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1、渗硅工艺及渗层组织的研究姚彦桃 （河北理工大学轻工学院 07q 轧钢 1 35 ）摘要 本文研究了渗硅，金属渗硅，气体渗硅，液体渗硅等工艺，各渗层组织的性能，介绍了个试验参数对渗硅层厚度和性能的影响。关键词 渗硅 渗层组织 性能0 前言渗硅是指以硅原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。将金属工件放在含有渗入金属元素硅的渗剂中,加热到一定温度，保持适当时间后,渗剂热分解所产生的渗入元素的活性原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。 1 渗硅工艺 渗硅工艺可用固体法、液
2、体法和气体法，应用较多的是固体粉末渗硅，此外还有真空渗硅、流动粒子炉渗硅、机械能助渗硅等 。11.1固体渗硅 固体渗硅常用粉末法，供硅剂是硅铁，活化剂是氯化铵，填充剂用石墨、耐火土、氯化铝。如：80%硅铁+12%氯化铵+8%氯化铝，渗层多孔，孔隙率 46%54%，有减摩作用。在固体渗剂中加入一定量的氯化镁、氯化钙或氧化铁可减少、甚至消除渗硅层的孔隙，如 80%硅铁+12%氯化铵+4%氯化镁+4%氯化钙，于 10001050，保温 36 h, 渗硅层厚度为 0.100.15 mm,硬度为 360HV,表面层致密无孔隙,抗蚀性明显提高，在 10% HCl 溶液中，比未渗硅的试样提高 17 倍。40
3、%60%硅铁 3%NH Cl+38%石墨 105044h，渗硅层厚度为 0.91.1mm，渗剂不黏结。硅粉3% NH Cl，；（9001100）4h，用于钛渗硅，4形成 0.050.127 mmTiSi 、 Ti Si 渗硅层。2541.2 机械能助渗硅山东大学用自己研制的设备和渗剂进行机械能助渗硅，将渗硅温度由常规的 1000左右，降低至 480600，45 钢5404h 获得 60 um 渗硅层，组织为 Fe Si 相无孔的白亮3层，含 Si18%，硬度为 700HV 。机械能助渗硅温度低、时1.0间短、节能效果显著，很有应用前途。1.3液体渗硅液体渗硅有电解法和非电解法。非电解法常用的盐
4、浴成分为 65%（2/3 Na SiO +1/3 23NaCl）混合盐+35% SiC，于 9501050保温 46 h，渗硅层厚度为 80140um。也可用方法 渗剂（质量分数）及工艺 渗层组织及性能75%80%硅铁，15%20% Al O ；（10501200）23（610）h，渗层厚度：90900 um粉末法80%硅铁，8% Al O ，12% 23NH Cl；950（23）4h，多孔渗硅层80%85%（50% Ba Cl +50% NaCl），215%80%硅铁；10002h，10 号钢，渗层厚度：0.35 mm熔盐法65%（2/3 Na SiO +1/3 23NaCl）35% SiC
5、（9501050）（26）h，渗层厚度：0.050.44 mm熔盐电解法100% Na SiO ；（1050107023）（1.52）h，电流密度 0.200.35A/ cm ，2可获得无隙渗硅层渗硅的方法及性能 气体法硅铁（或 SiC） ，HCl（或NH Cl）也可外加稀释气；49501050渗硅层组织通常为硅在铁中的固溶体。有时分为两层，外层为Fe Si( );内层为含3/硅的固溶体渗硅层往往多孔，在1700200油中浸煮后，有较好的减磨性能，渗硅能提高钢的抗氧化性能，但较渗铬、渗铝差。渗硅层在海水、硝酸、硫酸及大多数盐及稀碱中有良好的耐蚀性，但由于渗硅层多孔，容易出现点蚀，甚至浓疮腐蚀。
6、低硅钢片渗硅后，含硅量可提高到7%（质量分数）左右，铁损明显降低SiCl ， H （或 N ，Ar）429501050SiH ，H （或 NH ，Ar）4239501050表 1.1 渗硅的方法及性能 1钢铁渗硅层的性能渗硅是提高零件的耐蚀性，特别在硫酸、硝酸、海水及大数的盐、稀碱溶液中工件的耐蚀性的有效方法。但是渗硅层较脆，降低刚的强度及塑性，难以切削加工。由于抗蚀性提高，渗硅后材料的腐蚀疲劳强度有很大提高，渗硅也可提高抗高温氧化性，但不如渗铝和渗铬，可用于750以下工作的工件。渗硅层多孔，在170200油中浸煮后，有较好的减摩性。低碳硅钢片渗硅后，硅含量达到6.0%6.5%，显著降低铁损。
7、具体表现为以下几个方面：（1） 硬度。钢铁的渗硅层硬度不高，下图为渗硅层的显微硬度及分布。（2） 耐磨性能。钢的渗硅层硬度虽然不高，但耐磨性比较好。例如45钢渗硅后得到的是多孔渗硅层，经170200油中浸煮后有着较好的自润滑作用，其耐磨性与未渗硅的相比提高了17倍。在磨损条件下工作的铸件进行气体渗硅后，耐磨性可提高2.5倍。（3） 耐腐蚀性能。渗硅层在完整无孔的条件下，在海水、硝酸、硫酸以及大多数盐及稀碱液中都有良好的耐蚀性，特别对盐酸的抗蚀能力最强。这是因为渗硅层与介质作用后，在工件表面形成了一层SiO 薄膜。这种氧化膜结构致密，具有高的电阻率2和优良的化学稳定性，能阻止介质进一步腐蚀基体。
8、由于渗硅层容易产生孔隙，在上述环境下多孔渗硅层易出现点蚀，甚至“脓疮腐蚀”。对于能溶解SiO 膜的介2质或者能穿透SiO 膜的离子（如氯氟酸、氯化物、碱等），无孔渗硅层也不耐腐2蚀。下表为工业纯铁渗硅前后在某些介质中的抗腐蚀性能比较。表1 渗硅与未渗硅的工业纯铁的耐蚀性能比较重量损失/mgcm 2未渗硅 渗硅 未渗硅 渗硅 未渗硅 渗硅试验时间/d10%（质量分数）盐酸 10%（质量分数）硫酸 10%（质量分数）磷酸1 4.7 0 12.2 0.06 0.73 0.073 13.6 0 34.8 0.16 3.33 0.216 26.8 0 67.3 0.32 4.08 0.3510 61.4
9、 0.08 103.1 0.36 7.02 0.413%（质量分数）氯化钠 5%（质量分数）氯化钾 5%（质量分数）硫酸钠1 0.3 0.08 0.20 0.013 0.5 0.25 0.457 0.03 0.71 0.046 0.8 0.43 0.93 0.05 1.27 0.1210 1.4 0.48 1.72 0.06 2.15 0.12（4）抗氧化性能。渗硅层具有较高的抗氧化能力。试验表明Fe-C合金（15%Cr）渗硅层含量w(Si)从0.5%增至3%时，抗氧化温度可由800提高到1000；若硅含量大于3%，则会使抗氧化能力减弱。此外，难熔金属及其合金渗硅，其抗氧化性能也有显著提高。例
10、如，当温度高于600时，钼在空气中很快就被氧化，但渗硅后的钼在大气中加热至1400持续数百小时也不氧化。3 试验结果及其分析31 渗硅温度对渗层厚度的影响图1给出在不同温度下保温4h的渗层厚度。可见，随着温度提高t渗层加厚。机械能助渗将渗硅温度由常规工艺的950-1050 降至480540 ，使渗硅由奥氏体状态化学热处理变为铁素体状态化学热处理，节能效果显著，并能提高产品质量。H阳 g自n1pe口m ，”C图1 渗层厚度与扩渗温度的关系曲线3，2 扩渗时间对渗屡厚度的影响由图2可见，随着渗硅时间的增加，渗层厚度增厚，前4个小时增厚较快，4h后，增加缓慢。应该指出，改用生产用大型机械能助渗装置时
11、，由于粉末粒子运动速度增大，渗硅时间还能进一步缩短，在23h以内，渗硅层厚度能加大到200tan。物层。由于铁硅化合物不溶解碳原子，钢中的碳原子被挤向内部，形成富碳黑色带；内部白亮层是溶解硅的。一Fe，紧接着由于富碳，而形成黑白相间的渗层组织。再往里则为富碳区的黑色过渡层。常规工艺的渗硅层经常存在气孔，有时甚至很严重，无法使用，这是渗硅致命的缺点。观察初步结果，机械能助渗硅的渗层比较密，未发现气孔。这与本渗硅剂能渗少量铬有关，尚需进一步研究。l图3 渗硅层组织(5硝酸酒精腐蚀) 200(a)20钢 (b)45钢图4为渗硅层的显微硬度分布曲线。可见，3种钢的表根据上述结果，用研制的渗硅剂进行机械
12、能助渗硅，可采用520C4h。33 渗硅层组织与硬度由Fe-S；相图可知，在500C渗硅属于铁素体状态化学热处理。硅含量(质量分数)低于l4时，硅溶于aFe中形成固溶体；硅含量(质量分数)再高时，可能形成Fb 、F s和F 等化台物。图3为2o钢和45钢的渗硅层组织。渗硅层一般是两个白亮层加黑色过渡层到基体组织。表面的白亮层硬度高，为铁硅化合物；在两个白亮层之间常存在一个狭窄的黑色带；内部的白亮层紧接着白黑相间的渗层；它与基体之阀是黑色的过渡层。500C渗硅时，硅溶于铁素体并向内扩散，当浓度超过硅的极限溶解度时，开始形成铁硅化合图4 渗硅层的硬度分布34 渗屡的成分分析图5是2o钢机械能助渗硅
13、的SEM照片。可以看出，这种渗硅层是比较致密的。表1是20钢和45钢渗层表面的能谱分析结果。两种钢图5 20钢机械能助渗硅层的SEM照片金属热处 2000年第9期 13的渗硅层表面含硅量(质量分数)均为18左右，比常规渗硅的渗硅层含硅量(1315)略高一些，应该具有良好的耐蚀性和抗氧化性。表1 渗硅层的成分能谱分析 ()： I 20钢 45钢儿 】质量分数 原子融 喷量分数 厩子分数Sik 18 62 31 27 1804 3044Crk 0 0 o8 027 0 25Fek l 8128 68 64 81 69 32图6为如钢渗硅层的x射线衍射谱图 相分析结果表明，机械能助渗硅层表面为F母s
14、i相。图6 20钢机械能助渗硅层的x射线衍射谱图(cu靶)4 结论(1)机械能助渗硅是可行的，而且可实现 一cr共渗，将渗硅温度由常规的9501050 降低到4805401C具有十分显著的节能效果。(2)使用自行研制的机械能助渗硅剂，520 4h下，可得到大于60 的渗硅层。(3)机械能助渗硅层的结椅是两层白亮层之间存在较窄的富碳层黑色带，内部白亮层有的逐渐变为黑白相间组织；渗层与基体之间存在一个富碳的过渡区。渗硅层组织致密，未发现明显的孔隙。(4)机械能助渗硅的渗层表面硬度高达700HV 0 1由外向里逐渐降低，在过渡层降低到200ttV0 1；渗硅层的表面白亮层的硅含量(质量分数)为l8左
15、右，略高于常规落硅层的符台耐蚀性要求。(5)机械能助渗硅层表层为F氇s相。参考文献：1。顾国成，等钢铁材料的防蚀涂层M北京：N-学出版杜1987：176 18721 利亚霍维奇21,c(俄)金属与台金的化学热灿理手册M上渗硅时间对渗层厚度的影响TiA1基合金密度低，高温强度高，被视为发动机的理想材料，在航天航空业和汽车工业方面具有潜在的应用前景，引起了广泛的研究兴趣。然而这种合金有两个缺点：一是室温塑性低，二是7000(：以上抗氧化性不足。经过十几年的研究，室温塑性已经得到了明显改善“ 。抗高温氧化性能不足主要是由于合金在高温氧化时，形成了不具有保护作用的TiO +A1 0 的混合层。在提高抗
16、氧化性能方面主要有两类方法：一是合金化，一是表面处理。由于提高抗氧化性能的合金化元素往往会减低合金的室温塑性 。，所以，表面处理被认为是一种能够有效提高合金抗氧化性能的方法。作者以往的研究工作表明：通过固体渗硅的方法，在试样表面形成一复合渗层(A1 0，一Ti Si，+A120，)，该渗层在高温氧化时形成了具有保护作用的SiO +A1 O 复合层，能够提高TiA1基合金的抗高温氧化性能 。本文主要对TiA1合金经不同加热时间渗硅后对渗层厚度的影响做进一步的研究。材料与方法所用TiAI基合金的名义成分为Ti48(at)A1，经三次翻转熔炼而成。利用电火花线切割机从上述TiA1铸锭切取4mm4mm8mm试样，用S
