表面扩渗新技术.

1、表面扩渗新技术表面扩渗新技术14115336陶国强科学11-2班绪论 表面扩渗是将置于一定的活性介质中加热到一定的温度，是预定的金属和非金属向工作表层扩散渗入，形成一定厚度的扩散层，以改变表层的成分、组织和性能， 分解分解渗剂通过一定温度下的化学反应或蒸发作用，渗剂通过一定温度下的化学反应或蒸发作用，形成含有一定介质的活性介质，再通过活性原形成含有一定介质的活性介质，再通过活性原子在渗剂中的扩散运动达到工件表面。子在渗剂中的扩散运动达到工件表面。渗入元素的活性原子吸附于工件表面并发渗入元素的活性原子吸附于工件表面并发生相界面反应生相界面反应吸收吸收扩散扩散吸附的活性原子从工件的表面向内部扩吸附

2、的活性原子从工件的表面向内部扩散，并与金属基体形成固溶体化合物散，并与金属基体形成固溶体化合物（1）基本过程）基本过程（2）主要特点）主要特点 改善工件表面的综合性能；改善工件表面的综合性能； 对被渗工件的几何形状和尺寸影响很小，工件变形小、精对被渗工件的几何形状和尺寸影响很小，工件变形小、精度高尺寸稳定性好；度高尺寸稳定性好； 可通过选择和控制渗入元素和渗层深度，使工件表面获得可通过选择和控制渗入元素和渗层深度，使工件表面获得不同性能；不同性能； 不收工件形状的局限；不收工件形状的局限； 可节约贵重金属，降低成本；可节约贵重金属，降低成本； 多数表面扩渗工艺复杂，处理周期长，对设备要求较高。

3、多数表面扩渗工艺复杂，处理周期长，对设备要求较高。根据渗入元素根据渗入元素介质所处的状介质所处的状态不同态不同固体法、液体法、气体法、等离子固体法、液体法、气体法、等离子法法渗入非金属元素、渗入金属元素、渗入非金属元素、渗入金属元素、渗入金属渗入金属-非金属和扩散消除杂质非金属和扩散消除杂质元素等元素等按工件表面化按工件表面化学成分的变化学成分的变化特点特点（3）分类）分类 1） 渗金属渗金属 渗金属渗金属是采用加热的方法，是一种或多种金属扩散入工是采用加热的方法，是一种或多种金属扩散入工件表面合金层。这一表面层称为件表面合金层。这一表面层称为渗层渗层或或扩散渗层。扩散渗层。 渗金属的主要特点

4、是：渗层是靠加热扩散形成的，渗层渗金属的主要特点是：渗层是靠加热扩散形成的，渗层与集体结合牢固，结合强度高；渗层具有与基体金属不与集体结合牢固，结合强度高；渗层具有与基体金属不同的成分和组织，因而可获得特殊的性能。同的成分和组织，因而可获得特殊的性能。 常用方法：气相渗金属法、固相渗金属法常用方法：气相渗金属法、固相渗金属法 渗铝渗铝 工件经渗铝后具有很高的抗高温氧化与抗燃气复试能力在工件经渗铝后具有很高的抗高温氧化与抗燃气复试能力在大气硫化氢碱和海水等介质中具有良好的耐腐蚀性能。大气硫化氢碱和海水等介质中具有良好的耐腐蚀性能。 主要用于钢铁材料，铁基粉墨冶金铜合金和钛合金。主要用于钢铁材料，

5、铁基粉墨冶金铜合金和钛合金。 主要方法有粉末渗铝热浸渗铝，气体渗铝热喷涂渗铝静电主要方法有粉末渗铝热浸渗铝，气体渗铝热喷涂渗铝静电喷涂渗铝电泳沉积渗铝料浆渗铝等。喷涂渗铝电泳沉积渗铝料浆渗铝等。 其中应用最多的是粉末渗铝和热浸渗铝。其中应用最多的是粉末渗铝和热浸渗铝。粉末渗铝是将工件置于装有主要成分为铝粉铝鉄合金或铝钼合金粉末氯化物或其活性剂氧化铝等粉末混合物的专用得易熔合金密封的料罐中通过化学气相反应和热扩散作用形成渗铝层。热浸渗铝热浸渗铝是将工件浸入熔融的主要由工业纯铝和少是将工件浸入熔融的主要由工业纯铝和少量的铁组成并加有硅的铝浴中，借助于熔融的铝液量的铁组成并加有硅的铝浴中，借助于熔融

6、的铝液与工件表面材料的材料互溶而形成富铝的合金层其与工件表面材料的材料互溶而形成富铝的合金层其最大特点是生产周期短操作方便成本低不需复杂设最大特点是生产周期短操作方便成本低不需复杂设备。备。两种方法都需进行扩散退火，以降低脆性和表面铝两种方法都需进行扩散退火，以降低脆性和表面铝浓度使渗层与基体结合的更紧密。浓度使渗层与基体结合的更紧密。渗铬渗铬 渗铬穆铬的渗铬穆铬的目的目的主要有两个：主要有两个：是为了是为了提高钢和耐热合金的耐蚀性和抗氧化性提高钢和耐热合金的耐蚀性和抗氧化性, ,提高持久强度和疲劳强度提高持久强度和疲劳强度二是为了用二是为了用普通钢材代替昂贵的不锈钢耐热钢和高普通钢材代替昂贵

7、的不锈钢耐热钢和高铬合金钢铬合金钢, , 渗铬方法主要有固体液体和气体渗铬三种渗铬方法主要有固体液体和气体渗铬三种, ,人造心脏人造心脏人造关节人造关节 固体渗铬固体渗铬有粉末装箱渗铬和膏剂渗铬等有粉末装箱渗铬和膏剂渗铬等,其中常用粉末渗铬剂的主要成分为铬粉其中常用粉末渗铬剂的主要成分为铬粉或铬铁合金粉末。氯化物或其活性剂或铬铁合金粉末。氯化物或其活性剂,氧氧化铝化铝(惰性添加剂惰性添加剂)等的粉末状混合物；等的粉末状混合物； 液体渗骆液体渗骆在含有活性铬原子的盐浴中进在含有活性铬原子的盐浴中进行行,具有设备简单，加热均匀具有设备简单，加热均匀,生产周期短生产周期短,可直接淬火等特点。主要有硬

8、砂盐浴渗可直接淬火等特点。主要有硬砂盐浴渗铬和氯化物盐浴渗铬两类；铬和氯化物盐浴渗铬两类； 固体渗铬固体渗铬 液体神格液体神格 气体渗铬气体渗铬在多为铬的氟化物和氯化物的在多为铬的氟化物和氯化物的气体渗铬介质中进行。具有渗速快、劳气体渗铬介质中进行。具有渗速快、劳动强度小，渗层质量高动强度小，渗层质量高,有表面光洁有表面光洁,气体气体有毒性及腐蚀性等特点。有毒性及腐蚀性等特点。渗钒渗钒.渗铌渗铌.渗钛渗钛 原理原理：钒：钒.铌铌.钛钽等金属元素可与钢中碳钛钽等金属元素可与钢中碳原子结合，在表面形成碳化物型渗层原子结合，在表面形成碳化物型渗层.适适用于高碳钢用于高碳钢.为获得碳化物层为获得碳化物

9、层,基体的含碳基体的含碳量必须超过量必须超过045%. 工艺方法：工艺方法：盐浴法盐浴法.粉末法和气体法。其粉末法和气体法。其中硼砂盐浴法应用最多中硼砂盐浴法应用最多.渗钒内模渗钒内模渗钒剂渗钒剂渗铌渗钛硼砂盐浴法硼砂盐浴法 也叫硼砂浴覆层法,是在硼砂中加人欲渗金属。这些金属在硼砂浴中以高度弥散态悬浮,以硼砂为载体在高温下通过盐浴本身的不断对流与被处理工件表面接触、吸附并向内扩散;与此同时.基体中的碳向表面迁移,从而在表面获得碳化物覆层.碳化物渗层具有熔点高.硬度极高.热稳定性好.抗咬合性及磨性和耐蚀性优良渗硼渗硼 定义：定义：渗硼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，

10、通过化学或电化学反应,使硼原子渗入工件表层形成一层坚硬的硼化物渗层. 目的：目的：渗硼主要是为了提高金属表面的硬度.耐磨性.耐蚀性和抗高温氧化性:可用于钢铁材料.硬质合金.金属陶瓷和某些有色金属如钛钽和镍基合金:渗硼工件渗硼工件 渗硼最合适的钢种为中碳钢及中碳合金渗硼最合适的钢种为中碳钢及中碳合金钢钢,渗硼后为了改善基体的力学性能渗硼后为了改善基体的力学性能,应应进进行淬火行淬火+回火处理回火处理, 有色金属渗硼通常是在非晶态硼中进行有色金属渗硼通常是在非晶态硼中进行的的,有色金属如钛有色金属如钛:及其合金必须在商纯氩及其合金必须在商纯氩或高真空中进行或高真空中进行,且必须在渗硼前对非晶且必须

11、在渗硼前对非晶碰进行除氧大多数难熔金属都能渗硼碰进行除氧大多数难熔金属都能渗硼,渗硼工艺手段渗硼工艺手段 主要有固体液体气体和等离子渗硼。（工业:上最常用的是固体和液体渗硼.）固体渗硼固体渗硼在本质属于气态催化反应的气相渗硼, 供硼剂在高温和活化剂的作用F形成气态硼化物。它在工件表不断化合与分解,释放出活性硼原子并不断被工件表面吸附并向工件内扩散,形成稳定的铁的硼化物层.种类：种类：粉末法粉末法、粒状法粒状法、膏剂法膏剂法 液体渗硼液体渗硼 液体渗硼又叫盐浴渗硼,是将工件放在硼砂和还原剂组成的盐浴中进行的。 气体渗硼气体渗硼 气体渗硼与固体渗硼的区别是供硼剂为气体,气体渗硼需用易爆的忆硼烷或有

12、毒的氯化硼,故没有用于工业生产。 等离子渗硼等离子渗硼 可以用气体渗硼类似的介质.这一领域已进行了研究,但还没有在工业上应用。渗硅渗硅 定义：定义：渗硅是将含硅的化合物通过置换还原和热分解得到的活性硅,被材料表面所吸附并向内扩散,从而形成含硅的表层 目的：目的：提高工件的耐蚀性稳定性硬度和耐磨性。 场所场所:可在粉末.盐浴或气体介质中进行,也可在真空或流态床中进行渗硫渗硫 渗硫的目的目的是在钢铁工件表面生成FeS(或FeS2+FeS)薄膜,以降低摩擦系数,提高抗咬合性能,一般渗硫应在淬火渗碳,软氮化等工艺之后进行。 由于渗硫层实质上是由FeS(或FeS2+FeS)组成的化学转化膜,因此对于有色

13、金属及表面具有氧化物保护薄膜的不锈钢等不适用。 各种渗硫方法渗硫方法中,应用较多的是低温液体电解渗硫定义：定义：共渗是将工件置于含有至少两种欲渗元素的渗剂中经过一次加热扩散过程,使多种元素同时渗入工件表层的表面扩渗工艺；复合渗则是把工件先后分别置于相应渗剂中经数次加热扩散过程,使多种元素先后然工件表面的表面扩滲工艺。目的：目的：吸收各种单元素的优点,弥补其不足之处,使工件表面达到更高的综合性能指标含铝共渗与复合渗含铝共渗与复合渗（1）含铝共渗与复合渗含铝共渗与复合渗-下表下表（2）铝稀土共渗铝稀土共渗 1）稀土的作用）稀土的作用:改变渗剂的特性;催渗;改善渗层性能, 2）方法：）方法：固体法和

14、电泳法 3）特点：）特点：铝稀土共渗层表面氧化膜的致密度和塑性较高,具有更高的耐蚀性和热劳抗力含铬共渗与复合渗含铬共渗与复合渗含硼共渗与复合渗含硼共渗与复合渗 （1）碳硼复合渗碳硼复合渗:先渗碳后渗硼的工艺,它结合了渗碳层的优点(高接触疲劳强度和高耐磨性)和渗硼层的优点(高硬度、高红硬性和优良的抗黏着磨损能力)预渗碳能提高渗硬的速度,碳碳共渗已在工业生产中得到了应用。 （2）氮硼复合渗氮硼复合渗：可先渗氮冷至室温后再渗硼,也可在含供氮剂和供硼剂的渗剂中渗氮后,再升温渗硼。 （2）氮硼复合渗氮硼复合渗 特点：特点：对提高渗硼速度来说,先渗氮和先渗碳具有相同的效应,氮硼复合渗既保持渗硼层高的硬度,

15、又比渗硼层脆性低,抗盐酸腐蚀性能比不锈钢好。（3）硼铝共渗与复合渗硼铝共渗与复合渗 钢铁和镍基合金硼铝共渗的目的目的是提高耐磨性和耐热性,硬铝复合渗的目的也是为了获得硬度高耐磨性好抗氧化性好的表面层。 通常采用先渗硼后渗铝,(4)硼铬共渗与复合渗硼铬共渗与复合渗 硼铬共渗或复合渗后.渗层由铁.铬的硼化物以及碳化物组成,前者起硬质相作用.后者的塑性较好.因此,硼铬共渗或复合渗层的塑性和耐磨性.尤其在动载荷下比渗硼层好得多。(5)硼硅共渗与复合渗硼硅共渗与复合渗 共渗共渗目的目的：改善渗硼层的高脆性 方法：方法：粉末法、盐浴法或电解盐浴法。 (5)硼硅共渗与复合渗硼硅共渗与复合渗 复合渗的目的复合

16、渗的目的：克服渗硼层的脆性和渗硅层的多孔性. 特点：特点：渗硼后再渗硅,硅化物层基本无孔,显微硬度达900920HV,但较薄,硼硅共渗层的表面耐酸性十分突出:含硫共渗含硫共渗 （1）硫氮共渗硫氮共渗 目的目的：是为了兼顾渗硫渗氮二者的优点。 组织性能：组织性能：其共渗层的组织、性能与渗氮后渗硫基本相同,但工艺简单.渗层最外层的微孔组织可储存润滑油、降低摩擦系数。次层硬度较高，因而耐磨性尤其抗黏着.咬合性能显著提高。 方法方法：盐浴法气体法和离子法等。 (2)硫氮碳共渗硫氮碳共渗 实质是渗硫与氮碳共渗的结合,与硫氮共渗相比,其优点在于能使低碳钢零件也得到较好的强化效果。 硫氮碳共渗有粉末法、气体

17、法、液体法和离子法。 硫氮碳共渗层的减摩性抗咬合性接触疲劳强度均好于一般气体氨碳共渗;其脆性和剥落倾向较小;其抗磨料磨损的能力比气体氮碳共渗略差碳氮硼三元共渗和氧硫碳氮硼五元共渗碳氮硼三元共渗和氧硫碳氮硼五元共渗 （1）碳氮硼三元共渗碳氮硼三元共渗 主要目的：为了进一步提高碳氮共渗件的耐磨性。 在我国多用盐浴法进行。 （2）氧硫碳氮硼五元共渗氧硫碳氮硼五元共渗 主要用于高速钢刀具。 常规淬、回火 后,在低于回火温度的温度进行。 一般采用气体法.导入导入 等离子体是一种物质能量较高的聚集状态,被称为物质的第照:电离度超过0.1%的气体.是由离子.电子和中性粒子集合体。等离子体整体呈中性.但含有相

18、当数量的电子和离子,表现出相应的磁学等性能。利用粒子热运动.电子碰撞、电磁波能量法以及高能粒子等方法可获得等离子体槽。但获得低温等离子体的主要方法是利用气体放电。等离子体表面扩渗主要使用低温等离子体技术。定义：定义：等离子体表面扩渗是离子渗氮、离子氮碳共渗、离子渗碳、离子碳氮共渗、离子渗硫、离子渗硼及离子渗金属等表面扩渗技术的总称,其中开发最早和应用较多的是离子渗氮。原理：原理：等离子体表面扩渗是在真空室中通入少量与欲渗元素有关的气体,在阴极工件)和阳极间施加高压,使气体产生辉光放电,一方面加热工件,另一方面渗入元素的离子轰击工件表面形成扩散层或覆盖层。等离子体表面扩渗速度比一般表面扩渗快等离

19、子体表面扩渗速度比一般表面扩渗快原因：原因：高能粒子轰击工件表面,将产生如下几种效应 粒子的大量动能转化为热能,使工件表面升温 高速粒子的轰击作用使其可直接注入工件表面; 高速粒子的轰击产生溅射作用,使表面净化.消除表面气体吸附层及氧化物,减轻钝化层对反应的阻碍作用,使表面处于活化状态。 1、 等离子体等离子体表面扩渗设表面扩渗设备备 （ 典型的等典型的等离子体扩渗离子体扩渗设备组成设备组成右右图所示）图所示） 等离子体表面扩渗设备主要由炉体等离子体表面扩渗设备主要由炉体、真空系统真空系统电源系统电源系统、供气系统和检测系统等几部分组成供气系统和检测系统等几部分组成 炉体炉体有钟罩式、井式.通

20、用式和卧式等几种类型.工作炉膛为真空容器,炉膛内有阴极和阳极,常以工件作阴极,炉壳为阳极。 真空系统真空系统采用机械泵或机械泵和扩散泵串接的真空机组即能满足要求。 电源系统电源系统由供电装置、自动灭弧装置、测量仪表、控制柜等组成。 供气系统供气系统由气瓶、流量计等组成,有时直接供给含欲渗元素的气体,有时是由热分解装置产生所需气体。 检测系统检测系统包括温度检测系统和真空检测系统等 2、等离子体表面扩渗工艺等离子体表面扩渗工艺（1）离子渗氮离子渗氮 用途：用途：主要用于提高零件的疲劳强度.耐磨性,延长使用寿命;或者用于代替渗碳,淬火回火.氮碳共渗等工艺,减小变形,降低废品率。 优点：优点：冷速较

21、快、生产周期短,热效率高,节约能源;处理温度范围宽，工件变形小,材料适应性强;渗层组织易控制可局部渗氮;几乎无污染无公害,劳动条件好; 缺点：缺点：设备复杂.投资大,调整维修困难,对操作人员的技术要求较高。(2)离子渗碳离子渗碳 原理原理：工件在低气压(低于105pa)含有碳氢化合物的气氛中加热。并在作为阴极的工件与阳极之间加直流电压,产生辉光放电,等离子体中的碳离子被加速后轰击工件表面而渗碳。 特点：特点：具有高浓度渗碳、高渗层渗碳以及对于烧结件和不锈钢等难渗碳件进行渗碳的能力,渗碳速度快,渗层碳浓度和深度容易控制,渗层致密性好,渗剂的渗碳效率高,渗碳件表面不产生脱碳层.无晶界氧化,表面清洁

22、光亮,变形小.处理后的工件耐磨性和疲劳强度比常规渗碳件高（3）离子碳氮共渗离子碳氮共渗 基本原理类同于离子渗碳,只是通入的:气体含有氮原子,渗速比普通碳氮共渗快23倍,在一定设备条件下.可采用碳氮复合离子渗,即“渗碳渗氮”或“渗氮渗碳”交替进行,以获得渗层组织是碳化物+氮化物的复合层.这种复合渗工艺,不仅时间短,而且性能也好。(4)离子渗金属离子渗金属 在低真空下,利用辉光放电即低温等离子体轰击的方法,可使工件表面渗入金属元素,还可以进行多种元素的复合渗和表面合金化处理,以获得更好的表面性能 大多数表面扩渗处理大多数表面扩渗处理时间长时间长,局部防渗困局部防渗困难难,能耗大能耗大.设备和材设备和材料消耗严重料消耗严重.污染环污染环境境. 采