1、5 热扩渗热扩渗教学目的和要求教学目的和要求 掌握热扩渗技术的基本原理及主要种类，热浸渗掌握热扩渗技术的基本原理及主要种类，热浸渗工艺的基本特点，等离子体热扩渗技术的基本特点、工艺的基本特点，等离子体热扩渗技术的基本特点、离子渗氮层的性能特点等。离子渗氮层的性能特点等。 重点：热扩渗技术的基本原理，热浸渗工艺及等重点：热扩渗技术的基本原理，热浸渗工艺及等离子体热扩渗技术的基本特点。离子体热扩渗技术的基本特点。前言前言_关于关于“热扩渗技术热扩渗技术”n定义：定义： 将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形
2、成合金层形成合金层(或掺杂层或掺杂层)的工艺。的工艺。(化学热处理技术化学热处理技术)n所形成的合金层称为热扩渗层，简称所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层渗层。n突出特点：渗层与基体金属之间是突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合冶金结合，结合强度很高。，结合强度很高。n通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同通过渗入不同合金元素或者采用不同渗入工艺，可以使工件表面获得不同组织和性能的扩渗层，从而组织和性能的扩渗层，从而极大极大提高工件的提高工件的耐磨性耐磨性、耐蚀性耐蚀性和和抗高温氧化性抗高温氧化性能能等。等。n广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。广泛应用于机
3、械、化工、微电子和信息等行业。n最早起源于我国战国时代。最早起源于我国战国时代。 勾践剑：宝剑通长勾践剑：宝剑通长55.6厘米，剑身长厘米，剑身长47.2厘米，剑身宽厘米，剑身宽4.6厘米，重厘米，重857.4克。克。 1965年于湖北年于湖北荆州出土荆州出土 ，历经，历经2500多年仍未生锈多年仍未生锈 ，且能吹发可断、一下划破，且能吹发可断、一下划破20多张复印纸。剑表面黑色多张复印纸。剑表面黑色部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。部位是经硫化处理而形成的，主要作用是防锈。n能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、硼、锌、铝、铬
4、、钒、铌、钛、硅、硫等和这些元素的硫等和这些元素的多元共渗多元共渗。5.1 热扩渗技术的基本原理热扩渗技术的基本原理 一、热扩渗层形成的基本条件一、热扩渗层形成的基本条件n渗入元素的原子存在于扩渗层的形式：渗入元素的原子存在于扩渗层的形式： 与与基体金属基体金属形成：固溶体或形成：固溶体或金属间化合物金属间化合物层，或固溶体层，或固溶体+化合物的复合层化合物的复合层n形成渗层基本条件：形成渗层基本条件：1.渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2.欲渗元素与基材之间必须有直接接触。欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3.被渗元素在
5、基体金属中要有一定的渗入速度。被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4.(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺)该反应必须满足热力学条件该反应必须满足热力学条件: a)产生活性原子；产生活性原子； b)反应平衡常数反应平衡常数1%。金属间化合物：金属间化合物：n定义：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）组成的化合物。定义：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）组成的化合物。n当合金中的溶质含量超过其在溶剂中的溶解度时将会出现新相，若当合金中的溶质含量超过其在溶剂中的溶解度时将会出现新相，若新相的晶体结构不同于合金组元的晶体结构，则新相就是金属间化新相的晶
6、体结构不同于合金组元的晶体结构，则新相就是金属间化合物；其晶体结构类型和性能完全不同于它的任一组成元素，金属合物；其晶体结构类型和性能完全不同于它的任一组成元素，金属之间以整数化（化学计量）组成，因此，金属间化合物一般可用分之间以整数化（化学计量）组成，因此，金属间化合物一般可用分子式表示。子式表示。n除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合，因而它具有除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合，因而它具有金属的一些特性，如金属光泽，导电与导热等。此外，金属间化合物具有复金属的一些特性，如金属光泽，导电与导热等。此外，金属间化合物具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而且脆性大。
7、金属间化合物仍然是金属材料。杂的晶体结构，熔点高，硬而且脆性大。金属间化合物仍然是金属材料。二、渗层形成机理二、渗层形成机理（形成过程）（形成过程）1. 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。 活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）（常用方法）。 (等离子体增强等离子体增强) 2. 渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。成最初的表面固溶体
8、或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。 3. 渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过程简称扩散过程)。 扩散的机理：间隙式扩散（扩散的机理：间隙式扩散（渗入原子半径小渗入原子半径小）、置换式扩散和空位式扩散机理。）、置换式扩散和空位式扩散机理。三、热扩渗速度的影响因素三、热扩渗速度的影响因素n热扩渗层的形成速度是由形成渗层的三个过程中最慢的一个来制约。热扩渗层的形成速度是由形成渗层的三个过程中最慢的一个来制约。 在初始阶段：化学
9、反应速度在初始阶段：化学反应速度 在中后期：扩散速度在中后期：扩散速度n能影响化学反应速度和扩散速度的因素，均将影响热扩渗层的形成速度：能影响化学反应速度和扩散速度的因素，均将影响热扩渗层的形成速度：反应物浓度、反应物浓度、反应温度反应温度、催化剂等。、催化剂等。扩散过程中原子平均扩散距离扩散过程中原子平均扩散距离X为为: 其中：其中：t为扩散时间，为扩散时间，C为受几何因素影响的常数，为受几何因素影响的常数，D为扩散速度。为扩散速度。 D=D0exp(-Q/RT) Q为扩散激活能为扩散激活能Dt式（式（2-4）式（式（2-5）四、扩渗层的组织特征四、扩渗层的组织特征n纯扩散：形成连续固溶体纯
10、扩散：形成连续固溶体n反应扩散：形成新相反应扩散：形成新相相图上单相区越宽，相区间的含量差相图上单相区越宽，相区间的含量差就越大，渗入元素的流量将增加，因此就越大，渗入元素的流量将增加，因此该相层就越厚。该相层就越厚。表面表面基材心部基材心部wB(%)T15.2 热扩渗工艺的分类热扩渗工艺的分类(钢铁材料钢铁材料)n按热扩渗温度：按热扩渗温度： 高温热扩渗：高温热扩渗： 高于高于910，基体发生相变，变形较大，基体发生相变，变形较大 中温热扩渗中温热扩渗 低温热扩渗：低温热扩渗： 低于低于720，基体无相变，变形小，基体无相变，变形小Fe-Fe3C相图相图n按渗入元素：按渗入元素：非金属元素热
11、扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属一非金属元素多元共渗、扩散退火共渗、扩散退火(均匀化退火均匀化退火)。n按渗剂在工作温度下物质状态：按渗剂在工作温度下物质状态： 气体热扩渗气体热扩渗 液体热扩渗液体热扩渗 固体热扩渗固体热扩渗 等离子体热扩渗等离子体热扩渗 复合热扩渗复合热扩渗5.3 气体热扩渗工艺气体热扩渗工艺一、气体热扩渗技术的基本工艺特点一、气体热扩渗技术的基本工艺特点n气体热扩渗技术：把工件置于含有渗剂原子的气体介质中加热到渗剂原气体热扩渗技术：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基体中产生显著扩散的温度，使工件表面获得该
12、渗剂元素的工艺子能在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。过程。n种类：常规气体法、低压气体法和流态床法。种类：常规气体法、低压气体法和流态床法。n流态化：固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的现象。流态化：固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的现象。常规气体法：常规气体法：n在常压下进行，应用最为广泛。在常压下进行，应用最为广泛。n主要用途：主要用途：渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、气体渗氮等。渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、气体渗氮等。n设备特点：设备特点：能密封的炉膛、促进气氛均匀的风扇。能密封的炉膛、促进气氛均匀的风扇。n设备种类：设备种类：周期气体加热炉、连续气体加热
13、炉。周期气体加热炉、连续气体加热炉。n周期气体加热炉：周期气体加热炉：井式、卧式、旋转罐式。井式、卧式、旋转罐式。n连续气体加热炉：连续气体加热炉：推杆式、网带输送式、转底式、振动式、旋转罐式等。推杆式、网带输送式、转底式、振动式、旋转罐式等。低压气体法低压气体法(真空扩渗法真空扩渗法)n将真空技术用于气体热扩渗。将真空技术用于气体热扩渗。n能有效地防止表面氧化，去除工件原有的氧化膜以及附着的油脂，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着的油脂，使表面非常洁净而处于活化状态，有利于快速吸收被渗物质。面非常洁净而处于活化状态，有利于快速吸收被渗物质。n特点：工件特点：工件表面表面的
14、被渗元素浓度高、热扩渗速度快；深孔、盲孔、狭缝的被渗元素浓度高、热扩渗速度快；深孔、盲孔、狭缝处以及堆放的细小零件都能获得均匀的渗层。处以及堆放的细小零件都能获得均匀的渗层。n用途：工模具、细小精密零件等。用途：工模具、细小精密零件等。工艺特点：工艺特点：产生活性原子气体的渗剂可以是气体、液体、固体，但在扩渗炉内都成为产生活性原子气体的渗剂可以是气体、液体、固体，但在扩渗炉内都成为气体气体；在气体热扩渗过程中，渗剂可以不断补充更新，使活性原子的供给、吸收在气体热扩渗过程中，渗剂可以不断补充更新，使活性原子的供给、吸收和向内部扩散的过程和向内部扩散的过程持续维持持续维持；可以随时可以随时准确准确
15、调整炉内气氛，实现可控热扩渗。调整炉内气氛，实现可控热扩渗。n工件渗层厚度均匀，易控制；工件渗层厚度均匀，易控制；n容易实现机械化、自动化生产；容易实现机械化、自动化生产；n劳动条件较好，环境污染较小；劳动条件较好，环境污染较小；n设备一次性投资较大。设备一次性投资较大。 二、气体渗碳二、气体渗碳1气体渗碳工艺的基本特点气体渗碳工艺的基本特点n气体渗碳：在增碳的活性气氛中，将气体渗碳：在增碳的活性气氛中，将低碳钢低碳钢或或低碳合金钢低碳合金钢加热到高温加热到高温(一一般为般为900950)，使活性碳原子进入钢的表面，以获得高碳渗层的工艺，使活性碳原子进入钢的表面，以获得高碳渗层的工艺方法。方法
16、。n气体渗碳是目前气体渗碳是目前研究最深入透彻研究最深入透彻、应用范围最广、生产量最大的热扩渗、应用范围最广、生产量最大的热扩渗工艺，绝大部分工件渗碳都是用气体法渗碳。工艺，绝大部分工件渗碳都是用气体法渗碳。n钢件渗碳后：表面为表层珠光体二次渗碳体，心部为珠光体铁素体。钢件渗碳后：表面为表层珠光体二次渗碳体，心部为珠光体铁素体。n渗碳层厚度：表面到过渡层一半处的距离。渗碳层厚度：表面到过渡层一半处的距离。n后续热处理：淬火低温（后续热处理：淬火低温（150200）回火。）回火。n主要性能特点：主要性能特点：表面硬度高（表面硬度高（800940HV，6065HRC）、耐磨损，）、耐磨损，心部硬度
17、低、塑性和韧性好。心部硬度低、塑性和韧性好。n用途：用途：易磨损件，易磨损件，同时同时承受较高的表面接触应力、弯曲力矩及冲击负荷作用的承受较高的表面接触应力、弯曲力矩及冲击负荷作用的零件等。（汽车、拖拉机的齿轮、曲轴，摩托车链条等）零件等。（汽车、拖拉机的齿轮、曲轴，摩托车链条等）2影响气体渗碳工艺的主要因素影响气体渗碳工艺的主要因素 (1)温度和时间：当工件的材质、渗碳温度和碳势确定后，渗碳时间将根温度和时间：当工件的材质、渗碳温度和碳势确定后，渗碳时间将根据渗碳层深度确定据渗碳层深度确定（浅层渗碳约（浅层渗碳约23h，常规渗碳，常规渗碳58h，深层渗碳，深层渗碳1630h）。）。(2)渗碳
18、气氛：主要通过控制碳势来控制气氛的渗碳能力。渗碳气氛：主要通过控制碳势来控制气氛的渗碳能力。（碳势：在给定温度下，钢件表面碳含量（碳势：在给定温度下，钢件表面碳含量(奥氏体态奥氏体态)与炉中气氛达到动平衡时，钢件与炉中气氛达到动平衡时，钢件表面的实际碳含量。）表面的实际碳含量。） (3)钢的化学成分：合金元素直接影响钢吸收碳的能力和碳向内部扩散。钢的化学成分：合金元素直接影响钢吸收碳的能力和碳向内部扩散。n碳化物形成元素能提高渗层表面的碳含量，增大碳的含量梯度；碳化物形成元素能提高渗层表面的碳含量，增大碳的含量梯度；n为使渗碳件具有较高的韧性、适当的淬透性及在渗碳温度下钢中晶粒不致过分长大，为
19、使渗碳件具有较高的韧性、适当的淬透性及在渗碳温度下钢中晶粒不致过分长大，渗碳钢中常含铬、钼、镍、钛等合金元素（渗碳钢中常含铬、钼、镍、钛等合金元素（ 20CrMoTi）。）。三、气体渗氮三、气体渗氮n渗氮：将氮渗入钢件表面的过程。渗氮：将氮渗入钢件表面的过程。n渗氮层性能特点：渗氮层性能特点：（优点优点）硬度可以高达）硬度可以高达9501200HV，其耐磨性、疲劳强度、红硬性，其耐磨性、疲劳强度、红硬性（600 650 ）和抗咬合性能亦优于渗碳层。）和抗咬合性能亦优于渗碳层。（缺点缺点）薄）薄(约约500m)且脆性较高，不能承受过高的压力或者载荷。且脆性较高，不能承受过高的压力或者载荷。n工艺
20、特点：工艺特点：（优点优点）钢的渗氮温度低）钢的渗氮温度低(480600)，且渗氮后工件一般随炉冷却，且渗氮后工件一般随炉冷却，工件变形很小。工件变形很小。（缺点缺点）周期长）周期长(数十至上百小时数十至上百小时)，成本高。，成本高。n设备：设备：渗剂为氨气或氨的化合物，一般用井式气体炉进行。渗剂为氨气或氨的化合物，一般用井式气体炉进行。n基本过程：基本过程：氨气在高温下分解出氮原子，氮原子被工件吸附，并向内扩散，形成渗氨气在高温下分解出氮原子，氮原子被工件吸附，并向内扩散，形成渗氮层。氮层。n渗氮前一般要进行调质处理渗氮前一般要进行调质处理()()Fe-N相图相图五个单相区五个单相区两个共析
21、反应两个共析反应心部心部表面表面n组织：组织：外层为白色的外层为白色的或或相的氮化层，中间为暗黑色含氮共析体（相的氮化层，中间为暗黑色含氮共析体（ ）层，）层，心部为回火索氏体。心部为回火索氏体。n强化机理：合金氮化物的弥散强化作用强化机理：合金氮化物的弥散强化作用氮化物自身具有很高的硬度，且其晶格常数比基材氮化物自身具有很高的硬度，且其晶格常数比基材Fe的大得多，当它与母相保的大得多，当它与母相保持共格联系时，使得持共格联系时，使得Fe晶格产生很大的畸变，导致强化效应。晶格产生很大的畸变，导致强化效应。（渗氮温度太高，氮化物尺寸太大，将破坏和母相的共格关系，降低渗氮层的硬度。）（渗氮温度太高
22、，氮化物尺寸太大，将破坏和母相的共格关系，降低渗氮层的硬度。）n应用：应用：销、轴类和销、轴类和轻载轻载齿轮等齿轮等四、气体碳氮共渗和氮碳共渗四、气体碳氮共渗和氮碳共渗n碳、氮共渗是在渗碳和渗氮基础上发展起来的二元共渗工艺。碳、氮共渗是在渗碳和渗氮基础上发展起来的二元共渗工艺。n碳氮共渗：在碳氮共渗：在780930 碳、氮共渗以渗碳为主。碳、氮共渗以渗碳为主。n与渗碳相比，碳氮共渗：与渗碳相比，碳氮共渗：1.能在能在较低的温度较低的温度热扩渗，零件晶粒不易长大；处理后可以直接淬火；零热扩渗，零件晶粒不易长大；处理后可以直接淬火；零件变形开裂倾向小；件变形开裂倾向小；2.氮的渗入氮的渗入不仅扩大
23、了不仅扩大了相区（使渗层的碳含量升高），而且提高了奥氏体相区（使渗层的碳含量升高），而且提高了奥氏体的稳定性，即提高了渗层的淬透性和淬硬性；而且渗层表面残存一定的的稳定性，即提高了渗层的淬透性和淬硬性；而且渗层表面残存一定的压应力，提高了零件的疲劳强度。压应力，提高了零件的疲劳强度。 3.其疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、抗回火稳定性等都更高。其疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、抗回火稳定性等都更高。n氮碳共渗：在氮碳共渗：在520580 碳、氮共渗以渗氮为主。碳、氮共渗以渗氮为主。（渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化）（渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化）n与渗氮相比，氮碳共渗所需时间大大缩短（与渗氮相比，氮
24、碳共渗所需时间大大缩短（23小小时时）；表面化合物层中不含）；表面化合物层中不含脆性相，渗层韧性好，脆性相，渗层韧性好，裂纹敏感性小。（裂纹敏感性小。（其它性能与渗氮相似其它性能与渗氮相似。）。）n氮碳共渗是一种表面硬度高、耐磨损、抗疲劳、尺氮碳共渗是一种表面硬度高、耐磨损、抗疲劳、尺寸变形小的热扩渗工艺。寸变形小的热扩渗工艺。5.4 液体热扩渗液体热扩渗n定义：定义： 将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法。渗工艺方法。n分类：分类： 盐浴法、盐浴法、热浸法热浸法、熔烧法。、熔烧法。n热浸法热浸法1.定义：将工件
25、直接浸入液态金属中，经定义：将工件直接浸入液态金属中，经较短较短时间保温即形成合金层。时间保温即形成合金层。2.常见：钢铁制品的热浸锌、热浸铝、热浸锡常见：钢铁制品的热浸锌、热浸铝、热浸锡(阴极性履层阴极性履层)等。等。3.特点：生产效率高。特点：生产效率高。 渗层厚度不易均匀，且只适于浸渗熔点较低的金属。渗层厚度不易均匀，且只适于浸渗熔点较低的金属。一、低温盐浴共渗法一、低温盐浴共渗法二、硼砂熔盐金属履层技术（二、硼砂熔盐金属履层技术（T.D法）法）（复习、自学）（复习、自学）三、热浸锌和热浸铝三、热浸锌和热浸铝1. 热浸渗工艺的基本特点：热浸渗工艺的基本特点：n热浸锌和热浸铝是热浸法中热浸
26、锌和热浸铝是热浸法中最常用最常用的工艺。的工艺。n热浸锌或铝就是将钢材或工件浸渍到熔融锌液或铝液中，使钢材或工热浸锌或铝就是将钢材或工件浸渍到熔融锌液或铝液中，使钢材或工件表面形成锌及件表面形成锌及锌铁合金锌铁合金层或铝及层或铝及铝合金铝合金层的方法。层的方法。n热扩渗锌是世界各国公认的一种经济实惠的材料表面保护工艺。广泛热扩渗锌是世界各国公认的一种经济实惠的材料表面保护工艺。广泛应用于在大气和应用于在大气和海洋海洋中工作的钢铁工件上。中工作的钢铁工件上。（热镀锌约占镀锌总量的（热镀锌约占镀锌总量的95%，热镀锌用锌量在世界范围内占锌产量的，热镀锌用锌量在世界范围内占锌产量的40%，在中国约占
27、锌产量的在中国约占锌产量的30%左右。）左右。）n热浸锌方法热浸锌方法特点特点： 生产成本低、效率高、操作简单、生产工艺可靠、易于实现机械化和生产成本低、效率高、操作简单、生产工艺可靠、易于实现机械化和自动化等优点，应用更广泛。自动化等优点，应用更广泛。n热扩渗锌层比电镀锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐磨性。热扩渗锌层比电镀锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐磨性。n渗铝是一种既可以保持工件的基体韧性，又可以提高表面的抗氧化和耐渗铝是一种既可以保持工件的基体韧性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蚀能力的方法。腐蚀能力的方法。n热浸铝层比热浸锌层更耐大气腐蚀。热浸铝层比热浸锌层更耐大气腐
28、蚀。锌锌:熔点熔点420，价格，价格1.5万元万元/吨吨n热浸渗过程：热浸渗过程：热能为反应的主驱动力。热能为反应的主驱动力。 溶解溶解 形成合金层形成合金层 扩散扩散 形成固溶体或形成固溶体或金属间化合物金属间化合物 包络包络 获得纯金属层获得纯金属层(与电镀层相似与电镀层相似)心部心部表面表面2. 热浸渗的工艺方法热浸渗的工艺方法n热浸渗工艺种类：热浸渗工艺种类：溶剂法溶剂法(湿法和干法湿法和干法)、氧化还原法、氧化还原法(森吉米尔法森吉米尔法)。两种方法是按脱脂除锈、表面保洁方式来分类的。两种方法是按脱脂除锈、表面保洁方式来分类的。3. 热浸锌的工艺和性能热浸锌的工艺和性能 热浸锌层由基
29、体向表面有多相组织，各相组织的硬度和韧性等都不一样。热浸锌层由基体向表面有多相组织，各相组织的硬度和韧性等都不一样。热浸锌工艺就是调整各相的比例，得到结合力高、致密且具有良好外观的热热浸锌工艺就是调整各相的比例，得到结合力高、致密且具有良好外观的热浸锌层。浸锌层。n热浸锌方法种类：热浸锌方法种类： 湿法热浸锌、干法热浸锌、氧化还原法热浸锌、铅锌法热浸锌、单湿法热浸锌、干法热浸锌、氧化还原法热浸锌、铅锌法热浸锌、单面热浸锌等。面热浸锌等。 国内应用最多的是：干法热浸锌和氧化还原法热浸锌。国内应用最多的是：干法热浸锌和氧化还原法热浸锌。n锌液：锌液：Zn-Al，Zn-Ni等等n决定浸锌质量的主要工
30、艺参数：决定浸锌质量的主要工艺参数：（1）锌液温度）锌液温度(440-465)温度低，锌液的粘度增加，浸锌层厚度及不均匀性增加。温度低，锌液的粘度增加，浸锌层厚度及不均匀性增加。温度高，浸锌层的塑性降低，锌锅使用寿命缩短；高于温度高，浸锌层的塑性降低，锌锅使用寿命缩短；高于480 时，锌液对基体铁时，锌液对基体铁溶解速度加快，对锌锅和工件都有害。溶解速度加快，对锌锅和工件都有害。（2）浸渍时间（）浸渍时间（10-30s）和从锌液中抽出的速度）和从锌液中抽出的速度在热浸锌工作温度范围内在热浸锌工作温度范围内，浸渍时间每增加四倍，合金层的重量增加一倍。，浸渍时间每增加四倍，合金层的重量增加一倍。抽
31、出速度低，纯锌层薄；抽出速度过慢，则使纯锌层太薄，浸锌层几乎全由铁锌合抽出速度低，纯锌层薄；抽出速度过慢，则使纯锌层太薄，浸锌层几乎全由铁锌合金层组成，浸锌层的塑性降低。金层组成，浸锌层的塑性降低。抽出速度高，纯锌层厚；抽出速度过快时，带出的锌液来不及滴尽，使工件或钢材抽出速度高，纯锌层厚；抽出速度过快时，带出的锌液来不及滴尽，使工件或钢材附着过量的锌液而凸凹不平。附着过量的锌液而凸凹不平。n热浸锌层的耐腐蚀性能：热浸锌层的耐腐蚀性能：保护膜保护：锌在大气中形成一层致密、紧固、耐腐蚀的保护膜保护：锌在大气中形成一层致密、紧固、耐腐蚀的 ZnCO33Zn(OH) 3保护膜。保护膜。阴极保护作用：
32、阴极保护作用：锌层有局部损坏时，锌可作牺牲阳极。锌层有局部损坏时，锌可作牺牲阳极。n热浸锌层的耐大气腐蚀能力与锌层的厚度有关。热浸锌层的耐大气腐蚀能力与锌层的厚度有关。n热浸锌应用非常广泛。热浸锌应用非常广泛。热浸锌材料与工件热浸锌材料与工件4热浸铝工艺和性能热浸铝工艺和性能n影响热浸铝层厚度和性能的因素：影响热浸铝层厚度和性能的因素：（1）基体（钢）的化学成分）基体（钢）的化学成分钢中碳、硅含量增加及添加铬、锰等元素，热浸铝层厚度减少。钢中碳、硅含量增加及添加铬、锰等元素，热浸铝层厚度减少。（2）铝液的成分）铝液的成分锌能提高铝液与钢基的反应速度和渗层的附着性；锌能提高铝液与钢基的反应速度和
33、渗层的附着性；硅能提高铝液的流动性，降低合金层的厚度和硬度；硅能提高铝液的流动性，降低合金层的厚度和硬度；铁会增大铝液粘度，影响渗层厚度和耐蚀性。铁会增大铝液粘度，影响渗层厚度和耐蚀性。（3）浸铝的温度）浸铝的温度(700-930)和时间（和时间（1020min）随着温度的增高，热浸铝层的厚度增加，但热浸铝层中随着温度的增高，热浸铝层的厚度增加，但热浸铝层中Fe2Al5相也急剧增加，塑性相也急剧增加，塑性降低，浸铝锅的使用寿命也缩短。降低，浸铝锅的使用寿命也缩短。热浸铝层的厚度随浸铝时间延长而呈对数曲线增加。热浸铝层的厚度随浸铝时间延长而呈对数曲线增加。（4）从铝液中抽出的速度）从铝液中抽出的
34、速度（与（与“从锌液中抽出的速度从锌液中抽出的速度”相似）相似）从铝液中抽出的速度越高，纯铝层越厚。从铝液中抽出的速度越高，纯铝层越厚。n根据用途不同，热浸铝钢材和工件可分为耐蚀用品和耐高温氧化根据用途不同，热浸铝钢材和工件可分为耐蚀用品和耐高温氧化用品，后者必须进行用品，后者必须进行扩散退火扩散退火（一般是在（一般是在900980的空气加热炉内的空气加热炉内保温保温46h，使渗铝层表面形成连续而致密的，使渗铝层表面形成连续而致密的Al2O3膜，保护基体不继续膜，保护基体不继续氧化，同时增加渗铝层的厚度。）氧化，同时增加渗铝层的厚度。）n扩散退火后热浸铝层抗高温氧化性能良好。扩散退火后热浸铝层
35、抗高温氧化性能良好。n渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀的最有效方法之一。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀的最有效方法之一。n在大气条件下，热浸铝钢比热浸锌钢具有更好的耐蚀性在大气条件下，热浸铝钢比热浸锌钢具有更好的耐蚀性。热浸锌与热浸铝热浸锌与热浸铝锌锌:熔点熔点420，价格，价格1.4万元万元/吨吨浸锌温度：浸锌温度：440-465浸锌时间：浸锌时间：1030s2007年，国外热浸渗铝钢板年产量年，国外热浸渗铝钢板年产量约达约达100万吨，热浸渗铝各种型材约达万吨，热浸渗铝各种型材约达200万吨。万吨。 铝铝:熔点熔点660，价格约，价格约1.3万元万元/吨吨2007年，国内镀锌（热浸锌电镀锌）
36、钢年，国内镀锌（热浸锌电镀锌）钢板产能已经达到板产能已经达到2,500万吨，万吨，产量产量 1800万吨万吨，进口量进口量 380万吨，出口量万吨，出口量420万吨，消费量万吨，消费量 1760万吨，增量万吨，增量360万吨万吨。（来源：（来源：http:/ 浸铝温度：浸铝温度：700-930浸铝时间：浸铝时间：1020min5.5 固体热扩渗固体热扩渗（复习、自学）（复习、自学）一、固体热扩渗的基本特点一、固体热扩渗的基本特点二、固体渗硼二、固体渗硼5.6 等离子体热扩渗等离子体热扩渗一、等离子体热扩渗的基本特点一、等离子体热扩渗的基本特点n定义：定义： 利用低真空中气体利用低真空中气体辉光
37、放电辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。n特点特点（与普通气体热扩渗技术相比）（与普通气体热扩渗技术相比）：(1)可去除氧化膜和钝化膜，能进行有效热扩渗；可去除氧化膜和钝化膜，能进行有效热扩渗；(2)表面高度活化表面高度活化，被渗元素为，被渗元素为能量较高能量较高的离子和活性原子，热扩渗速度快；的离子和活性原子，热扩渗速度快；(3)热扩渗层组织容易控制；热扩渗层组织容易控制；(4)易实现工艺过程的自动控制。易实现工艺过程的自动控制。离子渗氮（碳、硫）离子渗氮（碳、硫）二、等离子体热扩渗原理二、等离子体热扩渗原理 在离子热扩渗中
38、，欲渗元素的离子的产生和运动都由在离子热扩渗中，欲渗元素的离子的产生和运动都由低真空低真空中气中气体辉光放电的产生条件和辉光区的特性决定。体辉光放电的产生条件和辉光区的特性决定。n 等离子体种类及特点：等离子体种类及特点：(P102)高温高压等离子体：电离度高温高压等离子体：电离度100%，温度可达几亿度，温度可达几亿度（核聚变）（核聚变）低温低压等离子体：电离度不足低温低压等离子体：电离度不足1%，温度仅为，温度仅为50-250（热扩渗）（热扩渗）高温低压等离子体：电离度高于高温低压等离子体：电离度高于1%，温度为几万度，温度为几万度（热喷涂）（热喷涂）真空区域的划分：真空区域的划分： 目前
39、尚无统一规定，常见的划分为：目前尚无统一规定，常见的划分为：n粗真空：粗真空：105-102Pa，变化不大；压力差，变化不大；压力差n低真空：低真空：102-10-1Pa，粘稠滞流状态过渡为分子状态；气体放电、真空热，粘稠滞流状态过渡为分子状态；气体放电、真空热处理和真空脱水处理和真空脱水n高真空：高真空：10-1-10-6Pa，分子间碰撞基本不发生；镀膜工作压强，分子间碰撞基本不发生；镀膜工作压强n超高真空：超高真空：10-6-10-10Pa，分子间碰撞极少；纯净的气体和固体表面，分子间碰撞极少；纯净的气体和固体表面n极高真空：极高真空：10-10Pa，分子间不发生碰撞；科学研究用，分子间不
40、发生碰撞；科学研究用1、气体放电方式及伏安特性曲线、气体放电方式及伏安特性曲线起辉起辉等离子体热扩渗利用的是等离子体热扩渗利用的是异常辉异常辉光放电区：光放电区：1、阴极（工件）表面阴极（工件）表面全部全部被辉被辉光覆盖，能均匀加热工件；光覆盖，能均匀加热工件；2、阴极表面电流密度可控、阴极表面电流密度可控且数且数值较大值较大。被激放电区被激放电区自激放电区自激放电区正常辉光放电区正常辉光放电区弧光放电区弧光放电区异常辉光放电区异常辉光放电区2、辉光放电的光区、辉光放电的光区阴极辉光区阴极辉光区可利用可利用“辉光厚度辉光厚度”的特性来的特性来控制扩渗区域。控制扩渗区域。一般通过调整一般通过调整
41、气压气压来控制辉光来控制辉光层厚度：气压越高，辉光层越层厚度：气压越高，辉光层越薄，亮度越集中。薄，亮度越集中。起辉起辉3、阴极溅射、阴极溅射n阴极溅射阴极溅射(定义定义)：在辉光放电时，电离出来的正离子：在辉光放电时，电离出来的正离子(荷能离子荷能离子)，在电场作用下轰击，在电场作用下轰击阴极表面，并使阴极材料的某些原子和电子逸出表面的现象。阴极表面，并使阴极材料的某些原子和电子逸出表面的现象。n溅射系数：单个正离子轰击阴极表面而溅射出来的原子数。（溅射系数：单个正离子轰击阴极表面而溅射出来的原子数。（统计平均值统计平均值）n溅射系数随离子能量的增加而增加，溅射系数随离子能量的增加而增加，到
42、极大值后则减少到极大值后则减少；并且随着离子流密度的提；并且随着离子流密度的提高而增加，但到一定的离子流密度后就不再受其影响。高而增加，但到一定的离子流密度后就不再受其影响。n在离子热扩渗中，开始阶段利用在离子热扩渗中，开始阶段利用强强阴极溅射清洁工件表面；热扩渗时阴极溅射清洁工件表面；热扩渗时控制控制阴极溅射阴极溅射以保持工件表面的粗糙度和获得所需的渗层组织。以保持工件表面的粗糙度和获得所需的渗层组织。三、离子渗氮三、离子渗氮1. 离子渗氮工艺特点离子渗氮工艺特点n离子渗氮（离子渗氮（定义定义）：）：利用辉光放电现象，将含氮气体介质利用辉光放电现象，将含氮气体介质电离后渗入工件表面，从而获得
43、表面渗电离后渗入工件表面，从而获得表面渗氮层的工艺。氮层的工艺。n特点特点(与气体渗氮相比与气体渗氮相比)： 具有气体、能量消耗少，具有气体、能量消耗少，环境污染小，环境污染小，工作环境好，工件表面质量高，生工作环境好，工件表面质量高，生产周期短等产周期短等优点优点。 设备成本较高设备成本较高(真空、较高电压真空、较高电压)，不适用于大型零件。，不适用于大型零件。工件为阴极工件为阴极n离子渗氮的工艺过程：离子渗氮的工艺过程：1.装炉：装炉：将工件放入离子渗氮炉内；将工件放入离子渗氮炉内；2.气体放电：气体放电：抽真空至抽真空至1.33Pa左右后通入少量的含氮气体，至炉压升到左右后通入少量的含氮
44、气体，至炉压升到70Pa左右时接通电左右时接通电源，在源，在阴极阴极(工件工件)与阳极间加上与阳极间加上直流直流高压，使炉内气体放电。高压，使炉内气体放电。3.加热、渗氮：加热、渗氮：放电过程中氮和氢离子在高压电场的作用下，冲向阴极表面，产生大量的放电过程中氮和氢离子在高压电场的作用下，冲向阴极表面，产生大量的热把工件加热到所需温度；同时氮离子或氮原子被工件吸附，并迅速向内扩散，形成渗氮层。热把工件加热到所需温度；同时氮离子或氮原子被工件吸附，并迅速向内扩散，形成渗氮层。4.保温：保温：保温一段时间，渗氮层达到要求厚度后，保温一段时间，渗氮层达到要求厚度后，5.出炉：出炉：断电、停气、降温。一
45、般当工件温度降到低于断电、停气、降温。一般当工件温度降到低于200后出炉。后出炉。普通气体渗氮：周期长普通气体渗氮：周期长(数十至上百小时数十至上百小时)、渗氮层薄、渗氮层薄( 约约0.5mm)，渗氮温度较低，渗氮温度较低(480-600)2. 离子渗氮的组织及影响因素离子渗氮的组织及影响因素（P73）心部心部表面表面()()Fe-N相图相图n组织：组织：可获得不同渗层组织。可获得不同渗层组织。 (与基体材料及工艺条件有关与基体材料及工艺条件有关)n影响因素：影响因素： 温度：温度：温度升高，渗层厚度增加温度升高，渗层厚度增加 时间：时间：对渗氮层的组成有影响对渗氮层的组成有影响 气体成分：气
46、体成分：较少使用纯氮气较少使用纯氮气 炉气气压、辉光放电电压和电流密度：炉气气压、辉光放电电压和电流密度：相互影响相互影响3. 离子渗氮层的性能离子渗氮层的性能n硬度：硬度：高硬度高硬度n疲劳强度：疲劳强度：较高的疲劳强度较高的疲劳强度 ( (随扩散层厚度的增加而增加随扩散层厚度的增加而增加) )n韧性：韧性：扩散层韧性好扩散层韧性好n耐磨性：耐磨性： 对滚动摩擦而言，与其它渗氮方法相比，离子渗氮的耐磨性最好。对滚动摩擦而言，与其它渗氮方法相比，离子渗氮的耐磨性最好。5.7 热扩渗的发展热扩渗的发展n向节能向节能(低温低温)、精密、精密(变形小变形小)、连续化生产、低污染、低成本等方、连续化生产、低污染、低成本等方向发展。向发展。n稀土催渗和稀土共渗的研究是目前世界热扩渗领域最热门的课题。稀土催渗和稀土共渗的研究是目前世界热扩渗领域最热门的课题。思考题思考题n简述热扩渗层形成的基本条件及机理；简述热扩渗层形成的基本条件及机理；n结合离子渗氮的工作原理，分析说明离子渗氮的主要优点。结合离子渗氮的工作原理，分析说明离子渗氮的主要优点。
