第六章第三節(jié)金屬表面化學(xué)熱處理教材課件

第三節(jié)金屬表面化學(xué)熱處理

12/3/20221第三節(jié)金屬表面化學(xué)熱處理12/1/20221一、概述

（一）金屬表面化學(xué)熱處理過(guò)程

金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。其基本工藝過(guò)程是：首先將工件置于含有滲入元素的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使活性介質(zhì)通過(guò)分解，并釋放出欲滲入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金屬表層擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層，從而改變表層的成分、組織和性能。

12/3/20222一、概述（一）金屬表面化學(xué)熱處理過(guò)程12/1/20222熱滲鍍→化學(xué)熱處理用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層，但有時(shí)表面上還會(huì)殘留一薄的覆層。因此被稱(chēng)為熱滲鍍。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作用，因而不存在結(jié)合力不足的問(wèn)題。

熱滲鍍材料的選擇范圍很寬，滲入不同元素可得到不同組織和性能的表面，這些性能包括耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫氧化性等。

12/3/20223熱滲鍍→化學(xué)熱處理用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金（二）金屬表面化學(xué)熱處理的目的（1）提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到950HV～1200HV；滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到1400HV～2000HV等，因而工件表面具有極高的耐磨性。

12/3/20224（二）金屬表面化學(xué)熱處理的目的（1）提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度（2）提高材料疲勞強(qiáng)度。如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。（3）使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。（4）提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。12/3/20225（2）提高材料疲勞強(qiáng)度。12/1/20225（三）化學(xué)熱處理滲層的基本組織類(lèi)型（1）形成單相固溶體。如滲碳層中的α鐵素體相等。（2）形成化合物。如滲氮層中的ε相（F2-3N），滲硼層中Fe2B等。（3）化學(xué)熱處理后，一般可同時(shí)存在固溶體、化合物的多相滲層。12/3/20226（三）化學(xué)熱處理滲層的基本組織類(lèi)型（1）形成單相固溶體。如滲（四）化學(xué)熱處理種類(lèi)

根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類(lèi)：（1）固體法：包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層（電鍍層、噴鍍層等）擴(kuò)散法等。（2）液體法：包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。（3）氣體法：包括固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等。（4）等離子法：12/3/20227（四）化學(xué)熱處理種類(lèi)根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)按復(fù)合手段劃分有電泳滲、料漿滲（或膏劑滲）、噴涂滲、電鍍滲、化學(xué)鍍滲等。12/3/2022812/1/20228熱滲鍍---化學(xué)熱處理12/3/20229熱滲鍍---化學(xué)熱處理12/1/202291．固滲法①粉末包滲法在粉末中加入了防粘結(jié)粉末（如Al2O3）和活化劑（助滲劑）?；罨瘎┮话銥辂u化物，如MH4CI，MH4Br，MH4I等。包滲示意圖見(jiàn)圖4-2。以NH4Cl為例，加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)：

12/3/2022101．固滲法①粉末包滲法12/1/202210粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，適用于形狀復(fù)雜的工件的滲鍍；缺點(diǎn):效率低，尺寸受限制，溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，基體金屬的強(qiáng)度有一定降低。

12/3/202211粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn):12/1/202211②流化床法與粉末包滲法相似，不同之處是將工件放于帶有固體滲劑的流化床內(nèi)，然后加熱，同時(shí)通人鹵氣和運(yùn)載氣體（H2，Ar），使之與流體粒子反應(yīng)產(chǎn)生欲滲金屬的活性原子滲入工件。特點(diǎn)：傳熱性好，滲速快，滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)械化和自動(dòng)化；缺點(diǎn)：流化床設(shè)備裝置成本極高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大，因此這種方法尚未推廣使用。

12/3/202212②流化床法與粉末包滲法相似，不同之處是將工件放2．液滲法

①熱浸法將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，經(jīng)較短時(shí)間即形成合金鍍層。當(dāng)浸漬時(shí)間極短時(shí)，所形成的鍍層只是附著層而不是擴(kuò)散層，因而與基體金屬結(jié)合不牢固，因此一般在熱浸后還要加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散，以形成合金層。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，因而被廣泛采用。這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等。

12/3/2022132．液滲法①熱浸法12/1/202213②熔燒法熔燒法是把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將料漿均勻涂敷于工件表面上，干燥后在惰性氣體或真空環(huán)境中以稍高于料漿熔點(diǎn)的溫度加熱燒結(jié)．通過(guò)液固界面擴(kuò)散而形成合金層。與熱浸法相比，該法能獲得成分和厚度都很均勻的滲層，同時(shí)具有熱傳遞性好、滲速快等特點(diǎn)。12/3/202214②熔燒法熔燒法是把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將③鹽浴法鹽浴法是目前世界上采用的較新的熱滲鍍技術(shù)，其基本原理是在金屬鹽熔融液體中加入V，Nb，Cr，Ti，Ta等鐵合金粉末，然后把含有較高C，N的鋼件浸入（可預(yù)先進(jìn)行滲碳、氮化或碳、氮共滲），在800—1250℃溫度下，經(jīng)過(guò)0.5—10h的時(shí)間后，可在表面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予工件表面高的耐磨性。

12/3/202215③鹽浴法鹽浴法是目前世界上采用的較新的熱滲鍍技3．氣滲法

氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，然后把含有滲鍍金屬鹵化物（MCl2）的氫氣通入，氣體和表面接觸時(shí)，工件表面的金屬A和氫本身與MCl2發(fā)生反應(yīng)。

反應(yīng)生成的活性原子［M］滲入工件表面。12/3/2022163．氣滲法氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)實(shí)現(xiàn)氣滲工藝的具體方法很多，大致可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是滲鍍金屬同工件不在同一空間，用氫氣做載體把欲滲金屬的鹵化物運(yùn)載到工件表面；另一類(lèi)是滲鍍金屬同工件在同一空間，使HCl氣體先流過(guò)被加熱了的滲劑金屬產(chǎn)生金屬氯化物氣體，隨后使氯化物氣體流經(jīng)金屬表面，置換出活性原子［M」，進(jìn)行滲鍍。。優(yōu)點(diǎn)：滲層厚度均勻，易控制，對(duì)異形件和小孔結(jié)構(gòu)的滲鍍效果好，且無(wú)粉塵，勞動(dòng)條件好。12/3/202217實(shí)現(xiàn)氣滲工藝的具體方法很多，大致可分為兩大類(lèi)：12/1/204．離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體進(jìn)行滲鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的，因?yàn)殡x子活性比原子高，加上電場(chǎng)的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好。但是該法除離子氮化已經(jīng)成熟，包括滲碳在內(nèi)的離子滲金屬尚在開(kāi)發(fā)之中。12/3/2022184．離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)——等離子5．復(fù)合滲

復(fù)合滲實(shí)際上是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在工件表面制造一固相涂層，然后把工件連同涂層一起加熱。加熱的方法很多，諸如普通加熱爐加熱、高頻感應(yīng)加熱、通電加熱、輝光放電加熱，以及電子束、離子束加熱等。

①電泳滲、②料漿滲（或稱(chēng)膏劑滲）、③噴鍍滲、④電鍍滲、⑤化學(xué)鍍滲、⑥真空滲鍍

12/3/2022195．復(fù)合滲復(fù)合滲實(shí)際上是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在熱滲鍍?cè)頍釢B鍍的基本過(guò)程應(yīng)包括四個(gè)步驟，即：①介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物；②反應(yīng)物通過(guò)擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面，此稱(chēng)為外擴(kuò)散；③反應(yīng)物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應(yīng)；④界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達(dá)到一定的深度，此稱(chēng)內(nèi)擴(kuò)散。

12/3/202220熱滲鍍?cè)頍釢B鍍的基本過(guò)程應(yīng)包括四個(gè)步驟，即：12/1/20在這四個(gè)步驟中，最值得注意的是進(jìn)行最慢的步驟，或者說(shuō)是控制步驟。一般說(shuō)來(lái)步驟①速度快，不會(huì)對(duì)整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生阻礙作用。步驟②雖然是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，但此擴(kuò)散是在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn)行，擴(kuò)散速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素在固態(tài)內(nèi)的擴(kuò)散，因而也不可能成為控制步驟。實(shí)踐證明后兩個(gè)步驟都有可能成為過(guò)程中的控制步驟。

實(shí)踐中可根據(jù)滲層深度和時(shí)間的關(guān)系來(lái)判定究竟是步驟③還是④是控制步驟。

12/3/202221在這四個(gè)步驟中，最值得注意的是進(jìn)行最慢的步驟，或者說(shuō)是控制步滲碳過(guò)程以水煤氣的滲碳過(guò)程為例，其四個(gè)過(guò)程可示意性地表示于圖中

12/3/202222滲碳過(guò)程以水煤氣的滲碳過(guò)程為例，其四個(gè)過(guò)程可示意性地表示于圖滲層的形成條件

滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的薄合金層，所以，滲鍍的條件是：1）滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物；2）滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，或者說(shuō)滲入元素可以在界面被吸附；3）必須保持一定的溫度，即使原子獲得足夠的擴(kuò)散動(dòng)力；4）生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件。

12/3/202223滲層的形成條件滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的TRD滲鍍法

TRD（SurfaceCoatingbyThermo-ReactiveDepositionandDiffusion）稱(chēng)為熱反應(yīng)沉積和擴(kuò)散的表面覆層法，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)RD滲鍍法或TD法。該工藝是日本豐田中央研究所開(kāi)發(fā)的。具體工藝有熔鹽浸鍍法、電解法及粉末法。應(yīng)用最廣泛的是用熔鹽浸鍍法在工件表面上涂覆VC，NbC，CrxCy等碳化物。該工藝于1971年開(kāi)始投入應(yīng)用。。

12/3/202224TRD滲鍍法TRD（SurfaceCoatingby處理方法

將70％～90％的硼砂放入耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩堝中加入可形成欲鍍覆的碳化物的物質(zhì)。例如欲涂VC時(shí)，加入Fe－V的合金粉末或V2O5粉末，將含碳的鋼件浸入此鹽浴中，在800～1200℃保溫1～10h，便得到了僅由碳化物鍍覆的表面層。12/3/202225處理方法將70％～90％的硼砂放入耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩處理方法如需鍍覆NbC、CrxCy,則在鹽浴中加入Fe－Nb，Nb2O5，F(xiàn)e-Cr，Cr2O3合金粉末或金屬氧化物粉末。若采用金屬氧化物，還需在鹽浴中添加Al，Ca，Ti，F(xiàn)e-Ti，F(xiàn)e-Al等物質(zhì)，以保持鹽浴的活性，使金屬原子得以在鹽浴中被還原出來(lái)。碳的來(lái)源完全依靠鋼中自身的碳向外擴(kuò)散。12/3/202226處理方法如需鍍覆NbC、CrxCy,則在鹽浴中加入Fe－N12/3/20222712/1/202227影響涂層厚度的因素

影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)間和鋼中的含碳量。鍍層成長(zhǎng)的速率主要取決于碳原子的擴(kuò)散速率。按A的不同，若要在鋼的表面形成5～10μm厚的碳化物，約需30分鐘到數(shù)小時(shí)。顯然鋼中的含碳量越高，溫度越高，鍍層增厚越快。12/3/202228影響涂層厚度的因素影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)鍍層性能

X射線分析發(fā)現(xiàn)，TD法所得鍍層幾乎全由純碳化物組成，碳化物層的成分不受基體金屬的影響，不存在Fe，O，P，S等成分。典型的VC鍍層無(wú)微孔，在顯微鏡下呈白亮色，基體金屬與碳化物層之間有清晰的界面。不過(guò)，如在1050℃處理，則碳化物形成元素將擴(kuò)散到基體金屬中，這對(duì)改善鍍層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度十分有利。

12/3/202229鍍層性能X射線分析發(fā)現(xiàn)，TD法所得鍍層幾乎全由純碳化物組成1．硬度

TD法所得鍍層硬度大大高于淬火、鍍鉻或氮化的硬度；VC和TiC的硬度約為HV3000，NbC約為HV2500，VC，CrxCy，NbC在800℃以上仍有HV800以上的高硬度。

12/3/2022301．硬度TD法所得鍍層硬度大大高于淬火、鍍鉻或氮化的硬度；12/3/20223112/1/2022312．耐磨性快速磨損試驗(yàn)機(jī)研究了以SCM15為配對(duì)材料、幾種鋼經(jīng)TD處理或其它處理的磨損量，發(fā)現(xiàn):鍍覆VC，NbC，TiC的耐磨性顯然比氮化、滲硼、鍍鉻、放電硬化等其它表面處理優(yōu)越而與硬質(zhì)合金的耐磨性相同或更好，與用CVD和PVD法鍍覆的TiC層耐磨性相同。12/3/2022322．耐磨性快速磨損試驗(yàn)機(jī)研究了以SCM15為配對(duì)材料、幾種鋼3．抗熱粘結(jié)性

研究表明：以鋼、銅及鉛為配對(duì)材料的抗熱粘結(jié)性，發(fā)現(xiàn)鍍覆VC，NbC，TiC的材料與未作鍍覆處理的或作其它表面處理的材料相比，前者卻不易發(fā)生熱粘結(jié)。跟易于發(fā)生熱粘結(jié)的不銹鋼進(jìn)行環(huán)壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂覆碳化物也具有良好的抗熱粘結(jié)性。

12/3/2022333．抗熱粘結(jié)性研究表明：以鋼、銅及鉛為配對(duì)材料的抗熱粘結(jié)性4．抗剝離性

用鋼球反復(fù)撞擊試樣的同一部位，研究鍍層的開(kāi)裂或剝離情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)TD處理的VC，NbC及CrxCy鍍層即使撞擊20萬(wàn)次也不發(fā)生裂紋或剝離；而用CVD和PVD處理的TiC鍍層撞擊5～10萬(wàn)次鍍層即剝離。

12/3/2022344．抗剝離性用鋼球反復(fù)撞擊試樣的同一部位，研究鍍層的開(kāi)裂或5．抗氧化及耐蝕性

抗氧化性的好壞隨鍍覆的碳化物種類(lèi)的不同而不同。VC，NbC在500℃的大氣中幾乎不氧化，不過(guò)若在600℃下保溫1h會(huì)有幾微米的碳化物層被氧化。

鍍覆VC，NbC，CrxCy的鋼對(duì)于鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、苛性鈉都有良好的耐蝕性，但要避免微孔等缺陷。

12/3/2022355．抗氧化及耐蝕性抗氧化性的好壞隨鍍覆的碳化物種類(lèi)的不同而6．韌脆性

軟氮化或滲碳處理會(huì)使材料的韌性降低，而TD處理的材料進(jìn)行艾氏沖擊試驗(yàn)或缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其韌性與淬火回火鋼大體處于同一水平。

12/3/2022366．韌脆性軟氮化或滲碳處理會(huì)使材料的韌性降低TRD處理的應(yīng)用及與PVD和CVD鍍層性能的比較

TD處理已經(jīng)在幾乎所有需要耐磨的領(lǐng)域中得到成功的應(yīng)用。在沖壓模。冷鍛模、鑄模等方面的應(yīng)用也是比較多的。

用CVD，PVD和TD法都可以得到薄的碳化物層，但比較起來(lái)TD法有許多優(yōu)點(diǎn)。諸如：

12/3/202237TRD處理的應(yīng)用及與PVD和CVD鍍層性能的比較TD處理已TD法的優(yōu)點(diǎn)①設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；②操作簡(jiǎn)便；③工件冷卻方法任意選擇；④鍍層成分、性能不受處理溫度的影響；⑤易于作局部鍍覆；③可作重復(fù)處理，便于返修。

12/3/202238TD法的優(yōu)點(diǎn)①設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；12/1/202238二、滲硼

滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性?？捎糜阡撹F材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料，如鈦、鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。

12/3/202239二、滲硼滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。（一）滲硼原理

滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，在工件表面形成一層堅(jiān)硬的滲硼層。在高溫下，供硼劑硼砂與介質(zhì)中SiC發(fā)生反應(yīng)：12/3/202240（一）滲硼原理滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中若供硼劑為B4C，活性劑為KBF4，則有以下反應(yīng)：

12/3/202241若供硼劑為B4C，活性劑為KBF4，則有以下反應(yīng)：12/1滲硼氣體為BCl3，載氣為H2，比例為BCl3／H2＝（0.05～0.10）／l，在滲硼溫度下通入密封爐內(nèi)，發(fā)生如下反應(yīng)：活性「B」?jié)B入鋼內(nèi)與Fe形成Fe2B或FeB。該法滲層均勻致密，表面質(zhì)量好。

12/3/202242滲硼氣體為BCl3，載氣為H2，比例為BCl3／H2＝（二）滲硼層的組織

硼原子在γ相或α相的溶解度很小，當(dāng)硼含量超過(guò)其溶解度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生硼的化合物Fe2B(ε)。當(dāng)硼含量大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.83％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB（η’）。當(dāng)硼含量在6％－16％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB與Fe2B白色針狀的混合物。一般希望得到單相的Fe2B。

12/3/202243（二）滲硼層的組織硼原子在γ相或α相的溶解度很小，當(dāng)硼含量鐵一硼狀態(tài)圖

12/3/202244鐵一硼狀態(tài)圖12/1/20224412/3/20224512/1/202245（三）滲硼層的性能(1）滲硼層的硬度很高。如Fe2B的硬度為1300HV－1800HV；FeB的硬度為1600－2200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到單相的、厚度為0.07mm～0.15mm的Fe2B層。（2）在鹽酸、硫酸、磷酸和堿中具有良好的耐蝕性，但不耐硝酸。（3）熱硬性高，在800℃時(shí)仍保持高的硬度。（4）在600℃以下抗氧化性能較好。12/3/202246（三）滲硼層的性能(1）滲硼層的硬度很高。12/1/2022滲硼層具有十分優(yōu)異的耐磨性能。試驗(yàn)表明，滲硼試樣的耐磨性能比其它任何處理（如滲碳、碳氮共滲等）都高。此外，滲硼處理還有比較高的耐腐蝕磨損和泥漿磨損能力。

12/3/202247滲硼層具有十分優(yōu)異的耐磨性能。12/1/20224740鋼電解滲硼的硼濃度分布和顯微硬度曲線見(jiàn)圖。第一個(gè)臺(tái)階時(shí)，B含量為16％左右，HV為2000左右，對(duì)應(yīng)著FeB（η）相；第二個(gè)臺(tái)階B含量為9％左右，HV為1400左右，對(duì)應(yīng)著Fe2B（ε）相；第三個(gè)臺(tái)階濃度和硬度均較低，對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散層與基體。FeB很脆，如果工藝得當(dāng)，可以在表面上只保留Fe2B，這是理想的滲層。

12/3/20224840鋼電解滲硼的硼濃度分布和顯微硬度曲線見(jiàn)圖。12/1/20（四）滲硼方法

1．固體滲硼

固體滲硼是將工件置于含硼的粉末或膏劑中，裝箱密封，放入加熱爐中加熱到950℃～1050℃保溫一定時(shí)間后，工件表面上獲得一定厚度的滲硼層方法。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高。歐美國(guó)家多采用固體滲硼。12/3/202249（四）滲硼方法1．固體滲硼12/1/20224912/3/20225012/1/2022502．氣體滲硼

與固體滲硼的區(qū)別是供硼劑為氣體。氣體滲硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼，故沒(méi)有用于工業(yè)生產(chǎn)。3．液體滲硼

也叫鹽浴滲硼。這種方法應(yīng)用廣泛。它主要是由供硼劑硼砂+還原劑（碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸鈉等）組成的鹽浴。

4．等離子滲硼

等離子滲硼可以用與氣體滲硼類(lèi)似的介質(zhì)。這一領(lǐng)域已進(jìn)行了研究，但還沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用的處理工藝。12/3/2022512．氣體滲硼12/1/202251五）鋼鐵材料滲硼

最合適的鋼種為中碳鋼及中碳合金鋼。滲硼后為了改善基體的力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)進(jìn)行淬火+回火處理，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）滲硼件應(yīng)盡量減少加熱次數(shù)并用緩冷。（2）滲硼溫度高于鋼的淬火溫度時(shí)，滲硼后應(yīng)降溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。（3）滲硼溫度低于鋼的淬火溫度時(shí)，滲硼后應(yīng)升溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。（4）淬火介質(zhì)仍使用原淬火介質(zhì)，但不宜用硝鹽分級(jí)與等溫處理。（5）滲硼粉中B4C含量對(duì)不同鋼種的硼化物層中FeB相影響較大。12/3/202252五）鋼鐵材料滲硼最合適的鋼種為中碳鋼及中碳合金鋼。滲硼后為滲硼在生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例12/3/202253滲硼在生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例12/1/202253目前滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面，例如鉆井用的泥漿泵零件、滾壓模具、熱鍛模具及某些工夾具。近年來(lái)，滲硼還逐漸擴(kuò)大到硬質(zhì)合金、有色金屬和難熔金屬，例如難熔金屬的滲硼已經(jīng)在宇航設(shè)備中獲得應(yīng)用。滲硼還可用于印刷機(jī)凸輪、止推板、各種活塞、離合器軸、壓鑄機(jī)料筒與噴嘴、軋鋼機(jī)導(dǎo)輥、油封滑動(dòng)軸、塊規(guī)、閘閥和各種拔絲模等。

12/3/202254目前滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面，例如鉆井用的泥（六）有色金屬滲硼

有色金屬滲硼通常是在非晶態(tài)硼中進(jìn)行的。某些有色金屬如鈦及其合金必須在高純氬或高真空中進(jìn)行，且必須在滲硼前對(duì)非晶硼進(jìn)行除氧。大多數(shù)難熔金屬都能滲硼。

12/3/202255（六）有色金屬滲硼有色金屬滲硼通常是在非晶態(tài)硼三、滲碳、滲氮、碳氮共滲

滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，在工業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用。（一）滲碳、碳氮共滲

1．結(jié)構(gòu)鋼的滲碳

結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后，能使零件工作表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕、磨損性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，而心部具有一定強(qiáng)度、塑性、韌性的性能。常用的滲碳方法有三種：

12/3/202256三、滲碳、滲氮、碳氮共滲滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表（1）氣體滲碳?xì)怏w滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種滲碳方法，它是在含碳的氣體介質(zhì)中通過(guò)調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諄?lái)實(shí)現(xiàn)滲碳目的的。工業(yè)上一般有井式爐滴注式滲碳和貫通式氣體滲碳兩種。

12/3/202257（1）氣體滲碳?xì)怏w滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛（2）鹽浴滲碳

液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通過(guò)加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來(lái)進(jìn)行滲碳。如Na2CO375％～85％、NaCl10％～15％、SiC8％～15％就是一種熔融的滲碳鹽浴配方。10鋼在950℃保溫3h后可獲得總厚度為1.2mm的滲碳層。

12/3/202258（2）鹽浴滲碳液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通（3）固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它使用固體滲碳劑。在固體滲碳中，膏劑滲碳具有工藝簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，主要用于單件生產(chǎn)、局部滲碳或返修使用。為了提高滲碳速度而引進(jìn)了快速加熱滲碳法、真空、離子束滲碳等先進(jìn)的工藝方法，它們均能提高滲碳速度和滲碳質(zhì)量。

12/3/202259（3）固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它使用固體滲碳劑2．高合金鋼的滲碳

工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高熱硬性。與傳統(tǒng)的模具鋼制造的工具相比，壽命可得到提高。

12/3/2022602．高合金鋼的滲碳工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)度、高耐3．碳氮共滲

液體碳氮共滲以往稱(chēng)氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低（700℃－880℃），變形小，且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。

12/3/2022613．碳氮共滲液體碳氮共滲以往稱(chēng)氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低（（二）滲氮、氮碳共滲

滲氮、氮碳共滲是在含有氮，或氮、碳原子的介質(zhì)中，將工件加熱到一定溫度，鋼的表面被氮或氮、碳原子滲入的一種工藝方法。滲氮工藝復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，成本高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、閥門(mén)、精密絲桿等。12/3/202262（二）滲氮、氮碳共滲滲氮、氮碳共滲是在含有氮，或氮、碳原子鋼經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度，在加熱到500℃時(shí)，硬度變化不大，具有低的劃傷傾向和高的耐磨性，可獲得500MPa～1000MPa的殘余壓應(yīng)力，使零件具有高的疲勞極限和高耐蝕性。在自來(lái)水、潮濕空氣、氣體燃燒物、過(guò)熱蒸汽、苯、不潔油、弱堿溶液、硫酸、醋酸。正磷酸等介質(zhì)中均有一定的耐蝕性。12/3/202263鋼經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度，在加熱到500℃時(shí)，硬度變化不大1．滲氮的分類(lèi)

（1）低溫滲氮低溫滲氮是指滲氮溫度低于600℃的各種滲氮方法,滲氮層的結(jié)構(gòu)主要決定于Fe-N相圖。其主要滲氮方法有氣體滲氮、液體滲氮、離子滲氮等。12/3/2022641．滲氮的分類(lèi)（1）低溫滲氮12/1/202264低溫滲氮主要用于結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法。把需滲氮的零件放入密封滲氮爐內(nèi)，通入氨氣，加熱至500℃－600℃，氨發(fā)生以下反應(yīng)：2NH3＝3H2＋2［N］生成的活性氮原子「N」?jié)B入鋼表面，形成一定深度的氮化層。12/3/202265低溫滲氮主要用于結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法。把根據(jù)Fe—N相圖，氮溶入鐵素體和奧氏體中，與鐵形成γ’相（Fe4N）和ε相（Fe2-3N），也溶解一些碳。滲氮后，工件最外層是白色ε相或γ’相，次外層是暗色γ’＋α共析體層。

12/3/202266根據(jù)Fe—N相圖，氮溶入鐵素體和奧氏體中，與鐵形成γ’相（F（2）高溫滲氮。高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度（600℃～1200℃）下進(jìn)行的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬（Ti、Mo、Nb、V等）的滲氮。

12/3/202267（2）高溫滲氮。高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度（6002．各種材料滲氮

(1)結(jié)構(gòu)鋼滲氮任何珠光體類(lèi)、鐵素體類(lèi)、奧氏體類(lèi)以及碳化物類(lèi)的結(jié)構(gòu)鋼都可以滲氮。為了獲得具有高耐磨、高強(qiáng)度的零件，可采用滲氮專(zhuān)用鋼種（38CrMoAl）。近年來(lái)出現(xiàn)了不采用含鋁的結(jié)構(gòu)鋼的滲氮強(qiáng)化。結(jié)構(gòu)鋼滲氮溫度一般選在500℃～550℃左右，滲氮后可明顯提高疲勞強(qiáng)度。12/3/2022682．各種材料滲氮(1)結(jié)構(gòu)鋼滲氮12/1/202268（2）高鉻鋼滲氮工件經(jīng)酸洗或噴砂去除氧化膜后才能進(jìn)行滲氮。為了獲得耐磨的滲層，高鉻鐵素體鋼常在560℃－600℃進(jìn)行滲氮。滲氮層深度一般不大于0.12mm～0.15mm。12/3/202269（2）高鉻鋼滲氮工件經(jīng)酸洗或噴砂去除氧化膜后才能進(jìn)行滲氮。1（3）工具鋼滲氮高速鋼切削刃具短時(shí)滲氮可提高壽命0.5～1倍。推薦滲層深度為0.01mm－0.025mm，滲氮溫度為510℃－520℃。

12/3/202270（3）工具鋼滲氮高速鋼切削刃具短時(shí)滲氮可提高壽命0.5～1倍（4）鑄鐵除白口鑄鐵、灰鑄鐵、不含AI、Cr等合金鑄鐵外均可滲氮，尤其是球墨鑄鐵的滲氮應(yīng)用更為廣泛。

（5）難熔合金也可以進(jìn)行滲氮，用于提高硬度、耐磨性和熱強(qiáng)性。

12/3/202271（4）鑄鐵除白口鑄鐵、灰鑄鐵、不含AI、Cr等合金鑄鐵外均可（6）鈦及鈦合金離子滲氮，經(jīng)850℃后可得到TiN，層深為0.028mm，硬度可達(dá)800HV～1200HV。（7）鉬及鉬合金離子滲氮，經(jīng)1150℃以上溫度滲氮1h，滲氮層深度達(dá)150μm，硬度達(dá)300HV—800HV。（8）鈮及鈮合金滲氮，在1200℃滲氮可得到硬度＞2400HV的滲氮層。12/3/202272（6）鈦及鈦合金離子滲氮，經(jīng)850℃后可得到TiN，層深為0四、滲金屬

滲金屬方法是使工件表面形成一層金屬碳化物的一種工藝方法，即滲入元素與工件表層中的碳結(jié)合形成金屬碳化物的化合物層，如（Cr、Fe）7C3、VC、NbC、TaC等，次層為過(guò)渡層。此類(lèi)工藝方法適用于高碳鋼，滲入元素大多數(shù)為W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。為了獲得碳化物層，基材的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須超過(guò)0.45％。

12/3/202273四、滲金屬滲金屬方法是使工件表面形成一層金屬碳化物的一種工五、滲其他元素

（一）滲硅

滲硅是將含硅的化合物通過(guò)置換、還原和加熱分解得到的活性硅，被材料表面所吸附并向內(nèi)擴(kuò)散，從而形成含硅的表層。

滲硅的主要目的是提高工件的耐蝕性、穩(wěn)定性、硬度和耐磨性。12/3/202274五、滲其他元素（一）滲硅12/1/20227（二）滲硫

低溫電解滲硫主要用于經(jīng)滲碳淬火、滲氮后淬火或調(diào)質(zhì)的工件。滲層FeS膜厚度為5μm－15μm。若處理不當(dāng)，除FeS外，可出現(xiàn)FeS2、FeSO3相，使減摩性能明顯降低。

12/3/202275（二）滲硫低溫電解滲硫主要用于經(jīng)滲碳淬火、（三）多元共滲

1.多元滲硼

多元滲硼是硼和另一種或多種金屬元素順序進(jìn)行擴(kuò)散的化學(xué)熱處理。

2．氧氮共滲

氧氮共滲又稱(chēng)氧氮化，是一種加氧的滲氮工藝。12/3/202276（三）多元共滲1.多元滲硼12/1/202276氧氮共滲氧氮共滲所采用的介質(zhì)有氨水（氨最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)35.28％）、水蒸氣加氨氣、甲酸氨水溶液或氨加氧。氧氮共滲后鋼材表面形成氧化膜和氮的擴(kuò)散層。氧化膜為多孔的Fe3O4，有減摩作用，抗粘著性能好。擴(kuò)散層提高了表層硬度，也提高了耐磨性。因此，氧氮共滲兼有蒸汽處理和滲氮的雙重性能，能明顯提高刀具和某些結(jié)構(gòu)件的使用壽命。目前，氧氮共滲主要用于高速鋼切削刀具的表面處理。12/3/202277氧氮共滲氧氮共滲所采用的介質(zhì)有氨水（氨最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)35.12/3/20227812/1/202278第三節(jié)金屬表面化學(xué)熱處理

12/3/202279第三節(jié)金屬表面化學(xué)熱處理12/1/20221一、概述

（一）金屬表面化學(xué)熱處理過(guò)程

金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。其基本工藝過(guò)程是：首先將工件置于含有滲入元素的活性介質(zhì)中加熱到一定溫度，使活性介質(zhì)通過(guò)分解，并釋放出欲滲入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金屬表層擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層，從而改變表層的成分、組織和性能。

12/3/202280一、概述（一）金屬表面化學(xué)熱處理過(guò)程12/1/20222熱滲鍍→化學(xué)熱處理用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層，但有時(shí)表面上還會(huì)殘留一薄的覆層。因此被稱(chēng)為熱滲鍍。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作用，因而不存在結(jié)合力不足的問(wèn)題。

熱滲鍍材料的選擇范圍很寬，滲入不同元素可得到不同組織和性能的表面，這些性能包括耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫氧化性等。

12/3/202281熱滲鍍→化學(xué)熱處理用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金（二）金屬表面化學(xué)熱處理的目的（1）提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到950HV～1200HV；滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到1400HV～2000HV等，因而工件表面具有極高的耐磨性。

12/3/202282（二）金屬表面化學(xué)熱處理的目的（1）提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度（2）提高材料疲勞強(qiáng)度。如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。（3）使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。（4）提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。12/3/202283（2）提高材料疲勞強(qiáng)度。12/1/20225（三）化學(xué)熱處理滲層的基本組織類(lèi)型（1）形成單相固溶體。如滲碳層中的α鐵素體相等。（2）形成化合物。如滲氮層中的ε相（F2-3N），滲硼層中Fe2B等。（3）化學(xué)熱處理后，一般可同時(shí)存在固溶體、化合物的多相滲層。12/3/202284（三）化學(xué)熱處理滲層的基本組織類(lèi)型（1）形成單相固溶體。如滲（四）化學(xué)熱處理種類(lèi)

根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類(lèi)：（1）固體法：包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層（電鍍層、噴鍍層等）擴(kuò)散法等。（2）液體法：包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。（3）氣體法：包括固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等。（4）等離子法：12/3/202285（四）化學(xué)熱處理種類(lèi)根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)按復(fù)合手段劃分有電泳滲、料漿滲（或膏劑滲）、噴涂滲、電鍍滲、化學(xué)鍍滲等。12/3/20228612/1/20228熱滲鍍---化學(xué)熱處理12/3/202287熱滲鍍---化學(xué)熱處理12/1/202291．固滲法①粉末包滲法在粉末中加入了防粘結(jié)粉末（如Al2O3）和活化劑（助滲劑）?；罨瘎┮话銥辂u化物，如MH4CI，MH4Br，MH4I等。包滲示意圖見(jiàn)圖4-2。以NH4Cl為例，加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)：

12/3/2022881．固滲法①粉末包滲法12/1/202210粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn):設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，適用于形狀復(fù)雜的工件的滲鍍；缺點(diǎn):效率低，尺寸受限制，溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，基體金屬的強(qiáng)度有一定降低。

12/3/202289粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn):12/1/202211②流化床法與粉末包滲法相似，不同之處是將工件放于帶有固體滲劑的流化床內(nèi)，然后加熱，同時(shí)通人鹵氣和運(yùn)載氣體（H2，Ar），使之與流體粒子反應(yīng)產(chǎn)生欲滲金屬的活性原子滲入工件。特點(diǎn)：傳熱性好，滲速快，滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)械化和自動(dòng)化；缺點(diǎn)：流化床設(shè)備裝置成本極高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大，因此這種方法尚未推廣使用。

12/3/202290②流化床法與粉末包滲法相似，不同之處是將工件放2．液滲法

①熱浸法將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，經(jīng)較短時(shí)間即形成合金鍍層。當(dāng)浸漬時(shí)間極短時(shí)，所形成的鍍層只是附著層而不是擴(kuò)散層，因而與基體金屬結(jié)合不牢固，因此一般在熱浸后還要加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散，以形成合金層。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，因而被廣泛采用。這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等。

12/3/2022912．液滲法①熱浸法12/1/202213②熔燒法熔燒法是把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將料漿均勻涂敷于工件表面上，干燥后在惰性氣體或真空環(huán)境中以稍高于料漿熔點(diǎn)的溫度加熱燒結(jié)．通過(guò)液固界面擴(kuò)散而形成合金層。與熱浸法相比，該法能獲得成分和厚度都很均勻的滲層，同時(shí)具有熱傳遞性好、滲速快等特點(diǎn)。12/3/202292②熔燒法熔燒法是把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將③鹽浴法鹽浴法是目前世界上采用的較新的熱滲鍍技術(shù)，其基本原理是在金屬鹽熔融液體中加入V，Nb，Cr，Ti，Ta等鐵合金粉末，然后把含有較高C，N的鋼件浸入（可預(yù)先進(jìn)行滲碳、氮化或碳、氮共滲），在800—1250℃溫度下，經(jīng)過(guò)0.5—10h的時(shí)間后，可在表面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予工件表面高的耐磨性。

12/3/202293③鹽浴法鹽浴法是目前世界上采用的較新的熱滲鍍技3．氣滲法

氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的溫度，然后把含有滲鍍金屬鹵化物（MCl2）的氫氣通入，氣體和表面接觸時(shí)，工件表面的金屬A和氫本身與MCl2發(fā)生反應(yīng)。

反應(yīng)生成的活性原子［M］滲入工件表面。12/3/2022943．氣滲法氣滲首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)實(shí)現(xiàn)氣滲工藝的具體方法很多，大致可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是滲鍍金屬同工件不在同一空間，用氫氣做載體把欲滲金屬的鹵化物運(yùn)載到工件表面；另一類(lèi)是滲鍍金屬同工件在同一空間，使HCl氣體先流過(guò)被加熱了的滲劑金屬產(chǎn)生金屬氯化物氣體，隨后使氯化物氣體流經(jīng)金屬表面，置換出活性原子［M」，進(jìn)行滲鍍。。優(yōu)點(diǎn)：滲層厚度均勻，易控制，對(duì)異形件和小孔結(jié)構(gòu)的滲鍍效果好，且無(wú)粉塵，勞動(dòng)條件好。12/3/202295實(shí)現(xiàn)氣滲工藝的具體方法很多，大致可分為兩大類(lèi)：12/1/204．離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體進(jìn)行滲鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的，因?yàn)殡x子活性比原子高，加上電場(chǎng)的作用，因此滲速較高，質(zhì)量較好。但是該法除離子氮化已經(jīng)成熟，包括滲碳在內(nèi)的離子滲金屬尚在開(kāi)發(fā)之中。12/3/2022964．離子轟擊滲鍍法離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài)——等離子5．復(fù)合滲

復(fù)合滲實(shí)際上是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在工件表面制造一固相涂層，然后把工件連同涂層一起加熱。加熱的方法很多，諸如普通加熱爐加熱、高頻感應(yīng)加熱、通電加熱、輝光放電加熱，以及電子束、離子束加熱等。

①電泳滲、②料漿滲（或稱(chēng)膏劑滲）、③噴鍍滲、④電鍍滲、⑤化學(xué)鍍滲、⑥真空滲鍍

12/3/2022975．復(fù)合滲復(fù)合滲實(shí)際上是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在熱滲鍍?cè)頍釢B鍍的基本過(guò)程應(yīng)包括四個(gè)步驟，即：①介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物；②反應(yīng)物通過(guò)擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面，此稱(chēng)為外擴(kuò)散；③反應(yīng)物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應(yīng)；④界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達(dá)到一定的深度，此稱(chēng)內(nèi)擴(kuò)散。

12/3/202298熱滲鍍?cè)頍釢B鍍的基本過(guò)程應(yīng)包括四個(gè)步驟，即：12/1/20在這四個(gè)步驟中，最值得注意的是進(jìn)行最慢的步驟，或者說(shuō)是控制步驟。一般說(shuō)來(lái)步驟①速度快，不會(huì)對(duì)整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生阻礙作用。步驟②雖然是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，但此擴(kuò)散是在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn)行，擴(kuò)散速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素在固態(tài)內(nèi)的擴(kuò)散，因而也不可能成為控制步驟。實(shí)踐證明后兩個(gè)步驟都有可能成為過(guò)程中的控制步驟。

實(shí)踐中可根據(jù)滲層深度和時(shí)間的關(guān)系來(lái)判定究竟是步驟③還是④是控制步驟。

12/3/202299在這四個(gè)步驟中，最值得注意的是進(jìn)行最慢的步驟，或者說(shuō)是控制步滲碳過(guò)程以水煤氣的滲碳過(guò)程為例，其四個(gè)過(guò)程可示意性地表示于圖中

12/3/2022100滲碳過(guò)程以水煤氣的滲碳過(guò)程為例，其四個(gè)過(guò)程可示意性地表示于圖滲層的形成條件

滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的薄合金層，所以，滲鍍的條件是：1）滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物；2）滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，或者說(shuō)滲入元素可以在界面被吸附；3）必須保持一定的溫度，即使原子獲得足夠的擴(kuò)散動(dòng)力；4）生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件。

12/3/2022101滲層的形成條件滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的TRD滲鍍法

TRD（SurfaceCoatingbyThermo-ReactiveDepositionandDiffusion）稱(chēng)為熱反應(yīng)沉積和擴(kuò)散的表面覆層法，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)RD滲鍍法或TD法。該工藝是日本豐田中央研究所開(kāi)發(fā)的。具體工藝有熔鹽浸鍍法、電解法及粉末法。應(yīng)用最廣泛的是用熔鹽浸鍍法在工件表面上涂覆VC，NbC，CrxCy等碳化物。該工藝于1971年開(kāi)始投入應(yīng)用。。

12/3/2022102TRD滲鍍法TRD（SurfaceCoatingby處理方法

將70％～90％的硼砂放入耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩堝中加入可形成欲鍍覆的碳化物的物質(zhì)。例如欲涂VC時(shí)，加入Fe－V的合金粉末或V2O5粉末，將含碳的鋼件浸入此鹽浴中，在800～1200℃保溫1～10h，便得到了僅由碳化物鍍覆的表面層。12/3/2022103處理方法將70％～90％的硼砂放入耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩處理方法如需鍍覆NbC、CrxCy,則在鹽浴中加入Fe－Nb，Nb2O5，F(xiàn)e-Cr，Cr2O3合金粉末或金屬氧化物粉末。若采用金屬氧化物，還需在鹽浴中添加Al，Ca，Ti，F(xiàn)e-Ti，F(xiàn)e-Al等物質(zhì)，以保持鹽浴的活性，使金屬原子得以在鹽浴中被還原出來(lái)。碳的來(lái)源完全依靠鋼中自身的碳向外擴(kuò)散。12/3/2022104處理方法如需鍍覆NbC、CrxCy,則在鹽浴中加入Fe－N12/3/202210512/1/202227影響涂層厚度的因素

影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)間和鋼中的含碳量。鍍層成長(zhǎng)的速率主要取決于碳原子的擴(kuò)散速率。按A的不同，若要在鋼的表面形成5～10μm厚的碳化物，約需30分鐘到數(shù)小時(shí)。顯然鋼中的含碳量越高，溫度越高，鍍層增厚越快。12/3/2022106影響涂層厚度的因素影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時(shí)鍍層性能

X射線分析發(fā)現(xiàn)，TD法所得鍍層幾乎全由純碳化物組成，碳化物層的成分不受基體金屬的影響，不存在Fe，O，P，S等成分。典型的VC鍍層無(wú)微孔，在顯微鏡下呈白亮色，基體金屬與碳化物層之間有清晰的界面。不過(guò)，如在1050℃處理，則碳化物形成元素將擴(kuò)散到基體金屬中，這對(duì)改善鍍層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度十分有利。

12/3/2022107鍍層性能X射線分析發(fā)現(xiàn)，TD法所得鍍層幾乎全由純碳化物組成1．硬度

TD法所得鍍層硬度大大高于淬火、鍍鉻或氮化的硬度；VC和TiC的硬度約為HV3000，NbC約為HV2500，VC，CrxCy，NbC在800℃以上仍有HV800以上的高硬度。

12/3/20221081．硬度TD法所得鍍層硬度大大高于淬火、鍍鉻或氮化的硬度；12/3/202210912/1/2022312．耐磨性快速磨損試驗(yàn)機(jī)研究了以SCM15為配對(duì)材料、幾種鋼經(jīng)TD處理或其它處理的磨損量，發(fā)現(xiàn):鍍覆VC，NbC，TiC的耐磨性顯然比氮化、滲硼、鍍鉻、放電硬化等其它表面處理優(yōu)越而與硬質(zhì)合金的耐磨性相同或更好，與用CVD和PVD法鍍覆的TiC層耐磨性相同。12/3/20221102．耐磨性快速磨損試驗(yàn)機(jī)研究了以SCM15為配對(duì)材料、幾種鋼3．抗熱粘結(jié)性

研究表明：以鋼、銅及鉛為配對(duì)材料的抗熱粘結(jié)性，發(fā)現(xiàn)鍍覆VC，NbC，TiC的材料與未作鍍覆處理的或作其它表面處理的材料相比，前者卻不易發(fā)生熱粘結(jié)。跟易于發(fā)生熱粘結(jié)的不銹鋼進(jìn)行環(huán)壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂覆碳化物也具有良好的抗熱粘結(jié)性。

12/3/20221113．抗熱粘結(jié)性研究表明：以鋼、銅及鉛為配對(duì)材料的抗熱粘結(jié)性4．抗剝離性

用鋼球反復(fù)撞擊試樣的同一部位，研究鍍層的開(kāi)裂或剝離情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)TD處理的VC，NbC及CrxCy鍍層即使撞擊20萬(wàn)次也不發(fā)生裂紋或剝離；而用CVD和PVD處理的TiC鍍層撞擊5～10萬(wàn)次鍍層即剝離。

12/3/20221124．抗剝離性用鋼球反復(fù)撞擊試樣的同一部位，研究鍍層的開(kāi)裂或5．抗氧化及耐蝕性

抗氧化性的好壞隨鍍覆的碳化物種類(lèi)的不同而不同。VC，NbC在500℃的大氣中幾乎不氧化，不過(guò)若在600℃下保溫1h會(huì)有幾微米的碳化物層被氧化。

鍍覆VC，NbC，CrxCy的鋼對(duì)于鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、苛性鈉都有良好的耐蝕性，但要避免微孔等缺陷。

12/3/20221135．抗氧化及耐蝕性抗氧化性的好壞隨鍍覆的碳化物種類(lèi)的不同而6．韌脆性

軟氮化或滲碳處理會(huì)使材料的韌性降低，而TD處理的材料進(jìn)行艾氏沖擊試驗(yàn)或缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其韌性與淬火回火鋼大體處于同一水平。

12/3/20221146．韌脆性軟氮化或滲碳處理會(huì)使材料的韌性降低TRD處理的應(yīng)用及與PVD和CVD鍍層性能的比較

TD處理已經(jīng)在幾乎所有需要耐磨的領(lǐng)域中得到成功的應(yīng)用。在沖壓模。冷鍛模、鑄模等方面的應(yīng)用也是比較多的。

用CVD，PVD和TD法都可以得到薄的碳化物層，但比較起來(lái)TD法有許多優(yōu)點(diǎn)。諸如：

12/3/2022115TRD處理的應(yīng)用及與PVD和CVD鍍層性能的比較TD處理已TD法的優(yōu)點(diǎn)①設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；②操作簡(jiǎn)便；③工件冷卻方法任意選擇；④鍍層成分、性能不受處理溫度的影響；⑤易于作局部鍍覆；③可作重復(fù)處理，便于返修。

12/3/2022116TD法的優(yōu)點(diǎn)①設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；12/1/202238二、滲硼

滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。可用于鋼鐵材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料，如鈦、鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。

12/3/2022117二、滲硼滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。（一）滲硼原理

滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，在工件表面形成一層堅(jiān)硬的滲硼層。在高溫下，供硼劑硼砂與介質(zhì)中SiC發(fā)生反應(yīng)：12/3/2022118（一）滲硼原理滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中若供硼劑為B4C，活性劑為KBF4，則有以下反應(yīng)：

12/3/2022119若供硼劑為B4C，活性劑為KBF4，則有以下反應(yīng)：12/1滲硼氣體為BCl3，載氣為H2，比例為BCl3／H2＝（0.05～0.10）／l，在滲硼溫度下通入密封爐內(nèi)，發(fā)生如下反應(yīng)：活性「B」?jié)B入鋼內(nèi)與Fe形成Fe2B或FeB。該法滲層均勻致密，表面質(zhì)量好。

12/3/2022120滲硼氣體為BCl3，載氣為H2，比例為BCl3／H2＝（二）滲硼層的組織

硼原子在γ相或α相的溶解度很小，當(dāng)硼含量超過(guò)其溶解度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生硼的化合物Fe2B(ε)。當(dāng)硼含量大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.83％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB（η’）。當(dāng)硼含量在6％－16％時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB與Fe2B白色針狀的混合物。一般希望得到單相的Fe2B。

12/3/2022121（二）滲硼層的組織硼原子在γ相或α相的溶解度很小，當(dāng)硼含量鐵一硼狀態(tài)圖

12/3/2022122鐵一硼狀態(tài)圖12/1/20224412/3/202212312/1/202245（三）滲硼層的性能(1）滲硼層的硬度很高。如Fe2B的硬度為1300HV－1800HV；FeB的硬度為1600－2200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到單相的、厚度為0.07mm～0.15mm的Fe2B層。（2）在鹽酸、硫酸、磷酸和堿中具有良好的耐蝕性，但不耐硝酸。（3）熱硬性高，在800℃時(shí)仍保持高的硬度。（4）在600℃以下抗氧化性能較好。12/3/2022124（三）滲硼層的性能(1）滲硼層的硬度很高。12/1/2022滲硼層具有十分優(yōu)異的耐磨性能。試驗(yàn)表明，滲硼試樣的耐磨性能比其它任何處理（如滲碳、碳氮共滲等）都高。此外，滲硼處理還有比較高的耐腐蝕磨損和泥漿磨損能力。

12/3/2022125滲硼層具有十分優(yōu)異的耐磨性能。12/1/20224740鋼電解滲硼的硼濃度分布和顯微硬度曲線見(jiàn)圖。第一個(gè)臺(tái)階時(shí)，B含量為16％左右，HV為2000左右，對(duì)應(yīng)著FeB（η）相；第二個(gè)臺(tái)階B含量為9％左右，HV為1400左右，對(duì)應(yīng)著Fe2B（ε）相；第三個(gè)臺(tái)階濃度和硬度均較低，對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散層與基體。FeB很脆，如果工藝得當(dāng)，可以在表面上只保留Fe2B，這是理想的滲層。

12/3/202212640鋼電解滲硼的硼濃度分布和顯微硬度曲線見(jiàn)圖。12/1/20（四）滲硼方法

1．固體滲硼

固體滲硼是將工件置于含硼的粉末或膏劑中，裝箱密封，放入加熱爐中加熱到950℃～1050℃保溫一定時(shí)間后，工件表面上獲得一定厚度的滲硼層方法。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高。歐美國(guó)家多采用固體滲硼。12/3/2022127（四）滲硼方法1．固體滲硼12/1/20224912/3/202212812/1/2022502．氣體滲硼

與固體滲硼的區(qū)別是供硼劑為氣體。氣體滲硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼，故沒(méi)有用于工業(yè)生產(chǎn)。3．液體滲硼

也叫鹽浴滲硼。這種方法應(yīng)用廣泛。它主要是由供硼劑硼砂+還原劑（碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸鈉等）組成的鹽浴。

4．等離子滲硼

等離子滲硼可以用與氣體滲硼類(lèi)似的介質(zhì)。這一領(lǐng)域已進(jìn)行了研究，但還沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用的處理工藝。12/3/20221292．氣體滲硼12/1/202251五）鋼鐵材料滲硼

最合適的鋼種為中碳鋼及中碳合金鋼。滲硼后為了改善基體的力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)進(jìn)行淬火+回火處理，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）滲硼件應(yīng)盡量減少加熱次數(shù)并用緩冷。（2）滲硼溫度高于鋼的淬火溫度時(shí)，滲硼后應(yīng)降溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。（3）滲硼溫度低于鋼的淬火溫度時(shí)，滲硼后應(yīng)升溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。（4）淬火介質(zhì)仍使用原淬火介質(zhì)，但不宜用硝鹽分級(jí)與等溫處理。（5）滲硼粉中B4C含量對(duì)不同鋼種的硼化物層中FeB相影響較大。12/3/2022130五）鋼鐵材料滲硼最合適的鋼種為中碳鋼及中碳合金鋼。滲硼后為滲硼在生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例12/3/2022131滲硼在生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例12/1/202253目前滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面，例如鉆井用的泥漿泵零件、滾壓模具、熱鍛模具及某些工夾具。近年來(lái)，滲硼還逐漸擴(kuò)大到硬質(zhì)合金、有色金屬和難熔金屬，例如難熔金屬的滲硼已經(jīng)在宇航設(shè)備中獲得應(yīng)用。滲硼還可用于印刷機(jī)凸輪、止推板、各種活塞、離合器軸、壓鑄機(jī)料筒與噴嘴、軋鋼機(jī)導(dǎo)輥、油封滑動(dòng)軸、塊規(guī)、閘閥和各種拔絲模等。

12/3/2022132目前滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面，例如鉆井用的泥（六）有色金屬滲硼

有色金屬滲硼通常是在非晶態(tài)硼中進(jìn)行的。某些有色金屬如鈦及其合金必須在高純氬或高真空中進(jìn)行，且必須在滲硼前對(duì)非晶硼進(jìn)行除氧。大多數(shù)難熔金屬都能滲硼。

12/3/2022133（六）有色金屬滲硼有色金屬滲硼通常是在非晶態(tài)硼三、滲碳、滲氮、碳氮共滲

滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，在工業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用。（一）滲碳、碳氮共滲

1．結(jié)構(gòu)鋼的滲碳

結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后，能使零件工作表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕、磨損性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，而心部具有一定強(qiáng)度、塑性、韌性的性能。常用的滲碳方法有三種：

12/3/2022134三、滲碳、滲氮、碳氮共滲滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表（1）氣體滲碳?xì)怏w滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種滲碳方法，它是在含碳的氣體介質(zhì)中通過(guò)調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諄?lái)實(shí)現(xiàn)滲碳目的的。工業(yè)上一般有井式爐滴注式滲碳和貫通式氣體滲碳兩種。

12/3/2022135（1）氣體滲碳?xì)怏w滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛（2）鹽浴滲碳

液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通過(guò)加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來(lái)進(jìn)行滲碳。如Na2CO375％～85％、NaCl10％～15％、SiC8％～15％就是一種熔融的滲碳鹽浴配方。10鋼在950℃保溫3h后可獲得總厚度為1.2mm的滲碳層。

12/3/2022136（2）鹽浴滲碳液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通（3）固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它使用固體滲碳劑。在固體滲碳中，膏劑滲碳具有工藝簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，主要用于單件生產(chǎn)、局部滲碳或返修使用。為了提高滲碳速度而引進(jìn)了快速加熱滲碳法、真空、離子束滲碳等先進(jìn)的工藝方法，它們均能提高滲碳速度和滲碳質(zhì)量。

12/3/2022137（3）固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它使用固體滲碳劑2．高合金鋼的滲碳

工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高熱硬性。與傳統(tǒng)的模具鋼制造的工具相比，壽命可得到提高。

12/3/20221382．高合金鋼的滲碳工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)度、高耐3．碳氮共滲

液體碳氮共滲以往稱(chēng)氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低（700℃－880℃），變形小，且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。

12/3/20221393．碳氮共滲液體碳氮共滲以往稱(chēng)氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低（（二）滲氮、氮碳共滲

滲氮、氮碳共滲是在含有氮，或氮、碳原子的介質(zhì)中，將工件加熱到一定溫度，鋼的表面被氮或氮、碳原子滲入的一種工藝方法。滲氮工藝復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，成本高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、閥門(mén)、精密絲桿等。12/3/2022140（二）滲氮、氮碳共滲滲氮、氮碳共滲是在含有氮，或氮、碳原子鋼經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度，在加熱到500℃時(shí)，硬度變化不大，具有低的劃傷傾向和高的耐磨性，可獲得500MPa～1000MPa的殘余壓應(yīng)力，使零件具有高