revised第五章 热扩渗

第五章热扩渗第一节定义、条件和过程定义：所谓热扩渗就是金属材料及热处理里讲的化学热处理，就是将金属工件防入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热、保温使介质中的活性原子被吸收、扩散渗入工件一定深度的表层，改变表层的化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺，叫热扩渗。目的：就是为了提高材料表层的机械性能，具体来说，就是提高耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性。种类：渗碳、氮化、渗硼、渗金属热扩渗时要使某种元素渗入工件表面，必须具备两个条件：(1)

钢本身必须具有吸收渗入元素活性原子的能力，即该原子能溶入铁晶格中形成固溶体，在铁中有一定的溶解度，或与铁具有较强亲合力形成化合物。(2)

渗入元素的原子必须是具有化学活性的活性原子，即它是从某种化学介质中分解出来的，或经离子转化形成的，这样的活性原子处于高能状态，它能克服钢件表面铁原子的结合力而渗入工件表面。基本过程（形成机理）：(1)将工件加热到一定温度，使之有利于溶入活性原子或形成化合物。(2)利用化合物分解或者离子转化得到渗入元素活性原子。(3)活性原子吸附在钢件表面，溶入钢件表层，并在保温过程中，由表层向内扩散，形成一定层深的扩散层。扩散层的组织特征：

扩散层的相组成和化学成分由合金系的相图确定。注意一点：二元合金的渗层一般不会出现两相共存区（由相律决定的）。渗层由浓度呈阶梯式跳跃分布、相互毗邻的单相区组织构成。f=c-p+1C:组元数，p:相数，f:自由度。第二节热扩渗的分类按照加热温度高温>910℃

中温720-910℃

低温<720℃按照介质工作状态气体热扩渗液体热扩渗固体热扩渗第三节气体热扩渗一、气体渗碳目的：是通过向工件表层渗入碳原子，从而使表层具有高的含碳量，并经热处理后使表层具有高硬度、耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性。

设备：主要有井式渗碳炉和连续渗碳炉，小批量的生产使用井式渗碳炉，大批量的生产就使用连续炉。CH4[C]+2H22CO[C]+CO2CO+H2[C]+H2O工艺参数：(1)温度和时间温度选择原则，即要使渗碳过程以较快的速度进行，从钢本身来说，渗碳温度下应该能容纳较多的碳原子，从活性碳原子来说，扩散速率应较快，渗碳温度就应该在较高温度下进行，900-950℃

。时间由渗层深度决定，井式炉大约是0.2mm/h,一般0.8-1.2mm,4-6h.

(2)渗碳气氛（含碳量的控制)

气氛是通过控制碳势来控制的。因为不同渗碳剂产生活性碳原子的能力是不同的。碳势就是在给定温度下，钢件表面含碳量与炉中气氛达到动平衡时，钢件表面的实际含碳量。渗碳用钢

低碳钢和低碳合金钢。含碳量过高会降低心部组织的塑性和韧性。15，20，15Cr,20Cr,20CrMnTi,20CrNiMo

碳势的控制通常可用低碳钢箔(厚度<0.1mm)在含碳气氛中的平衡碳含量来表示。测量方法：假设炉气氛处于平衡条件下，按热力学分析得出的。H2+CO2+=H2O+CO2CO=[C]+CO2k2=[pco]2/acPco2，红外仪测CO2浓度CO+H2=[C]+H2Ok3=PH2*PCO/PH2Oac，测露点温度CO=[C]+1/2O2,k4=pCO/[pO2]1/2ac,氧探头，测氧电势渗碳后的热处理和组织性能渗碳后，钢件表层含碳量可达到0.9-1.25%。渗碳零件的一般工艺路线是：

下料-锻造-正火-机加（粗）-渗碳-淬火+低温回火-机加（精）为了提高渗碳件的性能，渗碳后还要进行淬火并低温回火。组织

表层：细小的片状回火马氏体及少量渗碳体，HRC58-62

心部：15，20，铁素体和珠光体HRC10-15，20CrMnTi低碳回火马氏体、铁素体、屈氏体HRC35-45。应用：汽车、拖拉机发动机、变速齿轮。二、气体氮化定义：向钢的表面渗入氮原子，形成坚硬化合物层的过程称为氮化。目的：是为了获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性和抗蚀性，与渗碳不同的是氮化是靠在表层形成氮化物来实现强化的。氮化原理：

使用的渗剂是氨气。气体氮化时，将氨气通入加热到氮化温度的密闭氮化炉中，氨气（NH3）在450℃以上温度时与铁接触后分解：2NH3

3H2+2[N]。氮化温度一般选择在500-570℃进行，在此温度下铁素体对氮有一定的溶解能力，α-Fe吸收活性氮原子，先形成氮在α-Fe中的固溶体，当氮含量超过α-Fe的溶解度时，便形成氮化物Fe4N和Fe2N。所以氮化后组织由里及表依次为：Fe2-3N(ε）-Fe4N（r’)-α-Fe(N)-心部组织。氮化层厚度一般在0.15-0.7mm范围内选择，氮化时间为10-100h.

特点：

(1)氮化件具有极高的硬度和耐磨性。由于在氮化后在表层形成极硬的氮化物，HV850以上，相当于HRC65-72,比渗碳淬火硬度高的多。因此氮化后无须进行淬火。(2)具有较高的红硬性，氮化物的高硬度可以保持到相当高的温度（600-650），而渗碳件则不同（硬度在300以上明显下降）。(3)抗腐蚀性好，氮化物结构致密，化学稳定性好，能耐自来水、大气和蒸汽、碱液的腐蚀，但是不耐硝酸腐蚀。氮化处理、温度低变形小。应用:

各种精密齿轮、高精度机床主轴以及要求变形很小的耐热、耐蚀、耐磨的零件（如高温阀门等）。氮化用钢：

中碳合金钢，一般含有合金元素Cr、Mo、Al、V、Ti等。这些元素极易与氮形成颗粒细密，分布均匀，硬度高而且稳定的化合物CrN、MoN、AlN、VN、TiN.38CrMoAl.

渗氮层中各相特点α，间隙固溶体,体心，硬度高于基体γ，面心立方，仅存在于共析点之上γ‘，Fe4N,面心，硬度较高，脆性小ε，Fe2-3N,密排六方，硬度较高，脆性小ζ，Fe2N,斜方，脆性大热浸锌和热浸铝

将钢材浸到熔融的锌液或铝液中，在钢材表面形成锌及锌铁合金层或铝及铝铁合金层。热浸锌是一种应用非常广泛的材料表面工艺，主要应用在大气和海洋中工作的工件表面，水管，高速公路护栏、铁塔和螺栓。热浸铝比热浸锌更耐大气腐蚀，主要用于汽车排气管、消音器、高速公路护栏。

第四节液体热扩渗热浸镀步骤：（1）铁基表面溶解，界面上形成合金层。（2）渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物（3）表面包络一层纯金属。第五节固体热扩渗固体热扩渗就是将工件放到一个密闭的箱中，工件周围充满了固体渗剂，然后加热保温一段时间，使工件表面渗入某种元素的工艺。固体渗剂由三部分组成：

供渗剂：产生渗入元素的活性原子。

催渗剂：促进活性原子渗入。

填充剂：减少渗剂板结，降低成本。（还原剂）:将欲渗元素还原成活性原子。固体热扩渗优点是设备简单，买些简单的渗剂就可以了，化工商店都有卖的。缺点是能耗大，生产率低，工作环境差，渗层组织难以精确控制，生产上应用不普遍。方法粉末法和膏剂法粉末法工件埋入粉末渗剂或粒状渗剂的容器内进行热扩渗。膏剂法将粉末渗剂和粘结剂调成膏体，涂在工件表面干燥后加热扩散形成渗层。一般涂5mm厚度。里面不加填充剂，但是加抗粘结剂（防止冷却后粘结）固体渗硼目的：希望在工件表面形成高硬度的Fe2B（1200-1800HV），所以渗硼能显著提高钢件的表面硬度和耐磨性，特别是耐磨粒磨损的能力，而且能耐硫酸、盐酸的腐蚀，800℃没有明显的氧化，因此，改善耐热性和耐蚀性。组织与性能：渗硼后的显微硬度曲线分为三个台阶，第一个台阶HV为2000左右，对应着FeB,第二个台阶HV为1400左右，对应着Fe2B，第三个台阶硬度较低，对应着扩散层与基体。FeB很脆，我们希望得到Fe2B，这也是理想的渗层。应用：

泥浆泵零件（耐磨和耐蚀），滚压模具、热锻模具。方法：粉末渗硼和膏剂渗硼。粉末渗硼：生产上常用的渗硼剂由硼铁、碳化硼、无水硼砂和适量的氧化铝(防粘结粉末)和卤化物（助渗剂，NH4Cl）组成。处理温度：900-1000℃，时间为1-5h.可形成0.05-0.15mm的渗硼层,NH4ClNH3+HCl2NH33H2+N2,N2和H2会排除容器内的空气造成还原气氛。可以获得耐磨的Fe2B表面层。这种方法质量稳定，操作简便已在生产中应用。膏剂渗硼：比较适用于大型零件的局部渗硼。

渗硼件的性能特点：渗硼件硬度极高，耐磨、耐蚀、抗氧化性能好，而且摩擦系数小。(1)硬度

FeB显微硬度为1800—2200HV；Fe2B显微硬度为1200-1800HV.

钽的硼化物硬度高于3000HV，铝、钨、钼的硼化物硬度也都在2000HV以上。钢中含碳量的增加可减少双相型渗硼层中FeB的相对含量并使FeB硬度降低。(2)强度与耐磨性钢件经渗硼处理后抗拉强度和韧性下降．但抗压强度提高。渗硼工件耐粘着磨损性能比渗碳淬火、离子渗氮更高，耐磨料磨损能力也非常好。

(3)耐腐蚀件能钢件渗硼后在硫酸、盐酸、磷酸等水溶液中的耐蚀性能均明显提高，但不耐硝酸及海水腐蚀。(4)抗高温氧化性能渗硼层具有—定抗高温氧化性能。在空气中加热到

800℃持续40h，氧化增重甚微。抽油管的渗硼耐蚀性好耐磨性好渗硼层厚度、表面硬度与渗硼时间渗硼时间（小时）渗硼层厚度（mm）硬度（HV）30.045112040.052112050.0671160氢氧化钠溶液

盐酸

硫酸

腐蚀后试样实物照片

渗硼与未渗硼试样在H2SO4、HCL介质中的腐蚀失重比较

试样的磨损失重比较

渗硼抽油管经济效益分析

未处理抽油管每米成本约为60元，渗硼费用为25.15元，在不计入清洗费、人工费的情况下，每米成本约为85元。经过内表面处理的抽油管每米市场价格约为120元，因此，每米可增加产值35元。按每天处理一炉，一炉处理105根，每炉可创产值=105×9.8×120=12.348万元，利润=35×105×9.8=3.6015万元。按每年工作300天计算，年产值可达3704.4万元，年利润可达1080.45万元。单以腐蚀为主要失效机制的情况下，按渗硼层的使用寿命是未渗硼的50倍计算，渗硼层的厚度取为0.09mm,当渗硼层腐蚀掉后，抽油管内径扩大0.18mm，而未渗硼抽油管的内径扩大9.00mm,壁厚减少4.5mm。因此，一根渗硼管的使用寿命是未处理管的3倍。

在腐蚀和磨损共同作用的条件下，按渗硼层的使用寿命是未渗硼的30倍计算，渗硼层的厚度取为0.09mm,当渗硼层腐蚀和磨损掉后，抽油管内径扩大0.18mm,而未渗硼抽油管的内径扩大5.4mm,壁厚减少2.7mm。因此，一根渗硼管的使用寿命是未处理管的2倍以上。

CatalysisofrareearthelementNdonboridingofAISI1045steel

Fig.1XRDpatternsofAISI1045steeltreatedwithdifferentboridingagentsat1213K：(a)withoutNd2O3addition，(b)withNd2O3addition.Fig.2OpticalmicrographsofboridedAISI1045steelsubjectedtodifferentprocesstemperatures:(a)1093K,(b)1093KwithNd2O3addition,(c)1213K，(d)1213KwithNd2O3addition.Fig.3Boridelayerthicknessvs.boridingtimeforvariousprocesstemperatures.

Fig.4Growthrateconstantvs.temperatureofboridedAISI1045steel.2BF3+B4C=3BF2↑+3[B]+C

ΔG5(5)3KF+3BF3+2Nd2O3=4NdF3+3KO2+3[B]

ΔG6(6)2KO2=K2O2+O2↑

ΔG7(7)2BF3+3B4C+Nd2O3+6O2=2NdF3+2B2O3+[B]+3CO↑

ΔG8(8)2BF3+B4C+3Fe+2O2=3FeF2+B2O3+6[B]+CO↑

ΔG9(9)B4C+2KF+Fe+3O2=2[B]+FeF2+2K2O+B2O3+CO2↑ΔG10

(10)2BF3+SiC+3Fe+3O2=3FeF2+SiO2+B2O3+CO↑

ΔG11(11)B4C+2KF+3O2=[B]+BF2+B2O3+K2O+CO↑ΔG12(12)

Fig.6ChangesofGibbsfreeenergyasatemperaturefordifferentreactions.

Fig.7ElementmappingonthesurfacesoftheAISI1045steelboridedat1053K

Fig.8ElementmappingonthesurfacesoftheAISI1045steelboridedat1133K.

Fig.9EDSspectrumoftinysphereonsurfaceofRE-boridedAISI1045steelat1133K.Fig.10ElementmappingonthesurfacesoftheAISI