第六章第三节 金属表面化学热处理

《第六章第三节 金属表面化学热处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章第三节 金属表面化学热处理（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三节 金属表面化学热处理 Date1一、概述 （一）金属表面化学热处理过程 金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金 元素渗入金属表层的一种热处理工艺。其基本工艺过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到 一定温度，使活性介质通过分解，并释放出欲渗入元素的活性 原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度 的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。 Date2热渗镀化学热处理用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属 的表面，可得到一扩散合金层，但有时表面上还会残 留一薄的覆层。因此被称为热渗镀。该技术的突出特点是表面强化层的形成主要依靠加

2、 热扩散的作用，因而不存在结合力不足的问题。 热渗镀材料的选择范围很宽，渗入不同元素可得到 不同组织和性能的表面，这些性能包括耐腐蚀性、耐 磨性、耐高温氧化性等。 Date3（二）金属表面化学热处理的目的（1）提高金属表面的强度、硬度和耐磨 性。如渗氮可使金属表面硬度达到950HV 1200HV；渗硼可使金属表面硬度达到1400HV 2000HV等，因而工件表面具有极高的耐磨 性。 Date4（2）提高材料疲劳强度。 如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相 变使体积发生变化，导致表层产生很大的残余 压应力，从而提高疲劳强度。（3）使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬 合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。（

3、4）提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗 铝等。Date5（三）化学热处理渗层的基本组织类型（1）形成单相固溶体。如渗碳层中的 铁素体相等。（2）形成化合物。如渗氮层中的相（ F2-3N），渗硼层中Fe2B等。（3）化学热处理后，一般可同时存在固 溶体、化合物的多相渗层。Date6（四）化学热处理种类 根据渗入元素的介质所处状态不同，化学热处 理可分以下几类：（1）固体法：包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电 热旋流法、覆盖层（电镀层、喷镀层等）扩散法等。（2）液体法：包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液 电解法等。（3）气体法：包括固体气体法、间接气体法、流 动粒子炉法等。（4）等离子法：Date7按复合手

4、段划分有电泳渗、料浆渗（或膏剂渗）、喷涂渗、电镀渗、化学镀渗等。Date8热渗镀-化学热处理Date91固渗法粉末包渗法在粉末中加入了防粘结粉末（如Al2O3） 和活化剂（助渗剂）。活化剂一般为卤化物 ，如MH4CI，MH4Br，MH4I等。包渗示意 图见图4-2。以NH4Cl为例，加热时发生下 列反应： Date10粉末包渗法的优点:设备简单，操作容易，适用于形 状复杂的工件的渗镀； 缺点:效率低，尺寸受限制，温度高， 时间长，基体金属的强度有一定降低 。 Date11流化床法与粉末包渗法相似，不同之处是将工 件放于带有固体渗剂的流化床内，然后加 热，同时通人卤气和运载气体（H2 ，Ar）

5、，使之与流体粒子反应产生欲渗金属的活 性原子渗入工件。特点：传热性好，渗速快，渗层质量高 并有利于机械化和自动化；缺点：流化床设备装置成本极高，运转 费用大，因此这种方法尚未推广使用。 Date122液渗法 热浸法 将工件直接浸入某一液态金属中，经较短 时间即形成合金镀层。当浸渍时间极短时，所形成的镀层只是附着层 而不是扩散层，因而与基体金属结合不牢固，因 此一般在热浸后还要加热使镀层进行扩散，以形 成合金层。优点：设备简单，操作容易，因而被广泛采用 。这种方法多用于钢铁制品的镀锌、镀铝、镀锡 等。 Date13熔烧法熔烧法是把渗镀金属或合金粉末加粘结 剂后制成料浆，再将料浆均匀涂敷于工件 表

6、面上，干燥后在惰性气体或真空环境中 以稍高于料浆熔点的温度加热烧结通过 液固界面扩散而形成合金层。与热浸法相比，该法能获得成分和厚度 都很均匀的渗层，同时具有热传递性好、 渗速快等特点。Date14盐浴法 盐浴法是目前世界上采用的较新的热 渗镀技术，其基本原理是在金属盐熔融液 体中加入V，Nb，Cr，Ti，Ta等铁合金粉 末，然后把含有较高C，N的钢件浸入（可 预先进行渗碳、氮化或碳、氮共渗），在 8001250温度下，经过0.510h的时 间后，可在表面上形成一极硬的金属的碳 氮化合物薄层，从而赋予工件表面高的耐 磨性。 Date153气渗法 气渗首先把工件加热到渗剂原子在基体中能产 生显著

7、扩散的温度，然后把含有渗镀金属卤化物 （MCl2）的氢气通入，气体和表面接触时，工件 表面的金属A和氢本身与MCl2发生反应。 反应生成的活性原子M渗入工件表面。Date16实现气渗工艺的具体方法很多，大致可分为两大 类：一类是渗镀金属同工件不在同一空间，用氢气做 载体把欲渗金属的卤化物运载到工件表面；另一类是渗镀金属同工件在同一空间，使HCl气 体先流过被加热了的渗剂金属产生金属氯化物气体 ，随后使氯化物气体流经金属表面，置换出活性原 子M，进行渗镀。优点：渗层厚度均匀，易控制，对异形件和小孔 结构的渗镀效果好，且无粉尘，劳动条件好。Date174离子轰击渗镀法离子轰击渗镀法是利用物质的第四

8、态 等离子体进行渗镀。等离子体是利用低真空下气体辉光放电 获得的，因为离子活性比原子高，加上电 场的作用，因此渗速较高，质量较好。但 是该法除离子氮化已经成熟，包括渗碳在 内的离子渗金属尚在开发之中。Date185复合渗 复合渗实际上是固渗的发展，即采用各种镀 层手段先在工件表面制造一固相涂层，然后把 工件连同涂层一起加热。加热的方法很多，诸如普通加热炉加热、高 频感应加热、通电加热、辉光放电加热，以及 电子束、离子束加热等。 电泳渗 、料浆渗（或称膏剂渗） 、 喷镀渗 、电镀渗 、化学镀渗 、真空渗 镀 Date19热渗镀原理热渗镀的基本过程应包括四个步骤，即：介质中发生化学反应，以提供界面

9、反应所需要 的反应物；反应物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩 散；反应物中的某些粒子被金属表面吸附，并发生 界面反应；界面反应产生的活性原子为金属表面层吸收并 向纵深迁移，达到一定的深度，此称内扩散。 Date20在这四个步骤中，最值得注意的是进行最 慢的步骤，或者说是控制步骤。一般说来 步骤速度快，不会对整个过程产生阻碍作用 。步骤虽然是一个扩散过程，但此扩散是在气 态或液态下进行，扩散速率要远远大于元素在固 态内的扩散，因而也不可能成为控制步骤。实践证明后两个步骤都有可能成为过程中的控 制步骤。 实践中可根据渗层深度和时间的关系来判定 究竟是步骤还是是控制步骤。 Date21渗碳过程以水

10、煤气的渗碳过程为例，其四个过程 可示意性地表示于图中 Date22渗层的形成条件 渗层是基体金属和渗入元素原子混合或化合组成 的薄合金层，所以，渗镀的条件是：1）渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金 属间化合物；2）渗入元素与基体金属必须保持紧密的接触， 或者说渗入元素可以在界面被吸附；3）必须保持一定的温度，即使原子获得足够的 扩散动力；4）生成活性原子的化学反应必须满足一定的热 力学条件。 Date23TRD渗镀法 TRD（Surface Coating by Thermo-Reactive Deposition and Diffusion）称为热反应沉积和扩 散的表面覆层法，简称为TR

11、D渗镀法或TD法。该工艺是日本丰田中央研究所开发的。具体工 艺有熔盐浸镀法、电解法及粉末法。应用最广泛的是用熔盐浸镀法在工件表面上涂 覆VC，NbC，CrxCy等碳化物。该工艺于1971 年开始投入应用。 Date24处理方法 将7090的硼砂放入耐热钢坩埚中 熔融后，向坩埚中加入可形成欲镀覆的碳 化物的物质。例如欲涂 VC时，加入FeV的合金粉末 或 V2O5粉末，将含碳的钢件浸入此盐浴中 ，在8001200保温110h，便得到了 仅由碳化物镀覆的表面层。Date25处理方法如需镀覆NbC、CrxCy,则在盐浴中加入 FeNb ，Nb2O5，Fe-Cr，Cr2O3合金粉末或金属氧化物粉 末。

12、若采用金属氧化物，还需在盐浴中添加Al，Ca ，Ti， Fe-Ti， Fe-Al等物质，以保持盐浴的活性 ，使金属原子得以在盐浴中被还原出来。碳的来 源完全依靠钢中自身的碳向外扩散。Date26Date27影响涂层厚度的因素 影响涂层厚度的主要因素是盐浴温度、 处理时间和钢中的含碳量。 镀层成长的速率主要取决于碳原子的 扩散速率。按A的不同，若要在钢的表面形成510m厚的碳化物，约 需30分钟到数小时。显然钢中的含碳量越高，温度越高，镀层 增厚越快。Date28镀层性能 X射线分析发现，TD法所得镀层几乎全由纯碳 化物组成，碳化物层的成分不受基体金属的影响 ，不存在Fe，O，P，S等成分。典型

13、的VC镀层无微孔，在显微镜下呈白亮色 ，基体金属与碳化物层之间有清晰的界面。不过，如在1050处理，则碳化物形成元素将 扩散到基体金属中，这对改善镀层与基体之间的 粘结强度十分有利。 Date291硬度 TD法所得镀层硬度大大高于淬火、镀铬 或氮化的硬度；VC和TiC的硬度约为HV3000，NbC约为 HV2500，VC，CrxCy，NbC在800以上 仍有HV800以上的高硬度。 Date30Date312耐磨性快速磨损试验机研究了以SCM15为配对材料、 几种钢经TD处理或其它处理的磨损量，发现:镀覆VC，NbC，TiC的耐磨性显然比氮化、渗 硼、镀铬、放电硬化等其它表面处理优越而与硬 质

14、合金的耐磨性相同或更好，与用CVD和PVD法 镀覆的TiC层耐磨性相同。Date323抗热粘结性 研究表明：以钢、铜及铅为配对材料的 抗热粘结性，发现镀覆VC，NbC，TiC的 材料与未作镀覆处理的或作其它表面处理 的材料相比，前者却不易发生热粘结。跟易于发生热粘结的不锈钢进行环压试 验时发现，涂覆碳化物也具有良好的抗热 粘结性。 Date334抗剥离性 用钢球反复撞击试样的同一部位，研究 镀层的开裂或剥离情况，发现经TD处理的 VC，NbC及 CrxCy镀层即使撞击20万次也 不发生裂纹或剥离；而用CVD和PVD处理的TiC镀层撞击5 10万次镀层即剥离。 Date345抗氧化及耐蚀性 抗氧

15、化性的好坏随镀覆的碳化物种类的 不同而不同。VC，NbC在500的大气中 几乎不氧化，不过若在600下保温1h会 有几微米的碳化物层被氧化。 镀覆VC，NbC，CrxCy的钢对于盐酸、硫 酸、硝酸、磷酸、苛性钠都有良好的耐蚀 性，但要避免微孔等缺陷。 Date356韧脆性 软氮化或渗碳处理会使材料的韧性降 低，而TD处理的材料进行艾氏冲击试验或 缺口三点弯曲试验，发现其韧性与淬火回 火钢大体处于同一水平。 Date36TRD处理的应用及与PVD和 CVD镀层性能的比较 TD处理已经在几乎所有需要耐磨的领域 中得到成功的应用。在冲压模。冷锻模、 铸模等方面的应用也是比较多的。 用CVD，PVD和TD法都可以得到薄的碳 化物层，但比较起来TD法有许多优点。诸 如： Date37TD法的优点设备简单，价格便宜；操作简便；工件冷却方法任意选择；镀层成分、性能不受处理温度的影响；易于作局部镀覆；可作重复处理，便于返修。 Date38二、渗硼 渗硼主要是为了提高金属表面的硬度、 耐磨性和耐蚀性。可用于钢铁材料、金属陶瓷和某些有色 金属材料，如钛、钽和镍基合金。这种方 法成本较高。 Date39（一）渗硼原理 渗硼就是把工件置于含有硼原子的介质 中加热到一定温度，保温一段时间后，在工件 表面形成一层坚硬的渗硼层。 在高温下，供硼剂硼砂与介质中SiC发生