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1、6.1热扩渗技术的原理、特点、分类6.2气体热扩渗6.3液体热扩渗6.4固体热扩渗6.5等离子体热扩渗第六讲热扩渗一、本课的基本要求1.掌握热渗镀的机理与渗层形成的条件。2.掌握几种热扩渗的工艺方法。二、本课的重点、难点：重点：1.热扩渗的机理与渗层形成条件。2.深层的组织特征。3.气体渗碳与渗氮、热浸锌、热浸铝、固态渗硼、离子氮化的原理与工艺。难点：1.热扩渗的机理与渗层形成的条件。2.渗层的组织特征。n重点：n1.热扩渗的机理与渗层形成条件。n2.深层的组织特征。n3.气体渗碳与渗氮的原理与工艺。n4.热浸锌、热浸铝的原理与工艺n5.固态渗硼的原理与工艺。n6.离子氮化的原理与工艺。n难点
2、：n1.热扩渗的机理与渗层形成的条件。n2.渗层的组织特征。n基本要求：n1.掌握热渗镀的机理与渗层形成的条件。n2.掌握几种热扩渗的工艺方法。定义、特点n将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺，就称为热扩渗技术，或化学热处理技术。所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层。n特点是：渗层与基本金属之间是冶金结合，结合强度很高，渗层不易脱落或者剥落。通过渗入不同合金元素，或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同组织和性能的扩散层。从而极大提高工件的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能等。能进行热扩渗的元素包括C，N，B，Zr，Al，CrVNbTiS
3、iS等和多元共渗。第一节熱扩渗技术的基本原理一、热扩渗层形成的基本条件渗入元素的原子存在于扩渗层的形式为二种：固熔体和金属化合物1、渗入元素必须能够与基体金属形成固熔体或金属间化合物。原子直径，结构，电负性等必须满足要求。2、欲渗元素与基材之间必须有直接接触；3、被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；加热第一节熱扩渗技术的基本原理4、对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺而言，反应必须满足热力学条件。n置换反应：A+BCl2(气)ACl+Bn还原反应：BCl2(气)+H22HCl(气)+Bn分解反应：BCl2(气)Cl2(气)+B第一节熱扩渗技术的基本原理二、渗层形成机理3个过程：产生渗剂元素
4、的活性原子并提供给基体金属表面。n热激活能法和化学反应法n热激活能法：用于热浸渗(镀)、电镀渗、化学镀渗、喷镀渗和无活化剂的金属粉末的热扩渗；渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收形成最初的表面固溶体或金属间化合物建立热扩渗所必须的浓度梯度；渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使渗层增厚。第一节熱扩渗技术的基本原理三、热扩渗速度的影响因素1.热扩渗层的形成速度总是由上述三个过程中最慢的一个来制约。n初始阶段：受供给渗剂活性原子的化学反应速度控制；n反应物浓度；反应温度；活化剂n形成渗层后：主要取决于扩散速度：n温度；时间；晶体结构；晶体缺陷等。
5、第一节熱扩渗技术的基本原理四、扩渗层的组织特征1.纯扩散形成连续固溶体2.反应扩散随浓度增加而生成新相。例：渗剂元素B向基体金属A中扩渗并形成渗层的过程第二节热扩渗工艺的分类n按温度：高温、中温和低温热扩渗n高温：T910C，渗速快，渗层厚，有相变，变形大；n低温：T720C，渗层薄，无相变，变形小；第二节热扩渗工艺的分类按化学成分：按化学成分：渗入非金属元素渗入金属元素渗入金属-非金属元素扩扩散消除某元素单元多元单元多元CNSBOSiN+CN+SN+ON+C+SN+C+ON+C+BAlZnCrTiVNbAl+CrAl+ZnAl+TiTi+CTi+NCr+CAl+SiAl+Cr+SiHOC热扩
6、渗技术按渗入元素分类热扩渗技术按渗入元素分类第二节热扩渗工艺的分类n按渗剂的状态：n气体；固体；液体；等离子体，复合热扩渗5种；热扩渗技术按工艺特点分类热扩渗复合扩渗法直接扩渗法热浸镀渗电镀渗静电喷涂渗化学镀渗真空镀渗热喷涂渗料浆或膏剂渗固体热扩渗离子扩渗法气体热扩渗液体热扩渗粉末包渗法固-固扩渗法流化床法1盐浴法溶盐电解法熔烧法间接气体扩散法低压气体法直接气体扩散法流化床法2第三节气体热扩渗工艺n一、气体热扩渗技术的基本工艺特点n气体热扩渗是把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到渗剂原子能在基体中产生显著扩散的温度，使工件表面获得该渗剂元素的工艺过程。n常规气体法、低压气体法和流态床法。第
7、三节气体热扩渗工艺n工艺特点：n1产生活性原子气体的渗剂可以是气体、液体、固体，但在扩渗炉内都成为气体；n2在气体热扩渗过程中，渗剂可以不断补充更新，使活性原子的供给、吸收和向内部扩散的过程持续维持；n3可以随时调整炉内气氛，实现可控热扩渗。第三节气体热扩渗工艺二、气体渗碳1.基本特点n在增碳的活性气氛中，将低碳钢或低碳合金钢加热到高温(一般为900C-950C)，使活性碳原子进入钢的表面，以获得高碳渗层的工艺方法称为气体渗碳。n钢件渗碳后，表面为高碳钢。内部仍保持低碳状态。再通过淬火及低温回火可使渗碳工件具有表面硬度高、耐磨损，心部硬度低、塑性和韧性好的特点，能够满足那些工作时许多易磨损件的
8、工况需求，或者需要同时承受较高的表面接触应力，弯曲力矩及冲击负荷作用的零件的性能要求。与气体渗碳相比与气体渗碳相比固体渗碳的劳动强度差固体渗碳的劳动强度差生产效率低生产效率低液体液体渗碳稳定性差渗碳稳定性差工件质量波动大工件质量波动大等离子渗碳设备造价高等离子渗碳设备造价高而而且不够完善。且不够完善。900-950900-950CC，根据扩散方程可精确算出扩渗的深度。，根据扩散方程可精确算出扩渗的深度。第三节气体热扩渗工艺2.影响气体渗碳工艺的主要因素温度和时间浅层渗碳2-3h常规渗碳5-8h；深层渗碳16-30h渗碳气氛碳势钢的化学成分C的扩散影响CrMoNiTi第三节气体热扩渗工艺3.气体
9、渗碳的主要方式滴注式气体渗碳煤油吸热式气氛渗碳富碳气+吸热气体CO，H2氮基气氛渗碳第三节气体热扩渗工艺4.气体渗碳的组织特性和基本性能n表面硬度、渗碳层深度、心部硬度n表面碳的质量分数为0.8-1.1%为最好；nC0.8%，耐磨性和强度不足；nC11%，淬火后表面碳化物及残余奥氏体的增加，损坏性能；第三节气体热扩渗工艺n碳含量从表向里逐渐降低，其缓冷的组织为过共析、共析、亚共析组织；n淬火组织为渗碳体马氏体和低碳马氏体。n渗层深度取决于零件的工作条件及心部材料的强度。n零件所受负荷越大，渗碳层应越深。n零件的心部硬度高，支撑渗层的强度高，渗层可以相应浅一些第三节气体热扩渗工艺n5.弥散碳化物
10、渗碳法n用于高合金模具钢渗层中会沉淀出大量弥散合金碳化物，含C量高达2%-3%，弥散碳化物的质量分数高达50%以上。性能非常好。第三节气体热扩渗工艺三、气体渗氮n将氮渗入钢件表面的过程称为渗氮。n氮化层的硬度可以高达9501200HV，其耐磨性、疲劳强度、红硬性，抗咬合性能亦优于渗碳层。n钢的渗氮温度低，(480570)且渗氮后一般随炉冷却，工件变形很小。nFe-N相图在700C以下有5个单相区和2个共析反应区组成名称本质质及化学式晶体结结构wA主要性能相含氮铁素体体心立方590C时0.10%.室温时降至0.004%有铁磁性相含氮奥氏体面心立方2.86%在590C时有共析转变慢冷时发生相含氮奥
11、氏体面心立方5.30%-5.70%铁磁相硬度较高脆性小相Fe2-3N为基的固溶体4.55%-11.0%铁磁相650C发生共析分解相化学当量为Fe2N的化合物斜方11.07%-11.18%具有高脆性渗氮层各相的特性渗氮层各相的特性n渗氮的渗剂为氨或氨的化合物用井式炉进行n高温下氨分解出氮原子工件吸附向内扩散形成渗氮层第三节气体热扩渗工艺n渗氮层的高硬度是由于合金氮化物的弥散硬化作用导致的。氮化物自身具有很高的硬度、加上其晶格常数比基材-Fe的大得多。因此，当它与母相保持共格联系时，使得Fe晶格产生很大的畸变，导致强化效应；渗氮温度不同生成的氮化物尺寸大小不同，渗氮后硬度高低也不一样，随着渗氮温度
12、的升高，氮化物尺寸长大并和母相共格关系破坏渗氮层的硬度便降低。n抗回火在500C以下长期保持高硬度.第三节气体热扩渗工艺四、气体碳氮共渗和氮碳共渗n二元共渗n在520-580，碳、氮共渗以渗氮为主，因此称之为氮碳共渗。硬度比渗氮略软，称软氮化n在780-930，碳、氮共渗以渗碳为主，因此称之为碳氮共渗。第三节气体热扩渗工艺优点：与渗氮相比，n氮碳共渗所需时间大大缩短：表面化合物中不含脆性相所以渗层韧性好，裂纹敏感件小，而其它性能与渗氮相似，所以氮碳共渗是种表面硬度高、耐磨损、抗疲劳、尺寸变形小的热扩渗工艺；第三节气体热扩渗工艺与渗碳相比n碳氮共渗能在较低的温度热扩渗，零件晶粒不易长大：处理后可
13、以直接淬火；零件变形开裂倾向小：氮的渗入不仅扩大了Y区，而且提高了奥氏体的稳定性，即提高了渗层的淬透性和淬硬性；而且渗层表面残存一定的压应力，提高了零件的疲劳强度。Y相区的扩大还使渗层的碳含量升高.所以与渗碳相比，碳氮共渗的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、抗回火稳定性等都更高.第四节液体热扩渗n将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法称为液体热扩渗。n液体热扩渗根据工艺特点可分为盐浴法、热浸法、熔烧法三种。n盐浴法盐浴为渗剂or盐浴为载体，悬浮渗剂渗一种0R几种元素n热浸法ZnAlSn金属中，厚度不均匀n熔烧法渗剂为浆料，烧结扩散，渗层均匀第四节液体热扩渗一、低温盐浴共渗法特
14、点：温度低，无相变，变形小，不用精加工，硬度可达HV900。经历了高、中、低氰盐浴的发展，污染盐浴氮碳共渗氧化盐浴冷却-Melenite工艺盐浴硫氮碳共渗-Sursulf工艺，组织为Fe4N()，Fe2-3N()，减摩。第四节液体热扩渗nMelenite工艺n500-600CCNO2-34%-38%n盐浴氮碳共渗+氧化盐浴冷却不含氰化物nCN-极低，无污染第四节液体热扩渗钢铁钢铁牌号预处预处理工艺艺盐盐浴氮碳共渗工艺艺化合物厚度m扩扩散层层厚度m表面显显微硬度HV0.14538CrMoAl3Cr133Cr2W8VW18Cr4VHT24-44调质调质调质调质淬火+回火2次退火565C1.5-2h
15、565C1.5-2h565C1.5-2h565C1.5-2h550C20-30min565C1.5-2h10-178-148-126-100-210-150.3-0.40.15-0.250.08-0.150.1-0.150.025-0.0450.18-0.25500-550950-1100900-1100850-10001000-1150600-650盐浴氮碳共渗工艺及渗层厚度和表面硬度盐浴氮碳共渗工艺及渗层厚度和表面硬度第四节液体热扩渗nSursulf工艺n氮碳共渗与渗硫；n硫的渗入，工件具有耐磨，减磨，抗咬死，抗疲劳性能，并能改善耐蚀性；n低含氰化物，无污染；nFe4N（相）和Fe2-3N
16、（相）组成的化合物和氮碳扩散层；摩擦系数更低第四节液体热扩渗二、硼砂熔盐金属覆层技术(T.D)法在高温下将钢铁材料放入硼砂熔盐浴中一定时间后可在材料表面形成几微米到数十微米的碳化物层、这种工艺就称为硼砂熔盐金属覆层技术。源于渗硼脱水硼砂分子式：Na2B4O7熔点：740C，分解温度1573C。第四节液体热扩渗渗B过程：加Al粉，还原出活性B原子，使之渗B；加与O亲和力小于B的单质（CrVNb）则还原出这些单质活性原子，弥散悬浮溶解在硼砂中，通过对流，与金属表面接触，向金属内扩散，形成金属渗层。处理温度为处理温度为900-980900-980CC，扩散差异，扩散差异，形成形成CC化物。化物。第四节液体热扩渗特点：nT.D法处理温度为900-980C，在中，高碳钢处理时，金属原子一旦被工件吸附，就与工件中的C原子生成碳化物。nC在C化物中的扩散能力高，双向扩散机理；比单
