《表面工程學(xué)》課件：5熱擴(kuò)滲

1、5 熱擴(kuò)滲熱擴(kuò)滲教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求 掌握熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本原理及主要種類，熱浸滲掌握熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本原理及主要種類，熱浸滲工藝的基本特點(diǎn)，等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本特點(diǎn)、工藝的基本特點(diǎn)，等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本特點(diǎn)、離子滲氮層的性能特點(diǎn)等。離子滲氮層的性能特點(diǎn)等。 重點(diǎn)：熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本原理，熱浸滲工藝及等重點(diǎn)：熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本原理，熱浸滲工藝及等離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本特點(diǎn)。離子體熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本特點(diǎn)。前言前言_關(guān)于關(guān)于“熱擴(kuò)滲技術(shù)熱擴(kuò)滲技術(shù)”n定義：定義： 將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種或幾種元素滲入工件表面，將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種或幾種元素滲入工件表面，形

2、成合金層形成合金層(或摻雜層或摻雜層)的工藝。的工藝。(化學(xué)熱處理技術(shù)化學(xué)熱處理技術(shù))n所形成的合金層稱為熱擴(kuò)滲層，簡稱所形成的合金層稱為熱擴(kuò)滲層，簡稱滲層滲層。n突出特點(diǎn)：滲層與基體金屬之間是突出特點(diǎn)：滲層與基體金屬之間是冶金結(jié)合冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度很高。，結(jié)合強(qiáng)度很高。n通過滲入不同合金元素或者采用不同滲入工藝，可以使工件表面獲得不同通過滲入不同合金元素或者采用不同滲入工藝，可以使工件表面獲得不同組織和性能的擴(kuò)滲層，從而組織和性能的擴(kuò)滲層，從而極大極大提高工件的提高工件的耐磨性耐磨性、耐蝕性耐蝕性和和抗高溫氧化性抗高溫氧化性能能等。等。n廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、微電子和信息等行業(yè)。廣泛應(yīng)用于機(jī)

3、械、化工、微電子和信息等行業(yè)。n最早起源于我國戰(zhàn)國時代。最早起源于我國戰(zhàn)國時代。 勾踐劍：寶劍通長勾踐劍：寶劍通長55.6厘米，劍身長厘米，劍身長47.2厘米，劍身寬厘米，劍身寬4.6厘米，重厘米，重857.4克。克。 1965年于湖北年于湖北荊州出土荊州出土 ，歷經(jīng)，歷經(jīng)2500多年仍未生銹多年仍未生銹 ，且能吹發(fā)可斷、一下劃破，且能吹發(fā)可斷、一下劃破20多張復(fù)印紙。劍表面黑色多張復(fù)印紙。劍表面黑色部位是經(jīng)硫化處理而形成的，主要作用是防銹。部位是經(jīng)硫化處理而形成的，主要作用是防銹。n能進(jìn)行熱擴(kuò)滲的材料包括：碳、氮、硼、鋅、鋁、鉻、釩、鈮、鈦、硅、能進(jìn)行熱擴(kuò)滲的材料包括：碳、氮、硼、鋅、鋁、鉻

4、、釩、鈮、鈦、硅、硫等和這些元素的硫等和這些元素的多元共滲多元共滲。5.1 熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本原理熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本原理 一、熱擴(kuò)滲層形成的基本條件一、熱擴(kuò)滲層形成的基本條件n滲入元素的原子存在于擴(kuò)滲層的形式：滲入元素的原子存在于擴(kuò)滲層的形式： 與與基體金屬基體金屬形成：固溶體或形成：固溶體或金屬間化合物金屬間化合物層，或固溶體層，或固溶體+化合物的復(fù)合層化合物的復(fù)合層n形成滲層基本條件：形成滲層基本條件：1.滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。2.欲滲元素與基材之間必須有直接接觸。欲滲元素與基材之間必須有直接接觸。3.被滲元素在

5、基體金屬中要有一定的滲入速度。被滲元素在基體金屬中要有一定的滲入速度。4.(對靠化學(xué)反應(yīng)提供活性原子的熱擴(kuò)滲工藝對靠化學(xué)反應(yīng)提供活性原子的熱擴(kuò)滲工藝)該反應(yīng)必須滿足熱力學(xué)條件該反應(yīng)必須滿足熱力學(xué)條件: a)產(chǎn)生活性原子；產(chǎn)生活性原子； b)反應(yīng)平衡常數(shù)反應(yīng)平衡常數(shù)1%。金屬間化合物：金屬間化合物：n定義：兩種或兩種以上金屬以整數(shù)比（化學(xué)計(jì)量）組成的化合物。定義：兩種或兩種以上金屬以整數(shù)比（化學(xué)計(jì)量）組成的化合物。n當(dāng)合金中的溶質(zhì)含量超過其在溶劑中的溶解度時將會出現(xiàn)新相，若當(dāng)合金中的溶質(zhì)含量超過其在溶劑中的溶解度時將會出現(xiàn)新相，若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于合金組元的晶體結(jié)構(gòu)，則新相就是金屬間化新相的晶

6、體結(jié)構(gòu)不同于合金組元的晶體結(jié)構(gòu)，則新相就是金屬間化合物；其晶體結(jié)構(gòu)類型和性能完全不同于它的任一組成元素，金屬合物；其晶體結(jié)構(gòu)類型和性能完全不同于它的任一組成元素，金屬之間以整數(shù)化（化學(xué)計(jì)量）組成，因此，金屬間化合物一般可用分之間以整數(shù)化（化學(xué)計(jì)量）組成，因此，金屬間化合物一般可用分子式表示。子式表示。n除離子鍵和共價鍵之外，金屬間化合物有很強(qiáng)的金屬鍵結(jié)合，因而它具有除離子鍵和共價鍵之外，金屬間化合物有很強(qiáng)的金屬鍵結(jié)合，因而它具有金屬的一些特性，如金屬光澤，導(dǎo)電與導(dǎo)熱等。此外，金屬間化合物具有復(fù)金屬的一些特性，如金屬光澤，導(dǎo)電與導(dǎo)熱等。此外，金屬間化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而且脆性大。

7、金屬間化合物仍然是金屬材料。雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而且脆性大。金屬間化合物仍然是金屬材料。二、滲層形成機(jī)理二、滲層形成機(jī)理（形成過程）（形成過程）1. 產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。 活性原子的提供方式：熱激活能法、化學(xué)反應(yīng)法活性原子的提供方式：熱激活能法、化學(xué)反應(yīng)法（常用方法）（常用方法）。 (等離子體增強(qiáng)等離子體增強(qiáng)) 2. 滲劑元素的活性原子吸附在基體金屬表面上，隨后被基體金屬所吸收，形滲劑元素的活性原子吸附在基體金屬表面上，隨后被基體金屬所吸收，形成最初的表面固溶體或金屬間化合物，建立熱擴(kuò)滲所必須的濃度梯度。成最初的表面固溶體

8、或金屬間化合物，建立熱擴(kuò)滲所必須的濃度梯度。 3. 滲劑元素原子向基體金屬內(nèi)部擴(kuò)散，基體金屬原子也同時向滲層中擴(kuò)散，滲劑元素原子向基體金屬內(nèi)部擴(kuò)散，基體金屬原子也同時向滲層中擴(kuò)散，使擴(kuò)滲層增厚，即擴(kuò)滲層成長過程使擴(kuò)滲層增厚，即擴(kuò)滲層成長過程(簡稱擴(kuò)散過程簡稱擴(kuò)散過程)。 擴(kuò)散的機(jī)理：間隙式擴(kuò)散（擴(kuò)散的機(jī)理：間隙式擴(kuò)散（滲入原子半徑小滲入原子半徑?。⒅脫Q式擴(kuò)散和空位式擴(kuò)散機(jī)理。）、置換式擴(kuò)散和空位式擴(kuò)散機(jī)理。三、熱擴(kuò)滲速度的影響因素三、熱擴(kuò)滲速度的影響因素n熱擴(kuò)滲層的形成速度是由形成滲層的三個過程中最慢的一個來制約。熱擴(kuò)滲層的形成速度是由形成滲層的三個過程中最慢的一個來制約。 在初始階段：化學(xué)

9、反應(yīng)速度在初始階段：化學(xué)反應(yīng)速度 在中后期：擴(kuò)散速度在中后期：擴(kuò)散速度n能影響化學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度的因素，均將影響熱擴(kuò)滲層的形成速度：能影響化學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度的因素，均將影響熱擴(kuò)滲層的形成速度：反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度、催化劑等。、催化劑等。擴(kuò)散過程中原子平均擴(kuò)散距離擴(kuò)散過程中原子平均擴(kuò)散距離X為為: 其中：其中：t為擴(kuò)散時間，為擴(kuò)散時間，C為受幾何因素影響的常數(shù)，為受幾何因素影響的常數(shù)，D為擴(kuò)散速度。為擴(kuò)散速度。 D=D0exp(-Q/RT) Q為擴(kuò)散激活能為擴(kuò)散激活能Dt式（式（2-4）式（式（2-5）四、擴(kuò)滲層的組織特征四、擴(kuò)滲層的組織特征n純擴(kuò)散：形成連續(xù)固溶體純

10、擴(kuò)散：形成連續(xù)固溶體n反應(yīng)擴(kuò)散：形成新相反應(yīng)擴(kuò)散：形成新相相圖上單相區(qū)越寬，相區(qū)間的含量差相圖上單相區(qū)越寬，相區(qū)間的含量差就越大，滲入元素的流量將增加，因此就越大，滲入元素的流量將增加，因此該相層就越厚。該相層就越厚。表面表面基材心部基材心部wB(%)T15.2 熱擴(kuò)滲工藝的分類熱擴(kuò)滲工藝的分類(鋼鐵材料鋼鐵材料)n按熱擴(kuò)滲溫度：按熱擴(kuò)滲溫度： 高溫?zé)釘U(kuò)滲：高溫?zé)釘U(kuò)滲： 高于高于910，基體發(fā)生相變，變形較大，基體發(fā)生相變，變形較大 中溫?zé)釘U(kuò)滲中溫?zé)釘U(kuò)滲 低溫?zé)釘U(kuò)滲：低溫?zé)釘U(kuò)滲： 低于低于720，基體無相變，變形小，基體無相變，變形小Fe-Fe3C相圖相圖n按滲入元素：按滲入元素：非金屬元素?zé)?/p>

11、擴(kuò)滲、金屬元素?zé)釘U(kuò)滲、金屬一非金屬元素多元非金屬元素?zé)釘U(kuò)滲、金屬元素?zé)釘U(kuò)滲、金屬一非金屬元素多元共滲、擴(kuò)散退火共滲、擴(kuò)散退火(均勻化退火均勻化退火)。n按滲劑在工作溫度下物質(zhì)狀態(tài)：按滲劑在工作溫度下物質(zhì)狀態(tài)： 氣體熱擴(kuò)滲氣體熱擴(kuò)滲 液體熱擴(kuò)滲液體熱擴(kuò)滲 固體熱擴(kuò)滲固體熱擴(kuò)滲 等離子體熱擴(kuò)滲等離子體熱擴(kuò)滲 復(fù)合熱擴(kuò)滲復(fù)合熱擴(kuò)滲5.3 氣體熱擴(kuò)滲工藝氣體熱擴(kuò)滲工藝一、氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本工藝特點(diǎn)一、氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)的基本工藝特點(diǎn)n氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)：把工件置于含有滲劑原子的氣體介質(zhì)中加熱到滲劑原氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)：把工件置于含有滲劑原子的氣體介質(zhì)中加熱到滲劑原子能在基體中產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，使工件表面獲得該

12、滲劑元素的工藝子能在基體中產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，使工件表面獲得該滲劑元素的工藝過程。過程。n種類：常規(guī)氣體法、低壓氣體法和流態(tài)床法。種類：常規(guī)氣體法、低壓氣體法和流態(tài)床法。n流態(tài)化：固體顆粒在流體作用下表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的現(xiàn)象。流態(tài)化：固體顆粒在流體作用下表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的現(xiàn)象。常規(guī)氣體法：常規(guī)氣體法：n在常壓下進(jìn)行，應(yīng)用最為廣泛。在常壓下進(jìn)行，應(yīng)用最為廣泛。n主要用途：主要用途：滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲、氣體滲氮等。滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲、氣體滲氮等。n設(shè)備特點(diǎn)：設(shè)備特點(diǎn)：能密封的爐膛、促進(jìn)氣氛均勻的風(fēng)扇。能密封的爐膛、促進(jìn)氣氛均勻的風(fēng)扇。n設(shè)備種類：設(shè)備種類：周期氣體加熱爐、連續(xù)氣體加熱

13、爐。周期氣體加熱爐、連續(xù)氣體加熱爐。n周期氣體加熱爐：周期氣體加熱爐：井式、臥式、旋轉(zhuǎn)罐式。井式、臥式、旋轉(zhuǎn)罐式。n連續(xù)氣體加熱爐：連續(xù)氣體加熱爐：推桿式、網(wǎng)帶輸送式、轉(zhuǎn)底式、振動式、旋轉(zhuǎn)罐式等。推桿式、網(wǎng)帶輸送式、轉(zhuǎn)底式、振動式、旋轉(zhuǎn)罐式等。低壓氣體法低壓氣體法(真空擴(kuò)滲法真空擴(kuò)滲法)n將真空技術(shù)用于氣體熱擴(kuò)滲。將真空技術(shù)用于氣體熱擴(kuò)滲。n能有效地防止表面氧化，去除工件原有的氧化膜以及附著的油脂，使表能有效地防止表面氧化，去除工件原有的氧化膜以及附著的油脂，使表面非常潔凈而處于活化狀態(tài)，有利于快速吸收被滲物質(zhì)。面非常潔凈而處于活化狀態(tài)，有利于快速吸收被滲物質(zhì)。n特點(diǎn)：工件特點(diǎn)：工件表面表面的

14、被滲元素濃度高、熱擴(kuò)滲速度快；深孔、盲孔、狹縫的被滲元素濃度高、熱擴(kuò)滲速度快；深孔、盲孔、狹縫處以及堆放的細(xì)小零件都能獲得均勻的滲層。處以及堆放的細(xì)小零件都能獲得均勻的滲層。n用途：工模具、細(xì)小精密零件等。用途：工模具、細(xì)小精密零件等。工藝特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：產(chǎn)生活性原子氣體的滲劑可以是氣體、液體、固體，但在擴(kuò)滲爐內(nèi)都成為產(chǎn)生活性原子氣體的滲劑可以是氣體、液體、固體，但在擴(kuò)滲爐內(nèi)都成為氣體氣體；在氣體熱擴(kuò)滲過程中，滲劑可以不斷補(bǔ)充更新，使活性原子的供給、吸收在氣體熱擴(kuò)滲過程中，滲劑可以不斷補(bǔ)充更新，使活性原子的供給、吸收和向內(nèi)部擴(kuò)散的過程和向內(nèi)部擴(kuò)散的過程持續(xù)維持持續(xù)維持；可以隨時可以隨時準(zhǔn)確準(zhǔn)確

15、調(diào)整爐內(nèi)氣氛，實(shí)現(xiàn)可控?zé)釘U(kuò)滲。調(diào)整爐內(nèi)氣氛，實(shí)現(xiàn)可控?zé)釘U(kuò)滲。n工件滲層厚度均勻，易控制；工件滲層厚度均勻，易控制；n容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化生產(chǎn)；容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化生產(chǎn)；n勞動條件較好，環(huán)境污染較??；勞動條件較好，環(huán)境污染較小；n設(shè)備一次性投資較大。設(shè)備一次性投資較大。 二、氣體滲碳二、氣體滲碳1氣體滲碳工藝的基本特點(diǎn)氣體滲碳工藝的基本特點(diǎn)n氣體滲碳：在增碳的活性氣氛中，將氣體滲碳：在增碳的活性氣氛中，將低碳鋼低碳鋼或或低碳合金鋼低碳合金鋼加熱到高溫加熱到高溫(一一般為般為900950)，使活性碳原子進(jìn)入鋼的表面，以獲得高碳滲層的工藝，使活性碳原子進(jìn)入鋼的表面，以獲得高碳滲層的工藝方法。方法

16、。n氣體滲碳是目前氣體滲碳是目前研究最深入透徹研究最深入透徹、應(yīng)用范圍最廣、生產(chǎn)量最大的熱擴(kuò)滲、應(yīng)用范圍最廣、生產(chǎn)量最大的熱擴(kuò)滲工藝，絕大部分工件滲碳都是用氣體法滲碳。工藝，絕大部分工件滲碳都是用氣體法滲碳。n鋼件滲碳后：表面為表層珠光體二次滲碳體，心部為珠光體鐵素體。鋼件滲碳后：表面為表層珠光體二次滲碳體，心部為珠光體鐵素體。n滲碳層厚度：表面到過渡層一半處的距離。滲碳層厚度：表面到過渡層一半處的距離。n后續(xù)熱處理：淬火低溫（后續(xù)熱處理：淬火低溫（150200）回火。）回火。n主要性能特點(diǎn)：主要性能特點(diǎn)：表面硬度高（表面硬度高（800940HV，6065HRC）、耐磨損，）、耐磨損，心部硬度

17、低、塑性和韌性好。心部硬度低、塑性和韌性好。n用途：用途：易磨損件，易磨損件，同時同時承受較高的表面接觸應(yīng)力、彎曲力矩及沖擊負(fù)荷作用的承受較高的表面接觸應(yīng)力、彎曲力矩及沖擊負(fù)荷作用的零件等。（汽車、拖拉機(jī)的齒輪、曲軸，摩托車鏈條等）零件等。（汽車、拖拉機(jī)的齒輪、曲軸，摩托車鏈條等）2影響氣體滲碳工藝的主要因素影響氣體滲碳工藝的主要因素 (1)溫度和時間：當(dāng)工件的材質(zhì)、滲碳溫度和碳勢確定后，滲碳時間將根溫度和時間：當(dāng)工件的材質(zhì)、滲碳溫度和碳勢確定后，滲碳時間將根據(jù)滲碳層深度確定據(jù)滲碳層深度確定（淺層滲碳約（淺層滲碳約23h，常規(guī)滲碳，常規(guī)滲碳58h，深層滲碳，深層滲碳1630h）。）。(2)滲碳

18、氣氛：主要通過控制碳勢來控制氣氛的滲碳能力。滲碳?xì)夥眨褐饕ㄟ^控制碳勢來控制氣氛的滲碳能力。（碳勢：在給定溫度下，鋼件表面碳含量（碳勢：在給定溫度下，鋼件表面碳含量(奧氏體態(tài)奧氏體態(tài))與爐中氣氛達(dá)到動平衡時，鋼件與爐中氣氛達(dá)到動平衡時，鋼件表面的實(shí)際碳含量。）表面的實(shí)際碳含量。） (3)鋼的化學(xué)成分：合金元素直接影響鋼吸收碳的能力和碳向內(nèi)部擴(kuò)散。鋼的化學(xué)成分：合金元素直接影響鋼吸收碳的能力和碳向內(nèi)部擴(kuò)散。n碳化物形成元素能提高滲層表面的碳含量，增大碳的含量梯度；碳化物形成元素能提高滲層表面的碳含量，增大碳的含量梯度；n為使?jié)B碳件具有較高的韌性、適當(dāng)?shù)拇阃感约霸跐B碳溫度下鋼中晶粒不致過分長大，為

19、使?jié)B碳件具有較高的韌性、適當(dāng)?shù)拇阃感约霸跐B碳溫度下鋼中晶粒不致過分長大，滲碳鋼中常含鉻、鉬、鎳、鈦等合金元素（滲碳鋼中常含鉻、鉬、鎳、鈦等合金元素（ 20CrMoTi）。）。三、氣體滲氮三、氣體滲氮n滲氮：將氮滲入鋼件表面的過程。滲氮：將氮滲入鋼件表面的過程。n滲氮層性能特點(diǎn)：滲氮層性能特點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)）硬度可以高達(dá)）硬度可以高達(dá)9501200HV，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、紅硬性，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、紅硬性（600 650 ）和抗咬合性能亦優(yōu)于滲碳層。）和抗咬合性能亦優(yōu)于滲碳層。（缺點(diǎn)缺點(diǎn)）?。┍?約約500m)且脆性較高，不能承受過高的壓力或者載荷。且脆性較高，不能承受過高的壓力或者載荷。n工藝

20、特點(diǎn)：工藝特點(diǎn)：（優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)）鋼的滲氮溫度低）鋼的滲氮溫度低(480600)，且滲氮后工件一般隨爐冷卻，且滲氮后工件一般隨爐冷卻，工件變形很小。工件變形很小。（缺點(diǎn)缺點(diǎn)）周期長）周期長(數(shù)十至上百小時數(shù)十至上百小時)，成本高。，成本高。n設(shè)備：設(shè)備：滲劑為氨氣或氨的化合物，一般用井式氣體爐進(jìn)行。滲劑為氨氣或氨的化合物，一般用井式氣體爐進(jìn)行。n基本過程：基本過程：氨氣在高溫下分解出氮原子，氮原子被工件吸附，并向內(nèi)擴(kuò)散，形成滲氨氣在高溫下分解出氮原子，氮原子被工件吸附，并向內(nèi)擴(kuò)散，形成滲氮層。氮層。n滲氮前一般要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理滲氮前一般要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理()()Fe-N相圖相圖五個單相區(qū)五個單相區(qū)兩個共析

21、反應(yīng)兩個共析反應(yīng)心部心部表面表面n組織：組織：外層為白色的外層為白色的或或相的氮化層，中間為暗黑色含氮共析體（相的氮化層，中間為暗黑色含氮共析體（ ）層，）層，心部為回火索氏體。心部為回火索氏體。n強(qiáng)化機(jī)理：合金氮化物的彌散強(qiáng)化作用強(qiáng)化機(jī)理：合金氮化物的彌散強(qiáng)化作用氮化物自身具有很高的硬度，且其晶格常數(shù)比基材氮化物自身具有很高的硬度，且其晶格常數(shù)比基材Fe的大得多，當(dāng)它與母相保的大得多，當(dāng)它與母相保持共格聯(lián)系時，使得持共格聯(lián)系時，使得Fe晶格產(chǎn)生很大的畸變，導(dǎo)致強(qiáng)化效應(yīng)。晶格產(chǎn)生很大的畸變，導(dǎo)致強(qiáng)化效應(yīng)。（滲氮溫度太高，氮化物尺寸太大，將破壞和母相的共格關(guān)系，降低滲氮層的硬度。）（滲氮溫度太高

22、，氮化物尺寸太大，將破壞和母相的共格關(guān)系，降低滲氮層的硬度。）n應(yīng)用：應(yīng)用：銷、軸類和銷、軸類和輕載輕載齒輪等齒輪等四、氣體碳氮共滲和氮碳共滲四、氣體碳氮共滲和氮碳共滲n碳、氮共滲是在滲碳和滲氮基礎(chǔ)上發(fā)展起來的二元共滲工藝。碳、氮共滲是在滲碳和滲氮基礎(chǔ)上發(fā)展起來的二元共滲工藝。n碳氮共滲：在碳氮共滲：在780930 碳、氮共滲以滲碳為主。碳、氮共滲以滲碳為主。n與滲碳相比，碳氮共滲：與滲碳相比，碳氮共滲：1.能在能在較低的溫度較低的溫度熱擴(kuò)滲，零件晶粒不易長大；處理后可以直接淬火；零熱擴(kuò)滲，零件晶粒不易長大；處理后可以直接淬火；零件變形開裂傾向小；件變形開裂傾向?。?.氮的滲入氮的滲入不僅擴(kuò)大

23、了不僅擴(kuò)大了相區(qū)（使?jié)B層的碳含量升高），而且提高了奧氏體相區(qū)（使?jié)B層的碳含量升高），而且提高了奧氏體的穩(wěn)定性，即提高了滲層的淬透性和淬硬性；而且滲層表面殘存一定的的穩(wěn)定性，即提高了滲層的淬透性和淬硬性；而且滲層表面殘存一定的壓應(yīng)力，提高了零件的疲勞強(qiáng)度。壓應(yīng)力，提高了零件的疲勞強(qiáng)度。 3.其疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性、抗回火穩(wěn)定性等都更高。其疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性、抗回火穩(wěn)定性等都更高。n氮碳共滲：在氮碳共滲：在520580 碳、氮共滲以滲氮為主。碳、氮共滲以滲氮為主。（滲層硬度比滲氮層略低，俗稱軟氮化）（滲層硬度比滲氮層略低，俗稱軟氮化）n與滲氮相比，氮碳共滲所需時間大大縮短（與滲氮相比，氮

24、碳共滲所需時間大大縮短（23小小時時）；表面化合物層中不含）；表面化合物層中不含脆性相，滲層韌性好，脆性相，滲層韌性好，裂紋敏感性小。（裂紋敏感性小。（其它性能與滲氮相似其它性能與滲氮相似。）。）n氮碳共滲是一種表面硬度高、耐磨損、抗疲勞、尺氮碳共滲是一種表面硬度高、耐磨損、抗疲勞、尺寸變形小的熱擴(kuò)滲工藝。寸變形小的熱擴(kuò)滲工藝。5.4 液體熱擴(kuò)滲液體熱擴(kuò)滲n定義：定義： 將工件浸漬在熔融液體中，使表面滲入一種或幾種元素的熱擴(kuò)將工件浸漬在熔融液體中，使表面滲入一種或幾種元素的熱擴(kuò)滲工藝方法。滲工藝方法。n分類：分類： 鹽浴法、鹽浴法、熱浸法熱浸法、熔燒法。、熔燒法。n熱浸法熱浸法1.定義：將工件

25、直接浸入液態(tài)金屬中，經(jīng)定義：將工件直接浸入液態(tài)金屬中，經(jīng)較短較短時間保溫即形成合金層。時間保溫即形成合金層。2.常見：鋼鐵制品的熱浸鋅、熱浸鋁、熱浸錫常見：鋼鐵制品的熱浸鋅、熱浸鋁、熱浸錫(陰極性履層陰極性履層)等。等。3.特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高。特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高。 滲層厚度不易均勻，且只適于浸滲熔點(diǎn)較低的金屬。滲層厚度不易均勻，且只適于浸滲熔點(diǎn)較低的金屬。一、低溫鹽浴共滲法一、低溫鹽浴共滲法二、硼砂熔鹽金屬履層技術(shù)（二、硼砂熔鹽金屬履層技術(shù)（T.D法）法）（復(fù)習(xí)、自學(xué)）（復(fù)習(xí)、自學(xué)）三、熱浸鋅和熱浸鋁三、熱浸鋅和熱浸鋁1. 熱浸滲工藝的基本特點(diǎn)：熱浸滲工藝的基本特點(diǎn)：n熱浸鋅和熱浸鋁是熱浸法中熱浸

26、鋅和熱浸鋁是熱浸法中最常用最常用的工藝。的工藝。n熱浸鋅或鋁就是將鋼材或工件浸漬到熔融鋅液或鋁液中，使鋼材或工熱浸鋅或鋁就是將鋼材或工件浸漬到熔融鋅液或鋁液中，使鋼材或工件表面形成鋅及件表面形成鋅及鋅鐵合金鋅鐵合金層或鋁及層或鋁及鋁合金鋁合金層的方法。層的方法。n熱擴(kuò)滲鋅是世界各國公認(rèn)的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料表面保護(hù)工藝。廣泛熱擴(kuò)滲鋅是世界各國公認(rèn)的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料表面保護(hù)工藝。廣泛應(yīng)用于在大氣和應(yīng)用于在大氣和海洋海洋中工作的鋼鐵工件上。中工作的鋼鐵工件上。（熱鍍鋅約占鍍鋅總量的（熱鍍鋅約占鍍鋅總量的95%，熱鍍鋅用鋅量在世界范圍內(nèi)占鋅產(chǎn)量的，熱鍍鋅用鋅量在世界范圍內(nèi)占鋅產(chǎn)量的40%，在中國約占

27、鋅產(chǎn)量的在中國約占鋅產(chǎn)量的30%左右。）左右。）n熱浸鋅方法熱浸鋅方法特點(diǎn)特點(diǎn)： 生產(chǎn)成本低、效率高、操作簡單、生產(chǎn)工藝可靠、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和生產(chǎn)成本低、效率高、操作簡單、生產(chǎn)工藝可靠、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更廣泛。自動化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更廣泛。n熱擴(kuò)滲鋅層比電鍍鋅層具有良好的耐腐蝕能力，更高的硬度和耐磨性。熱擴(kuò)滲鋅層比電鍍鋅層具有良好的耐腐蝕能力，更高的硬度和耐磨性。n滲鋁是一種既可以保持工件的基體韌性，又可以提高表面的抗氧化和耐滲鋁是一種既可以保持工件的基體韌性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蝕能力的方法。腐蝕能力的方法。n熱浸鋁層比熱浸鋅層更耐大氣腐蝕。熱浸鋁層比熱浸鋅層更耐大氣腐

28、蝕。鋅鋅:熔點(diǎn)熔點(diǎn)420，價格，價格1.5萬元萬元/噸噸n熱浸滲過程：熱浸滲過程：熱能為反應(yīng)的主驅(qū)動力。熱能為反應(yīng)的主驅(qū)動力。 溶解溶解 形成合金層形成合金層 擴(kuò)散擴(kuò)散 形成固溶體或形成固溶體或金屬間化合物金屬間化合物 包絡(luò)包絡(luò) 獲得純金屬層獲得純金屬層(與電鍍層相似與電鍍層相似)心部心部表面表面2. 熱浸滲的工藝方法熱浸滲的工藝方法n熱浸滲工藝種類：熱浸滲工藝種類：溶劑法溶劑法(濕法和干法濕法和干法)、氧化還原法、氧化還原法(森吉米爾法森吉米爾法)。兩種方法是按脫脂除銹、表面保潔方式來分類的。兩種方法是按脫脂除銹、表面保潔方式來分類的。3. 熱浸鋅的工藝和性能熱浸鋅的工藝和性能 熱浸鋅層由基

29、體向表面有多相組織，各相組織的硬度和韌性等都不一樣。熱浸鋅層由基體向表面有多相組織，各相組織的硬度和韌性等都不一樣。熱浸鋅工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力高、致密且具有良好外觀的熱熱浸鋅工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力高、致密且具有良好外觀的熱浸鋅層。浸鋅層。n熱浸鋅方法種類：熱浸鋅方法種類： 濕法熱浸鋅、干法熱浸鋅、氧化還原法熱浸鋅、鉛鋅法熱浸鋅、單濕法熱浸鋅、干法熱浸鋅、氧化還原法熱浸鋅、鉛鋅法熱浸鋅、單面熱浸鋅等。面熱浸鋅等。 國內(nèi)應(yīng)用最多的是：干法熱浸鋅和氧化還原法熱浸鋅。國內(nèi)應(yīng)用最多的是：干法熱浸鋅和氧化還原法熱浸鋅。n鋅液：鋅液：Zn-Al，Zn-Ni等等n決定浸鋅質(zhì)量的主要工

30、藝參數(shù)：決定浸鋅質(zhì)量的主要工藝參數(shù)：（1）鋅液溫度）鋅液溫度(440-465)溫度低，鋅液的粘度增加，浸鋅層厚度及不均勻性增加。溫度低，鋅液的粘度增加，浸鋅層厚度及不均勻性增加。溫度高，浸鋅層的塑性降低，鋅鍋使用壽命縮短；高于溫度高，浸鋅層的塑性降低，鋅鍋使用壽命縮短；高于480 時，鋅液對基體鐵時，鋅液對基體鐵溶解速度加快，對鋅鍋和工件都有害。溶解速度加快，對鋅鍋和工件都有害。（2）浸漬時間（）浸漬時間（10-30s）和從鋅液中抽出的速度）和從鋅液中抽出的速度在熱浸鋅工作溫度范圍內(nèi)在熱浸鋅工作溫度范圍內(nèi)，浸漬時間每增加四倍，合金層的重量增加一倍。，浸漬時間每增加四倍，合金層的重量增加一倍。抽

31、出速度低，純鋅層薄；抽出速度過慢，則使純鋅層太薄，浸鋅層幾乎全由鐵鋅合抽出速度低，純鋅層??；抽出速度過慢，則使純鋅層太薄，浸鋅層幾乎全由鐵鋅合金層組成，浸鋅層的塑性降低。金層組成，浸鋅層的塑性降低。抽出速度高，純鋅層厚；抽出速度過快時，帶出的鋅液來不及滴盡，使工件或鋼材抽出速度高，純鋅層厚；抽出速度過快時，帶出的鋅液來不及滴盡，使工件或鋼材附著過量的鋅液而凸凹不平。附著過量的鋅液而凸凹不平。n熱浸鋅層的耐腐蝕性能：熱浸鋅層的耐腐蝕性能：保護(hù)膜保護(hù)：鋅在大氣中形成一層致密、緊固、耐腐蝕的保護(hù)膜保護(hù)：鋅在大氣中形成一層致密、緊固、耐腐蝕的 ZnCO33Zn(OH) 3保護(hù)膜。保護(hù)膜。陰極保護(hù)作用：

32、陰極保護(hù)作用：鋅層有局部損壞時，鋅可作犧牲陽極。鋅層有局部損壞時，鋅可作犧牲陽極。n熱浸鋅層的耐大氣腐蝕能力與鋅層的厚度有關(guān)。熱浸鋅層的耐大氣腐蝕能力與鋅層的厚度有關(guān)。n熱浸鋅應(yīng)用非常廣泛。熱浸鋅應(yīng)用非常廣泛。熱浸鋅材料與工件熱浸鋅材料與工件4熱浸鋁工藝和性能熱浸鋁工藝和性能n影響熱浸鋁層厚度和性能的因素：影響熱浸鋁層厚度和性能的因素：（1）基體（鋼）的化學(xué)成分）基體（鋼）的化學(xué)成分鋼中碳、硅含量增加及添加鉻、錳等元素，熱浸鋁層厚度減少。鋼中碳、硅含量增加及添加鉻、錳等元素，熱浸鋁層厚度減少。（2）鋁液的成分）鋁液的成分鋅能提高鋁液與鋼基的反應(yīng)速度和滲層的附著性；鋅能提高鋁液與鋼基的反應(yīng)速度和

33、滲層的附著性；硅能提高鋁液的流動性，降低合金層的厚度和硬度；硅能提高鋁液的流動性，降低合金層的厚度和硬度；鐵會增大鋁液粘度，影響滲層厚度和耐蝕性。鐵會增大鋁液粘度，影響滲層厚度和耐蝕性。（3）浸鋁的溫度）浸鋁的溫度(700-930)和時間（和時間（1020min）隨著溫度的增高，熱浸鋁層的厚度增加，但熱浸鋁層中隨著溫度的增高，熱浸鋁層的厚度增加，但熱浸鋁層中Fe2Al5相也急劇增加，塑性相也急劇增加，塑性降低，浸鋁鍋的使用壽命也縮短。降低，浸鋁鍋的使用壽命也縮短。熱浸鋁層的厚度隨浸鋁時間延長而呈對數(shù)曲線增加。熱浸鋁層的厚度隨浸鋁時間延長而呈對數(shù)曲線增加。（4）從鋁液中抽出的速度）從鋁液中抽出的

34、速度（與（與“從鋅液中抽出的速度從鋅液中抽出的速度”相似）相似）從鋁液中抽出的速度越高，純鋁層越厚。從鋁液中抽出的速度越高，純鋁層越厚。n根據(jù)用途不同，熱浸鋁鋼材和工件可分為耐蝕用品和耐高溫氧化根據(jù)用途不同，熱浸鋁鋼材和工件可分為耐蝕用品和耐高溫氧化用品，后者必須進(jìn)行用品，后者必須進(jìn)行擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火（一般是在（一般是在900980的空氣加熱爐內(nèi)的空氣加熱爐內(nèi)保溫保溫46h，使?jié)B鋁層表面形成連續(xù)而致密的，使?jié)B鋁層表面形成連續(xù)而致密的Al2O3膜，保護(hù)基體不繼續(xù)膜，保護(hù)基體不繼續(xù)氧化，同時增加滲鋁層的厚度。）氧化，同時增加滲鋁層的厚度。）n擴(kuò)散退火后熱浸鋁層抗高溫氧化性能良好。擴(kuò)散退火后熱浸鋁層

35、抗高溫氧化性能良好。n滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕的最有效方法之一。滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕的最有效方法之一。n在大氣條件下，熱浸鋁鋼比熱浸鋅鋼具有更好的耐蝕性在大氣條件下，熱浸鋁鋼比熱浸鋅鋼具有更好的耐蝕性。熱浸鋅與熱浸鋁熱浸鋅與熱浸鋁鋅鋅:熔點(diǎn)熔點(diǎn)420，價格，價格1.4萬元萬元/噸噸浸鋅溫度：浸鋅溫度：440-465浸鋅時間：浸鋅時間：1030s2007年，國外熱浸滲鋁鋼板年產(chǎn)量年，國外熱浸滲鋁鋼板年產(chǎn)量約達(dá)約達(dá)100萬噸，熱浸滲鋁各種型材約達(dá)萬噸，熱浸滲鋁各種型材約達(dá)200萬噸。萬噸。 鋁鋁:熔點(diǎn)熔點(diǎn)660，價格約，價格約1.3萬元萬元/噸噸2007年，國內(nèi)鍍鋅（熱浸鋅電鍍鋅）

36、鋼年，國內(nèi)鍍鋅（熱浸鋅電鍍鋅）鋼板產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到板產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到2,500萬噸，萬噸，產(chǎn)量產(chǎn)量 1800萬噸萬噸，進(jìn)口量進(jìn)口量 380萬噸，出口量萬噸，出口量420萬噸，消費(fèi)量萬噸，消費(fèi)量 1760萬噸，增量萬噸，增量360萬噸萬噸。（來源：（來源：http:/ 浸鋁溫度：浸鋁溫度：700-930浸鋁時間：浸鋁時間：1020min5.5 固體熱擴(kuò)滲固體熱擴(kuò)滲（復(fù)習(xí)、自學(xué)）（復(fù)習(xí)、自學(xué)）一、固體熱擴(kuò)滲的基本特點(diǎn)一、固體熱擴(kuò)滲的基本特點(diǎn)二、固體滲硼二、固體滲硼5.6 等離子體熱擴(kuò)滲等離子體熱擴(kuò)滲一、等離子體熱擴(kuò)滲的基本特點(diǎn)一、等離子體熱擴(kuò)滲的基本特點(diǎn)n定義：定義： 利用低真空中氣體利用低真空中氣體輝光

37、放電輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，形成熱擴(kuò)滲層的工藝過程。產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，形成熱擴(kuò)滲層的工藝過程。n特點(diǎn)特點(diǎn)（與普通氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)相比）（與普通氣體熱擴(kuò)滲技術(shù)相比）：(1)可去除氧化膜和鈍化膜，能進(jìn)行有效熱擴(kuò)滲；可去除氧化膜和鈍化膜，能進(jìn)行有效熱擴(kuò)滲；(2)表面高度活化表面高度活化，被滲元素為，被滲元素為能量較高能量較高的離子和活性原子，熱擴(kuò)滲速度快；的離子和活性原子，熱擴(kuò)滲速度快；(3)熱擴(kuò)滲層組織容易控制；熱擴(kuò)滲層組織容易控制；(4)易實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動控制。易實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動控制。離子滲氮（碳、硫）離子滲氮（碳、硫）二、等離子體熱擴(kuò)滲原理二、等離子體熱擴(kuò)滲原理 在離子熱擴(kuò)滲中

38、，欲滲元素的離子的產(chǎn)生和運(yùn)動都由在離子熱擴(kuò)滲中，欲滲元素的離子的產(chǎn)生和運(yùn)動都由低真空低真空中氣中氣體輝光放電的產(chǎn)生條件和輝光區(qū)的特性決定。體輝光放電的產(chǎn)生條件和輝光區(qū)的特性決定。n 等離子體種類及特點(diǎn)：等離子體種類及特點(diǎn)：(P102)高溫高壓等離子體：電離度高溫高壓等離子體：電離度100%，溫度可達(dá)幾億度，溫度可達(dá)幾億度（核聚變）（核聚變）低溫低壓等離子體：電離度不足低溫低壓等離子體：電離度不足1%，溫度僅為，溫度僅為50-250（熱擴(kuò)滲）（熱擴(kuò)滲）高溫低壓等離子體：電離度高于高溫低壓等離子體：電離度高于1%，溫度為幾萬度，溫度為幾萬度（熱噴涂）（熱噴涂）真空區(qū)域的劃分：真空區(qū)域的劃分： 目前

39、尚無統(tǒng)一規(guī)定，常見的劃分為：目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，常見的劃分為：n粗真空：粗真空：105-102Pa，變化不大；壓力差，變化不大；壓力差n低真空：低真空：102-10-1Pa，粘稠滯流狀態(tài)過渡為分子狀態(tài)；氣體放電、真空熱，粘稠滯流狀態(tài)過渡為分子狀態(tài)；氣體放電、真空熱處理和真空脫水處理和真空脫水n高真空：高真空：10-1-10-6Pa，分子間碰撞基本不發(fā)生；鍍膜工作壓強(qiáng)，分子間碰撞基本不發(fā)生；鍍膜工作壓強(qiáng)n超高真空：超高真空：10-6-10-10Pa，分子間碰撞極少；純凈的氣體和固體表面，分子間碰撞極少；純凈的氣體和固體表面n極高真空：極高真空：10-10Pa，分子間不發(fā)生碰撞；科學(xué)研究用，分子間不

40、發(fā)生碰撞；科學(xué)研究用1、氣體放電方式及伏安特性曲線、氣體放電方式及伏安特性曲線起輝起輝等離子體熱擴(kuò)滲利用的是等離子體熱擴(kuò)滲利用的是異常輝異常輝光放電區(qū)：光放電區(qū)：1、陰極（工件）表面陰極（工件）表面全部全部被輝被輝光覆蓋，能均勻加熱工件；光覆蓋，能均勻加熱工件；2、陰極表面電流密度可控、陰極表面電流密度可控且數(shù)且數(shù)值較大值較大。被激放電區(qū)被激放電區(qū)自激放電區(qū)自激放電區(qū)正常輝光放電區(qū)正常輝光放電區(qū)弧光放電區(qū)弧光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)異常輝光放電區(qū)2、輝光放電的光區(qū)、輝光放電的光區(qū)陰極輝光區(qū)陰極輝光區(qū)可利用可利用“輝光厚度輝光厚度”的特性來的特性來控制擴(kuò)滲區(qū)域。控制擴(kuò)滲區(qū)域。一般通過調(diào)整一般通過調(diào)整

41、氣壓氣壓來控制輝光來控制輝光層厚度：氣壓越高，輝光層越層厚度：氣壓越高，輝光層越薄，亮度越集中。薄，亮度越集中。起輝起輝3、陰極濺射、陰極濺射n陰極濺射陰極濺射(定義定義)：在輝光放電時，電離出來的正離子：在輝光放電時，電離出來的正離子(荷能離子荷能離子)，在電場作用下轟擊，在電場作用下轟擊陰極表面，并使陰極材料的某些原子和電子逸出表面的現(xiàn)象。陰極表面，并使陰極材料的某些原子和電子逸出表面的現(xiàn)象。n濺射系數(shù)：單個正離子轟擊陰極表面而濺射出來的原子數(shù)。（濺射系數(shù)：單個正離子轟擊陰極表面而濺射出來的原子數(shù)。（統(tǒng)計(jì)平均值統(tǒng)計(jì)平均值）n濺射系數(shù)隨離子能量的增加而增加，濺射系數(shù)隨離子能量的增加而增加，到極大值后則減少到極大值后則減少；并且隨著離子流密度的提；并且隨著離子流密度的提高而增加，但到一定的離子流密度后就不再受其影響。高而增加，但到一定的離子流密度后就不再受其影響。n在離子熱擴(kuò)滲中，開始階段利用在離子熱擴(kuò)滲中，開始階段利用強(qiáng)強(qiáng)陰極濺射清潔工件表面；熱擴(kuò)滲時陰極濺射清潔工件表面；熱擴(kuò)滲時控制控制陰極濺射陰極濺射以保持工件表面的粗糙度和獲得所需的滲層組織。以保持工件表面的粗糙度和獲得所需的滲層組織。三、離子滲氮三、離子滲氮1. 離子滲氮工藝特點(diǎn)離子滲氮工藝特點(diǎn)n離子滲氮（離子滲氮（定義定義）：）：利用輝光放電現(xiàn)象，將含氮?dú)怏w介質(zhì)利用輝光放