮化不同的是，離子滲碳需要900℃以上的高溫，僅靠離子轟擊加熱很難達到如此高的溫度，因此，在離子滲碳爐內(nèi)通常要附加一個熱源（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

57、后及時進行淬火。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子滲碳介質(zhì)： 離子滲碳采用的滲碳介質(zhì)為甲烷CH4或丙烷C3H8。由于直接將甲烷或丙烷通入爐內(nèi)滲碳時易產(chǎn)生炭黑，特別是丙烷，一般多以氫氣或氬氣作為載氣，以1：10(體積比)將甲烷或丙烷稀釋后作為滲碳介質(zhì)。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子滲碳的特點：1. 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

58、55%，而真空滲碳效率為20%，一般氣體滲碳效率為10~20%。2．滲速快。離子滲碳時高的供碳能力以及離子轟擊對碳原子擴散的促進作用加快了滲碳速度，離子滲碳的速度比氣體滲碳快1/2-2/3。3. 表面狀態(tài)好，滲層質(zhì)量高。離子滲碳時工件在真空中加熱，氣體中不含O2和H2O，所以經(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)氧化等缺陷，滲碳層致密性好，表面清潔光亮。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子滲碳的特點

59、：4．滲碳量容易控制。通過調(diào)節(jié)滲碳氣體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。5．零件變形小。由于離子滲碳供碳能力高，滲速快，高溫停留時間短，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和疲勞強度。7．省能，無公害。離子滲碳滲速高，滲碳時間短，降低了電的消耗，成本比真空滲碳每公斤降低33%。離子滲碳氣壓僅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，對環(huán)境無污染。,6.4 等離子體表面處理

60、,第六章 表面改性技術(shù),,離子氮碳共滲： 離子氮碳共滲是在離子滲氮的溫度下對基體表面進行的以滲入氮原子為主，碳原子為輔的一種化學(xué)熱處理工藝，又稱軟氮化。由于碳的存在可促進滲氮速度，離子氮碳共滲在較短的時間內(nèi)可獲得與離子滲氮相近的性能。在離子化學(xué)熱處理中，離子氮碳共滲是僅次于離子滲氮而獲得廣泛應(yīng)用的熱處理工藝，常用于提高齒輪、軸、活塞環(huán)、閥片、模具、刀具等產(chǎn)品的表面耐磨性能。 離子氮碳共滲通常以氨氣或氮氫

61、混合氣為滲氮介質(zhì)，以乙醇（C2H5OH）、丙酮（CH3COCH3）、甲烷CH4或丙烷C3H8為滲碳介質(zhì)。工藝參數(shù)為溫度560～600℃，時間1～4h。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子碳氮共滲： 離子碳氮共滲是在低于離子滲碳的溫度下（780~880℃）對基體表面進行的以滲入碳原子為主，氮原子為輔的一種化學(xué)熱處理工藝。離子碳氮共滲介質(zhì)主要有供碳劑（甲烷、丙烷或丙酮）、供氮劑（氮氣或氨氣）、以及起還原

62、和稀釋作用的氫氣。氮氣的體積分數(shù)一般為30％以上，氨氣的體積分數(shù)一般為14％。 離子碳氮共滲層具有比滲碳層更高的硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性；處理溫度低，晶粒不易長大，變形傾向小；碳氮共滲層比滲氮層具有較高的抗壓強度和較低的脆性碳氮共滲后，共滲表層含碳量為0.7%~1.0%，含氮量為0.15%~0.5%。由于碳氮共滲溫度比滲碳溫度低，共滲后就可直接淬火，然后再低溫回火。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),

63、,離子碳氮共滲： 碳氮共滲適用于基體具有良好韌性，而表面硬度高、耐磨性要求好的模具零件。塑料模、陶瓷模中的凸模、凹模和型芯等型腔部位零件以及沖裁模的凸模和凹模等零件，其中有些適合采用碳氮共滲處理。如45鋼制切邊模，820℃碳氮共滲4小時，淬火并180℃回火，表面硬度970HV，使用壽命可達16000件，與Cr12MoV 鋼制的同樣模具經(jīng)類似處理后的使用壽命相等。柴油機殼體拉深凹模采用球墨鑄鐵QT600

64、-3制造，氣體碳氮共滲后，凹模表面硬度為760~850HV，并有石墨存在，因而既有良好的耐磨性，又有良好的潤滑及減摩擦作用，可使模具的粘著磨損減少到最低程度，從而可大大提高模具的壽命。。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子滲硫 離子滲硫是在等離子場中對基體表面進行滲硫的一種化學(xué)熱處理工藝。將經(jīng)強化處理后的工件放在離子滲氮爐內(nèi)，通入含硫介質(zhì)（CS2、H2S）或用加熱方法將硫磺升華而獲得的含硫氣氛，

65、接通陰極（工件）和陽極間的直流電源，當放電電壓大于500V時，電離出C+、S+、H+，發(fā)出灰白色的輝光，在150~300℃即可進行離子滲硫[1]。 由于硫原子半徑很大，在α-Fe中的溶解度僅為0.02%，且硫在低溫下擴散十分困難，因此離子滲硫后幾乎沒有擴散層，主要形成的是硫化亞鐵FeS的化合物層。FeS為六方點陣結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟、呈多微孔的鱗片狀、剪切抗力低、易滑移，在工件表面可起到減摩、抗咬合的作用。離子滲硫處理溫度低，因而不

66、影響工件原有硬度，不產(chǎn)生變形。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子滲硫 離子滲硫是在等離子場中對基體表面進行滲硫的一種化學(xué)熱處理工藝。將經(jīng)強化處理后的工件放在離子滲氮爐內(nèi)，通入含硫介質(zhì)（CS2、H2S）或用加熱方法將硫磺升華而獲得的含硫氣氛，接通陰極（工件）和陽極間的直流電源，當放電電壓大于500V時，電離出C+、S+、H+，發(fā)出灰白色的輝光，在150~300℃即可進行離子滲硫。

67、由于硫原子半徑很大，在α-Fe中的溶解度僅為0.02%，且硫在低溫下擴散十分困難，因此離子滲硫后幾乎沒有擴散層，主要形成的是硫化亞鐵FeS的化合物層。FeS為六方點陣結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟、呈多微孔的鱗片狀、剪切抗力低、易滑移，在工件表面可起到減摩、抗咬合的作用。離子滲硫處理溫度低，因而不影響工件原有硬度，不產(chǎn)生變形。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,離子滲硫 許多模具，如拉深、擠壓模等常在干摩擦的條件下工作，

68、因此要求具有較小的摩擦系數(shù)。滲硫可以在鋼鐵材料表面生成很薄的薄膜，以降低摩擦系數(shù)，提高抗咬合性能。 經(jīng)滲硫以后的模具材料，表面硬度可以達70~100HV，滲層具有良好的減摩性和抗咬合能力。如用Cr12鋼制M8螺帽模具，經(jīng)固體滲硼處理后壽命為25000~30000次；在滲硼的基礎(chǔ)上進行離子滲硫處理，壽命達到100000次，而且克服了粘模的現(xiàn)象；而采用常規(guī)淬火、回火工藝，使用壽命只有3000多次。用Cr12鋼制照相機后蓋板模

69、具，在未滲硫時沖壓78個零件后就要發(fā)生粘模和拉傷零件的現(xiàn)象，經(jīng)滲硫后的模具在沖壓1500個零件后未發(fā)生粘?，F(xiàn)象。,6.4 等離子體表面處理,第六章 表面改性技術(shù),,雙層輝光離子滲金屬技術(shù)：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)一個可控直流電源。當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