材料表面工程-第二讲

材料表面工程主讲教师：吕祥鸿西安石油大学材料科学与工程学院1

一、热扩渗

二、热喷涂三、热喷焊和堆焊目录一、热扩渗1.热扩渗概述及分类

2.热扩渗原理

3.热扩渗工艺

31.热扩渗概述及分类定义-通过加热扩散把一(或几)种元素渗入金属表面，形成扩散合金层的工艺。所形成的合金层叫做叫做热扩渗层(简称渗层)。

选择不同热扩渗材料(基体和渗剂)，可改变渗入元素，得到组织性能不同的表面(如耐蚀、耐磨、耐氧化等)。渗层特点-渗层与基体金属间形成合金，即冶金结合。结合非常牢固，渗层不易脱落。一、热扩渗4形成渗层基本条件

渗入元素与基体金属能够形成固溶体或金属化合物;

渗入元素与基体金属有直接接触;

渗入元素在基体金属中有一定的渗入速度;④对于由化学反应提供活性原子的，该反应必须满足热力学条件：反应进行，平衡常数>1%。一、热扩渗5渗层形成机理

产生渗剂元素的活性原子;

活性原子吸附于基体表面，并被表面吸收形成固溶体或金属间化合物;

渗剂元素原子向内部扩散，基体原子向渗层扩散，渗层增长。热扩渗过程中扩散机理间隙式扩散机理置换式扩散机理空位式扩散机理—金属元素—非金属元素一、热扩渗6热扩渗影响因素热扩渗初始阶段:溶入原子的扩渗速度受产生渗剂活性原子的反应速度控制；而当渗层达到一定厚度时，扩渗速度取决于扩散速度。影响化学反应速度的因素:反应物浓度，反应温度，活化剂(催化剂);(如钢中渗Cr时，渗剂中往往加入少量活性剂NH4Cl，分解出的HCl气还原钢表面氧化膜，使表面活化，加速扩渗过程。)影响扩散速度的因素:热扩渗温度和时间，基体内部晶体缺陷。一、热扩渗7渗层组织特征形成连续固溶体的扩散——纯扩散；伴随新相产生的扩散——反应扩散；二元合金渗层一般不会出现两相共存区。一、热扩渗8热扩渗工艺分类①按温度分为:高温热扩渗>910℃——渗速快，渗层厚，工件变形大，整个基体发生相变;中温热扩渗720~910℃;低温热扩渗<720℃——渗层薄，但基体无相变，工件变形小，适于精密工件表面强化。②按渗入元素化学成分特点分为:非金属元素热扩渗—渗碳，渗氮，等;金属元素热扩渗—渗铝，渗锌，等;金属-非金属多元共渗—Ti+C，Al+Si共渗，等。

按扩渗时渗剂物质状态分为:气体热扩渗;液体热扩渗;固体热扩渗;复合热扩渗;等离子体热扩渗。一、热扩渗92.热扩渗原理（1）固渗法(固体热扩渗)定义-把工件放入固体渗剂中(或用固体渗剂包裹工件)加热到一定温度保温一定时间，使工件表面渗入某种元素或多种元素。固渗法优点-设备简单，操作容易，适用于形状复杂的工件；固渗法缺点-渗层组织和深度都难以控制，尺寸、数量受限制，效率低，处理温度高，时间长，基体强度有所降低，能耗高，劳动条件差(粉尘)。一、热扩渗10固渗法分类-粉末包渗法和膏剂法。

粉末包渗法：最普通，最悠久的固体热扩渗法。把工件埋入装有欲渗金属粉末、防粘结粉末和活性剂的混合物(粉末渗剂)的容器中，然后密封容器，高温加热使欲渗金属发生热扩渗。

膏剂法：将粉末渗剂与粘结剂按适当的比例调成膏剂，然后涂在金属表面，干燥后(多数要求在非氧化环境中)加热扩散形成渗层。膏剂中供渗剂含量高，只加抗粘结剂，不加填充剂。一、热扩渗11（2）液渗法定义-将工件浸漬在熔融液体中，使工件表面渗入某种元素或多种元素的工艺方法。分类-热浸法、熔烧法、盐浴法热浸法：将工件直接浸入某一液态金属中，经较短时间即形成合金渗层。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，与基体金属结合不牢固，因此一般在热浸镀后还要加热使镀层扩散，形成合金层。优点:设备简单，容易操作，生产效率高。缺点:镀层厚度不易均匀，只适于热扩渗熔点较低的金属。一、热扩渗12热浸渗过程的三个步骤:①铁基表面溶解，形成合金层;②合金层中渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物;③合金层外包络一层纯金属。以热浸铝为例:①形成Fe-Al合金层，FeAl3相;②Al向内扩散，FeAl3相增厚，出现Fe2Al5相;③Fe2Al5相沿扩散方向长大为柱状晶。热浸铝后形成的渗层组织:由表向里依次为纯铝，FeAl3相，Fe2Al5相。一、热扩渗13熔烧法-把扩渗金属或合金粉末加粘结剂后制成料浆，再将料浆均匀涂覆于工件表面，干燥后在惰性气体或真空环境中以稍高于料浆配方熔点的温度加热烧结，通过液固相扩散而形成合金渗层。优点:与热浸法比，渗层成分及厚度均较均匀，并且热传递性好，渗速快。盐浴法-在盐浴中使工件表面渗入某种或几种元素的工艺方法。其扩渗原理有两种:一是由组成盐浴的物质作渗剂，利用它们之间的反应产生活性原子，使工件表面渗入某一种或几种元素;二是用盐浴作载体，另加入渗剂，利用盐浴的热运动运载渗剂与工件表面接触，使工件表面渗入某一种或几种元素。一、热扩渗14（3）

气渗法定义-气体热扩渗是把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到渗剂原子能在其基体中产生显著扩散的温度，使工件表面获得该渗剂元素的工艺过程。优点-是工件渗层厚度均匀，易控制；容易实现机械化、自动化生产；劳动条件好，环境污染小。缺点-是设备一次性投资较大。分类-常规气体法、低压气体法。一、热扩渗15常规气体法-在常压下进行的热扩渗工艺，目前应用最为广泛。其生产量占整个热扩渗工艺的近70%。低压气体法-是将工件放入低压容器内加热，通入渗剂，使工件表面渗入某种元素的工艺过程，实际上是将真空技术用于气体热扩渗。(防止氧化、去除氧化膜及油脂。使表面洁净而处于活化状态)一、热扩渗16（4）

复合渗法定义-复合渗实际是固渗的发展。采用其他镀层手段先在工件表面制造一固相镀(涂)层，然后加热工件(连同涂层)，使之产生扩散形成扩散渗层，从而减少或消除原镀层的多孔性，提高镀层结合力。

加热的方法-如:普通加热炉加热，高频感应加热，通电加热，辉光放电加热，电子束加热，离子束加热等。分类-电泳渗、喷镀渗、电镀渗、化学镀渗、真空镀渗一、热扩渗17电泳渗-先用电泳镀的方法做成镀层，然后加热扩散形成表面合金层。电泳镀是一种较新的电镀方法，将要镀金属微粒用溶剂做成悬浮液，加入充电剂使其形成带电粒子，在直流电场作用下这些粒子就向液体中带异号电荷的工件运动，并在工件表面上放电、沉积。

优点-渗层厚度均匀，外观光洁，工艺简便，生产率高。喷镀渗-用热喷涂的方法先把欲渗金属喷到工件表面上，然后进行扩散，从而达到扩渗的目的。该法改善了热喷涂涂层的质量。一、热扩渗18（5）

离子轰击扩渗法定义-利用低真空气体辉光放电等离子体轰击工件表面进行扩渗。等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，可以看作是“电离的气体”，它呈电中性，广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

优点-等离子体中离子活性比原子高，加上电场的作用，因此渗速较高，质量较好。缺点-除离子氮化已经成熟，包括渗碳在内的离子渗金属尚在研发之中。一、热扩渗193.热扩渗工艺（1）固体热扩渗-固体粉末渗硼渗硼剂:供硼剂(硼铁、碳化硼、无水硼砂)，催渗剂(卤化物)，填充剂(碳化硅,氧化铝)。将工件放入渗硼箱，四周填充渗硼剂，将渗硼箱密封后放入加热炉中加热保温。一、热扩渗20渗硼工艺及组织-Fe-B共晶温度为1146℃，渗硼处理温度:900~1000℃，时间1~5h。对变形有要求的钢件渗硼温度一般为850~900℃。所得渗层为FeB、FeB2表面层，渗层与基体间硬度陡降。FeB、FeB2硬度高、脆性大。

渗硼件性能-

硬度，FeB显微硬度1800~2200HV，FeB2显微硬度1200~1800HV；

强度与耐磨性，抗拉强度和韧性降低，耐磨损能力非常好；

耐腐蚀性能，耐硫酸、盐酸、磷酸的水溶液腐蚀，但不耐硝酸和海水腐蚀；④抗高温氧化性能，在空气中加热到800℃保持40h，氧化增重甚微。一、热扩渗21（2）液体热扩渗Ⅰ.热浸锌(热浸铝)-热浸锌广泛用于钢板，水管，钢丝，螺栓(母)。渗铝是提高钢材抗硫化物腐蚀有效方法。铁锌合金层基体纯锌层表面内部

热浸锌层主要分为铁锌合金层和纯锌层。一、热扩渗22热浸锌主要工艺参数:

锌液温度:440~465℃,温度↑→浸锌层塑性↓，锌锅寿命↓;温度↓→锌液粘度大，浸锌层厚度及不均匀性↑;

浸锌时间及抽出速度:浸锌时间↑→合金层↑;抽出速度↑→纯锌层↑，太慢→纯锌层太薄，浸锌层塑性降低;

太快→附着过量锌凸凹不平。一、热扩渗23热浸铝主要影响因素:

工件基体化学成分:C、Si、Cr、Mn↑→合金层厚度↓；

铝液成分:Si增加铝液流动性→合金层厚度硬度↓，与此相反，Fe增大铝液粘度→合金层厚度↑；

浸铝温度和时间。

一、热扩渗24Ⅱ.低温盐浴共渗法

盐浴氮碳共渗(Melenite)-德国1974；盐浴氮碳共渗工艺:在550~600℃盐浴(CNO2-含量在34~38%)中；保温一定时间出炉冷却(空冷、油冷、水冷、专用盐浴中冷却)。

盐浴硫氮碳共渗(Sursulf)-法国1970年代末。硫氮碳共渗工艺:由于硫的渗入，工件具有优良的耐磨减摩、抗咬死、抗疲劳性能、改善耐蚀性(不锈钢除外)。一、热扩渗25（3）气体热扩渗Ⅰ.气体渗碳-将低碳钢(低碳合金钢)在增碳活性气氛中加热到900~950℃，使活性碳原子进入钢表面，使表面成为高碳钢，通过淬火和低温回火，使工件表面高硬耐磨，心部塑韧性好。常用于汽车、拖拉机齿轮、凸轮轴等零件。影响因素-

温度和时间；

渗碳气氛—碳势；

钢化学成分，碳化物形成元素↗渗层C含量。一、热扩渗26气体渗碳主要方式

按渗碳气体的产生方法及种类分为：滴注式气体渗碳；吸热式气体渗碳；氮基气氛渗碳。

按渗碳层深度不同分为:浅层渗碳(<0.7mm)，2~3h；常规渗碳(0.7~1.5mm)，5~8h；深层渗碳(>1.5mm),16~30h。

按所用设备分为:周期气体加热炉(井式，卧式)；连续气体加热炉(网带输送式，推杆式)。一、热扩渗27气体渗碳的组织和性能

表面硬度、渗碳层深度、心部硬度是衡量渗碳件合格的三大指标。

表面硬度决定于表面碳含量;渗碳层深度取决于负荷和心部材料强度;心部组织应为低C马氏体(索氏体)，心部硬度太高，零件耐冲击及耐疲劳性差；心部硬度太低，容易造成心部屈服而导致渗层剥落，导致零件过早破坏。一、热扩渗28Ⅱ.气体渗氮渗剂一般为氨气或氨的化合物，一般在井式气体炉中进行。渗氮层硬度可达950~1200HV，具有耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合能力。渗氮温度低(480~570℃)。由于温度低，所需时间较长(数十至上百小时)，成本高，渗层薄，脆性大，不能承受过高压力或载荷。多用于销轴类零件，渗氮前需进行调质处理。Ⅲ.气体碳氮共渗和氮碳共渗碳氮共渗:780~930℃，以渗碳为主；氮碳共渗:520~580℃，以渗氮为主—软氮化。一、热扩渗29（4）离子轰击扩渗法——离子渗氮离子渗氮原理-利用辉光放电，将含氮气体介质电离后渗入工件表面，获得表面渗层。离子渗氮炉内抽真空至1.33Pa左右，通入少量氨至70Pa，阴极(工件)与阳极间加直流高压，使炉内气体放电，氮和氢离子在高压电场作用下冲向工件表面，产生大量的热并使氮原子(氮离子)吸附于工件表面，并向内扩散。一、热扩渗30影响离子渗氮的因素温度↑→渗层厚度↑；时间↑→渗层相组织变化(ε减少，γ增多)；气体成分，纯N2不如N2+H2和NH3好；炉气气压，辉光放电电压和电流密度。离子渗氮的性能

硬度，与气体渗氮硬度分布不同；

疲劳强度，随扩散层厚度增加而增大；

韧性，仅扩散层无化合物层的渗氮层韧性好；

耐磨性，随含N量增大提高，但到一定值则降低。一、热扩渗3132/120

一、热扩渗二、热喷涂三、热喷焊和堆焊目录1.热喷涂技术概述及特点2.燃烧法热喷涂3.电加热法热喷涂4.热喷涂涂层质量评定二、热喷涂331.热喷涂技术概述及特点定义-采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层，以提高零件耐蚀、耐磨、耐高温等性能。造纸厂轧辊表面喷涂WC叶轮表面热喷涂二、热喷涂34瑞士人肖普1910年发明，到20世纪50~60年代，等离子体技术出现后有突破性发展。热喷涂技术最初应用于航天和航空工业中，并迅速向民用工业部门转移，现已广泛推广应用。二、热喷涂35特点:

①取材范围广:几乎所有的金属、合金、陶瓷、以及塑料、尼龙等有机高分子材料都可以作为喷涂材料;

②可用于各种基体:在金属、陶瓷器具、玻璃、石膏等固体都可以进行喷涂;

③基体温度低、基材变形小:基体温度可控制在30～200℃，不变形、不弱化。

④工效高、操作灵活:操作程序少，速度快，如对同样厚度的膜层，时间比电镀少得多。

⑤被喷涂工件大小不受限制:既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂。

⑥涂层厚度容易控制:薄者可为几十微米，厚者可为几毫米。

⑦缺点:热效率低，材料利用率低，结合强度低等。二、热喷涂36涂层材料:

①热喷涂材料的基本要求ⅰ.应具有较宽的液相区，易分解(挥发)材料(如碳化钨)一般采用复合材料喷涂，如镍-碳化钨;ⅱ.形状尺寸要求:线材Φ1~3mm，粉末Φ1~100μm，难以制备为线材的，可制成棒材或带材。

②常用热喷涂材料金属、陶瓷、塑料、复合材料。ⅰ.金属热喷涂材料一般有线材和粉末两种形式。制备方法:线材-拉拔，粉末-雾化法。粉末材料表面积大，氧化程度高，优先使用线材。但粉末制备简单、灵活，成分不受限制，小批量热喷涂一般采用粉末材料。二、热喷涂37ⅱ.陶瓷热喷涂材料主要形式是粉末。制备方法:熔融破碎、化学共沉淀、喷雾干燥等。非氧化物陶瓷(如碳化钨)在喷涂中易挥发或分解，热喷涂主要集中在氧化物陶瓷材料上(如Al2O3、Al2O3·TiO2、ZrO2·Y2O3、Cr2O3)。ⅲ.塑料热喷涂材料热喷涂塑料层比传统的刷涂、静电喷涂塑料涂层的成本低、投资少、涂层厚度与工作场地无限制、不含溶剂、符合环保要求。采用的塑料涂层材料熔化温度范围应较宽、粘度较低、热稳定性应好，一般采用粉末形式。二、热喷涂38ⅳ.热喷涂用复合材料两种:一类是为适应热喷涂工艺而制备的复合材料，例如，为防止碳化钨材料在喷涂中氧化分解而制备的镍包碳化钨复合粉末材料，它们是当前热喷涂用复合材料的主流；另一类是通过增强相增强涂层性能的复合材料，如纤维增强涂层材料，这类材料目前还在研究探索过程中。二、热喷涂39涂层形成过程:

①首先是喷涂材料被加热达到熔化或半熔化状态;②紧接着是熔滴雾化阶段；然后是被气流或热源射流推动向前喷射的飞行阶段；③最后以一定的动能冲击基体表面，产生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固。二、热喷涂40涂层结构:喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式层状堆叠在一起的组织结构。涂层中颗粒间存在孔隙或空洞，孔隙率一般为1~15％。涂层中伴有氧化物夹杂。采用高温热源(如等离子弧)、超音速喷涂、低压或保护气氛，可减少以上缺陷。二、热喷涂41涂层结合机理:

涂层与基体表面的结合→结合强度称为结合力;

涂层内部的结合→结合强度称为内聚力。通常认为涂层结合机理有以下几种方式:①机械结合。碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于凸凹不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。一般说来，涂层与基体表面的结合以机械结合为主。②冶金-化学结合。涂层和基体表面出现扩散和合金化时的一种结合类型，在结合面上生成金属间化合物或固溶体。

③物理结合。由范德华力(次价键)形成的颗粒与基体表面的结合。二、热喷涂42涂层残余应力:熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时，受激冷而凝固，从而产生微观收缩应力，涂层外层受拉应力；基体(涂层内层)产生压应力。该残余应力与喷涂热条件及涂层与基体物理性质差异有关。该应力随涂层厚度加大而增加，直至涂层断裂或从基体上剥离。涂层残余应力的预防①进行预处理，以使应力分散，并限制其收缩应变，如吹砂后的粗糙表面能抑制和控制这种收缩应变。②较大的粗糙度，即宏观粗化，如开沟槽、车螺纹等，不但有助于涂层结构的形成，而且可以使收缩应力限制在局部范围内。二、热喷涂43热喷涂工艺流程:表面预处理清洗，粗化，粘结底层

热喷涂热能，热能与喷涂材料作用，颗粒与基体作用后处理封孔，密实化机加工车削，磨削，抛光二、热喷涂44热喷涂分类:二、热喷涂

一般按照热源的种类,喷涂材料的形态,加热和结合方式及涂层的功能来分。

按涂层的功能分为耐腐,耐磨,隔热等涂层;

按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔:前者是基体不熔化,涂层与基体形成机械结合;后者涂层重熔,涂层与基体互溶扩散形成冶金结合。常用的分类是根据热源不同,分为燃烧法和电加热法两大类,同时根据喷涂用材料的形式和喷涂时的气氛环境还可进一步分类。452.燃烧法热喷涂（1）火焰喷涂定义-通过氧－乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过压缩气体雾化并加速喷涂材料，随后在基体上沉积成涂层。除乙炔外，也可用甲基乙炔、丙二烯、丙烷、氢气或天然气。分类-根据喷涂材料的形式，火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，另外，把超音速喷涂归入此类。优点-设备投资少，操作容易，无电力要求，沉积效率高；缺点-涂层氧含量多，空隙多，结合弱。二、热喷涂46①线材火焰喷涂法定义-线材送入喷枪后，由喷枪驱动轮连续输送到喷嘴，在喷嘴前端被火焰加热熔化，然后被压缩空气雾化并加速喷涂在基体表面。二、热喷涂47②粉末火焰喷涂法定义-喷涂材料是粉末。用少量气体将喷涂粉末输送到喷嘴前端，通过燃气加热、熔化并加速喷涂到基体表面。二、热喷涂48③超音速火焰喷涂法定义-燃气与助燃剂(O2)以一定比例导入燃烧室内混合，燃烧产生高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。送粉气(Ar或N2)将粉末定量送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上(演示)。二、热喷涂49（2）爆炸喷涂定义-氧气和乙炔点火燃烧，气体膨胀产生爆炸，释放出热能和冲击波，热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面上形成涂层。二、热喷涂50特点：最大特点是粒子飞行速度高，动能大。所以涂层和基体的结合强度高，最高可超过85Mpa；涂层致密，气孔率很低，可达理论致密度的99.9％；杂质含量低。爆炸喷涂可喷涂金属，金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛。二、热喷涂513.电加热法热喷涂（1）电弧喷涂定义-在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，电弧产生的热使金属焊丝熔化，然后被压缩空气喷向基体表面而形成涂层。二、热喷涂52特点：只能用于具有导电性能的线材，主要用于喷涂锌铝防腐蚀涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，以及大型零件表面修复与强化。比火焰喷涂粉末粒子含热量更大，粒子飞行速度更快，形成局部微冶金结合可能性要大。所以，涂层结合强度较火焰喷涂高1.5～2.0倍，最高可达40Mpa；理论致密度可达70~90%。

具有成本低，一次性投资少，使用方便等优点。二、热喷涂53（2）等离子喷涂定义-采用等离子火焰作为热源对喷涂材料加热。等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后发展的新型多用途精密喷涂方法。二、热喷涂54喷枪由铜阳极嘴和钨阴极头组成，都采用高压水冷却。离子气由阴极流向阳极，经压缩后从阳极喷射出去。压缩的等离子弧喷出后，离子气急剧膨胀，加速到亚音速或超音速，焰心最高温度可达20000～30000℃。二、热喷涂