1、第8章 表面改性技术表面改性的概念：表面改性的概念： 采用采用某种工艺手段某种工艺手段使材料使材料表面表面获得与获得与基体材料基体材料不同的不同的组织结构、性能组织结构、性能的一种技术。的一种技术。 材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能。力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能。本章主要内容本章主要内容金属表面形变强化金属表面热处理金属表面化学热处理离子束表面扩渗处理高能束表面处理离子注入表面改性8.1 金属表面形变强化一、表面形变强化原理一、表面形变强化原理原理：原理：通过通过机械手段机械手段（滚压、内挤压和
2、喷丸等）在金属表面（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生产生压缩变形压缩变形，使表面形成，使表面形成形变硬化层形变硬化层，此形变硬化层的深，此形变硬化层的深度可达度可达0.5mm1.5mm。形变硬化层中产生两种变化：形变硬化层中产生两种变化：（1）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶）在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大。格畸变度增大。（2）形成了高的宏观残余压应力。）形成了高的宏观残余压应力。作用：作用：提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度（一）形变强化的主要方法1、滚压主要有滚压、内挤压和喷丸二、形变强
3、化的主要方法及应用图 表面滚压强化示意图2 2、喷丸、喷丸 利用利用高速弹丸强烈冲击高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。层并引进残余压应力。 广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零广泛应用在弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲部件，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。劳、抗微动磨损、耐点蚀能力。（二）喷丸表面形变强化工艺及应用2 2、喷丸强化用的设备、喷丸强化用的设备按驱动弹丸的方式可分为按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机机械离心式弹
4、丸机和和气动式弹丸机气动式弹丸机两大类。两大类。1 1、喷丸材料、喷丸材料u 铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液体铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液体喷丸介质喷丸介质u黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷丸u有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。u模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸（1 1）机械离心式喷丸机）机械离心式喷丸机功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。
5、功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。（2 2）气动式喷丸机）气动式喷丸机适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件适用于喷丸强度低、品种多、批量少、形状复杂、尺寸较小的零部件。3 3、喷丸表面质量及影响因素、喷丸表面质量及影响因素（1 1）喷丸表层的塑性变形和组织变化）喷丸表层的塑性变形和组织变化 金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形塑性变形，表层，表层位错密度大大增加位错密度大大增加，
6、而且还会出现，而且还会出现亚晶界和晶粒细化亚晶界和晶粒细化现象。喷现象。喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。 如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。（2 2）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响）弹丸粒度对喷丸表面粗糙度的影响表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。表面粗糙度随弹丸粒度的增加而增加。（3
7、 3）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响）弹丸硬度对喷丸表面形貌的影响（4 4）喷丸表层的残余应力）喷丸表层的残余应力 喷丸后的残余应力来源于表层喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性变形不均匀的塑性变形和和金属的相变金属的相变，其中，其中以不均匀的塑性变形最重要。以不均匀的塑性变形最重要。 工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强工件喷丸后，表层塑性变形量和由此导致的残余应力与受喷材料的强度、硬度关系密切。材料强度高，表层最大残余应力大，但压应力层深度、硬度关系密切。材料强度高，表层最大残余应力大，但压应力层深度较浅。反之，强度低的材料表层残余应力较小，但压应力层深度较度较浅。
8、反之，强度低的材料表层残余应力较小，但压应力层深度较深。深。 在相同喷丸压力下，大直径弹丸产生的压应力较低，压应力层较深；在相同喷丸压力下，大直径弹丸产生的压应力较低，压应力层较深；小直径弹丸产生的表面压应力较高，压应力层较浅。小直径弹丸产生的表面压应力较高，压应力层较浅。8.2 8.2 表面热处理表面热处理 对零部件表面进行加热、冷却、改变对零部件表面进行加热、冷却、改变表层表层组织和性能组织和性能，不改变其表层，不改变其表层成分成分的的热处理工艺。也称作热处理工艺。也称作表面淬火技术表面淬火技术。表面淬火的原理表面淬火的原理 零件表面材料零件表面材料快速加热到相变临界点快速加热到相变临界点
9、( (AC3（亚共析钢）或者AC1（过共析钢）)以上而转以上而转变为细小的奥氏体组织，变为细小的奥氏体组织，心部材料心部材料仍保持在相变仍保持在相变临界点以下，保持原有组织。其后用快速冷却，临界点以下，保持原有组织。其后用快速冷却，达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，提高零达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，零件心部未发生相变。件的表面硬度和耐磨性，零件心部未发生相变。表面淬火工艺主要有：表面淬火工艺主要有： 感应加热表面淬火感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加火焰加热表面淬火热表面淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热
10、表面淬火、电解液加热表面淬火及表面保护加热表面淬火、电解液加热表面淬火及表面保护加热处理等。处理等。8.2.1 表面热处理技术一、 传统表面热处理技术二、几种新型的表面热处理技术一、一、 传统表面热处理技术传统表面热处理技术p 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 1. 感应加热表面淬火的特点感应加热表面淬火的特点 2. 感应加热表面淬火原理感应加热表面淬火原理 3. 感应加热表面淬火设备感应加热表面淬火设备 4. 感应加热表面淬火工艺感应加热表面淬火工艺 5. 感应加热表面淬火的应用感应加热表面淬火的应用p 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间
11、内感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间内达到达到Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。中碳钢高频淬火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈氏频淬火后，工件表面得到马氏体组织，往里是马氏体加铁素体加屈氏体组织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。体组织，心部为铁素体加珠光体或回火索氏体原始组织。 升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，升温速度快，保温时间极短。和一般淬火相比，淬火加热温度高，过热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的过热度大，奥氏体形核多，又
12、不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高隐晶马氏体，故感应加热表面淬火工件的表面硬度比一般淬火的高23HRC。 感应加热表面淬火感应加热表面淬火1. 感应加热表面淬火特点感应加热表面淬火特点 工件的耐磨性比普通淬火高。这与奥氏体晶粒细化、表面硬度高以工件的耐磨性比普通淬火高。这与奥氏体晶粒细化、表面硬度高以及表面压应力状态等因素有关。及表面压应力状态等因素有关。 由于加热速度快，无保温时间，工件一般不产生氧化和脱碳问题，由于加热速度快，无保温时间，工件一般不产生氧化和脱碳问题，又因工件内部未被加热，故工件淬火变形小。又因工件内部未被加热，故工
13、件淬火变形小。 生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。 工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表面产工件表层强度高。由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表面产生很大的残余压应力，因此淬火后表层产生很大的残余压应力，因此生很大的残余压应力，因此淬火后表层产生很大的残余压应力，因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。可以显著提高其疲劳
14、强度并降低缺口敏感性。图 感应加热表面淬火原理图2. 感应加热表面淬火原理感应加热表面淬火原理 当感应圈中通过一定频率交流电交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场交变磁场。将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流感应电流。感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称之为涡流涡流。 此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表表面效应面效应或集肤效应集肤效应。 感应加热就是利用集肤效应集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬
15、火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。图 感应加热表面淬火装置示意图感应电流透入深度：感应电流透入深度：从电流密度最大的表面到电流值为表面从电流密度最大的表面到电流值为表面的的1/e(e=2.718)处的距离。处的距离。56.386f 硬化层深度硬化层深度：硬化层深度总小于感应电流透入深度：硬化层深度总小于感应电流透入深度超过失磁点的的电流透入深度称为超过失磁点的的电流透入深度称为热态电流透入深度热态电流透入深度（热热），低于失磁点的电流透入深度称为），低于失磁点的电流透入深度称为冷态电流透冷态电流透入深度入深度（ ）。对于钢）。对于钢20f冷5
16、00f热冷2. 感应加热表面淬火原理感应加热表面淬火原理 淬火加热温度：淬火加热温度：一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高温度高30-200。加热速度加热速度较快的，采用较高的温度。较快的，采用较高的温度。淬淬火前的原始组织火前的原始组织也不同，也可适当地调整淬火加热温度。也不同，也可适当地调整淬火加热温度。调质处理的组织比正火的均匀，可采用较低的温度。调质处理的组织比正火的均匀，可采用较低的温度。 感应加热方式：感应加热方式：一种称一种称同时加热法同时加热法，即对工件需淬火表面，即对工件需淬火表面同时加热，一般在设备功率足够、生产批量比较大的情况同时
17、加热，一般在设备功率足够、生产批量比较大的情况下采用；另一种称下采用；另一种称连续加热法连续加热法，即对工件需淬火部位中的，即对工件需淬火部位中的一部分同时加热，通过感应器与工件之间的相对运动来实一部分同时加热，通过感应器与工件之间的相对运动来实现。现。3. 感应加热温度和方式的选择感应加热温度和方式的选择最常用的冷却方式是最常用的冷却方式是喷射冷却法喷射冷却法和和漫液冷却法漫液冷却法 喷射冷却法喷射冷却法即当感应加热终了时把工件置于喷射器之中，即当感应加热终了时把工件置于喷射器之中，向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。其冷却速度可以通过调向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。其冷却速度可以通过调节液体
18、压力、温度及喷射时间来控制。节液体压力、温度及喷射时间来控制。 漫液淬火法漫液淬火法即当工件加热终了时，浸入淬火介质中进行冷即当工件加热终了时，浸入淬火介质中进行冷却。对细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂、可将却。对细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂、可将感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却，也称为埋感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却，也称为埋油淬火法。油淬火法。4. 冷却方式和冷却介质的选择冷却方式和冷却介质的选择 感应加热淬火后一般只进行低温回火。其目的是为了感应加热淬火后一般只进行低温回火。其目的是为了降低残余应力和脆性，而又不致降低硬度。一般采用的回降低残余应
19、力和脆性，而又不致降低硬度。一般采用的回火方式有炉中回火、自回火和感应加热回火。火方式有炉中回火、自回火和感应加热回火。5. 回火工艺回火工艺按输出电流的频率按输出电流的频率工频工频中频中频高频高频淬火前的原始组织应为调质态或正火态。淬火前的原始组织应为调质态或正火态。工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬工件表面淬火后应进行低温回火以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。度和高耐磨性。6. 感应加热表面淬火感应加热表面淬火设备设备图图 感应加热淬火设备感应加热淬火设备 高频感应加热高频感应加热 电流频率范围电流频率范围250300kHz，淬硬层深度为，淬硬
20、层深度为0.52.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。 中频感应加热中频感应加热 电流频率范围电流频率范围25008000Hz，淬硬层深度，淬硬层深度210mm，适，适用于较大的轴和大中模数齿轮。用于较大的轴和大中模数齿轮。 工频感应加热工频感应加热 电流频率电流频率50Hz，淬硬层深度可达，淬硬层深度可达1015mm，适用，适用 于较于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面淬火淬火。7. 感应加热表面淬火感应加热表面淬火工艺工艺表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金结构钢
21、，用以制造机床、表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金结构钢，用以制造机床、汽车及拖拉机齿轮、轴等。也可以采用碳素工具钢和低合金工汽车及拖拉机齿轮、轴等。也可以采用碳素工具钢和低合金工具钢，用以制造量具、模具、锉刀等。具钢，用以制造量具、模具、锉刀等。表面淬火前的预备热处理表面淬火前的预备热处理 预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部组织。预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部组织。方法有方法有调质调质和和正火正火等。等。 表面淬火后的组织表面淬火后的组织 表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体（调质）表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体（调质）或铁素体加索氏体（正火）。或铁素
22、体加索氏体（正火）。感应加热淬火注意事项感应加热淬火注意事项感应加热淬火工艺流程感应加热淬火工艺流程图 感应加热淬火工艺流程图 齿轮的表面淬火图 大型齿轮表面淬火8. 感应加热表面淬火感应加热表面淬火应用应用 轴类的表面淬火图 凸轮轴表面淬火 机床导轨表面淬火图 机床导轨表面淬火定义：定义： 利用氧乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，随利用氧乙炔或其他可燃气体对零件表面加热，随后淬火冷却的工艺。后淬火冷却的工艺。特点：特点：与感应加热表面淬火相比，具有设备简单，操作灵与感应加热表面淬火相比，具有设备简单，操作灵活，适用钢种广泛。一般无氧化和脱碳、畸变小等优点。活，适用钢种广泛。一般无氧化和脱碳、
23、畸变小等优点。 常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、导种多的零件或局部区域的表面淬火，如大型齿轮、轴、导轨等。轨等。 但加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混合气但加热温度不易控制，噪音大，劳动条件差，混合气体不够安全，不易获得薄的表面淬火层。体不够安全，不易获得薄的表面淬火层。参数参数：加热面积、工件移动速度、加热温度时间加热面积、工件移动速度、加热温度时间 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火常用材料：从机械制造的范围来分有45、55、40Cr、40CrV、42CrMo、42SiMn、50
24、Mn、5CrMnMo等。另外近年来我国研制成功专用的火焰加热空冷淬硬冷作模具钢7CrSiMnMoV。图 火焰加热表面淬火示意图火焰表面淬火应用实例火焰表面淬火应用实例 火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装火焰表面淬火工艺可以在模具淬硬之前完成全部的装配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸配工作，火焰表面淬火后模具即可投入使用，不必再拆卸。因为除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍。因为除刃口部位表面淬硬以外，其余部位并未淬硬，仍可进行钻孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大可进行钻孔等加工。这些优点对于像汽车覆盖件一类的大型模具的制造是非常有利的，既节省了工时，
25、又保证了模型模具的制造是非常有利的，既节省了工时，又保证了模具的精度。具的精度。 近年来，近年来， 7CrSiMnMoV专用火焰淬火模具钢的研制成专用火焰淬火模具钢的研制成功，使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主功，使火焰表面淬火工艺在汽车覆盖件的制造中占据了主导地位。导地位。 用用高频脉冲高频脉冲感应加热进行淬火，使用感应加热进行淬火，使用2030MHz的高频的高频脉冲，通过感应圈在脉冲，通过感应圈在毫秒级毫秒级极短时间内使工件表面急速加极短时间内使工件表面急速加热到淬火温度，然后热到淬火温度，然后自冷自冷，这种方法也叫，这种方法也叫高频感应冲击淬高频感应冲击淬火火。 二、几种新型
26、表面热处理技术二、几种新型表面热处理技术1. 高频脉冲感应加热表面淬火高频脉冲感应加热表面淬火参参 数数普通高频淬火普通高频淬火冲击淬火冲击淬火频频 率率200kHz27.12MHz功率密度功率密度2*106W/m2（13）*108W/m2实用最短淬火时间实用最短淬火时间0.15s1100ms最低淬火深度最低淬火深度0.5mm0.1mm可淬火面积可淬火面积如连续移动，无限制以每次冲击淬火带最大宽度3mm计，为10100mm2感应器的感应系数感应器的感应系数23H常用范围10100nH感应器的冷却方式感应器的冷却方式水冷感应器截面积约5mm2的细线或薄板感应器每次冲击用压缩空气冷却时，无须用其他
27、方法冷却淬火方式淬火方式喷水自冷，无须冷却剂组组 织织普通马氏体极其微细的针状马氏体变形量变形量变形量较小变形量极微，难以测出表表 高频脉冲感应加热淬火与普通高频感应加热淬火的比较高频脉冲感应加热淬火与普通高频感应加热淬火的比较1. 高频脉冲感应加热表面淬火高频脉冲感应加热表面淬火 用用高频电流高频电流对材料表面同时进行感应加热和电阻加热对材料表面同时进行感应加热和电阻加热实现表面淬火的方法。实现表面淬火的方法。优点：优点：工件表面电流更集中，密度更大，加热速度也更快，表面加热的功率工件表面电流更集中，密度更大，加热速度也更快，表面加热的功率密度是感应加热的数倍。密度是感应加热的数倍。高频电阻
28、感应加热设备简单，操作方便。淬火可根据工件的形状和部高频电阻感应加热设备简单，操作方便。淬火可根据工件的形状和部位进行设计，仿形性很好，可对复杂工件的局部表面实施淬火。位进行设计，仿形性很好，可对复杂工件的局部表面实施淬火。淬火时自己冷却。无需淬火介质，不需真空室，无需黑化处理。淬火淬火时自己冷却。无需淬火介质，不需真空室，无需黑化处理。淬火后工件基本不变形，无需回火。节能。后工件基本不变形，无需回火。节能。硬化带形状可随邻近硬化带形状可随邻近 感应器导管的形状变化。感应器导管的形状变化。2. 高频电阻感应加热表面淬火高频电阻感应加热表面淬火表1 传统表面处理技术8.3 金属表面化学热处理1.
29、 概述2. 扩散镀层形成的机理3. 渗铝 4. 渗铬5. 渗硅 6. 渗硼7. 二元和三元共渗 8. 化学热处理新工艺1. 概述 1.1 什么是化学热处理 1.2 化学热处理的种类化学热处理是将钢铁零件、工具或模具置于含有某种化学元素的介质中加热保温，使某种元素渗入钢铁表面，然后以适当方式冷却，从而改变钢铁表面的化学成分与组织结构，赋予钢铁表面以新的物理、化学及机械性能。化学热处理是将金属的表面合金化与热处理相结合的一种工艺方法，它主要研究如何从化学介质(渗剂)中获得活性原子，活性原子如何进入金属表面，以及如何对金属表面组织和性能产生影响。利用利用固体扩散固体扩散，使合金元素渗入金属表层的一种
30、热，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺，处理工艺，故化学热处理又叫做渗镀渗镀，表面合金化表面合金化。化学热处理的基本过程是：首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中，加热到一定温度，使渗入元素通过分解、吸附、扩散渗入金属表层，从而改变了表层的成分、组织与性能。化学热处化学热处理过程理过程化学热处化学热处理的目的理的目的 (1) 提高金属表面强度、硬度和耐磨性。如渗氮可使金属表面硬度达到9501200HV；渗硼可使金属表面硬度达到14002000HV等，因而工件表面具有极高的耐磨性。 (2) 提高金属的疲劳强度。如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变的比容变化，导致表层产生很大的残余应力，从而提高
31、疲劳强度。 (3) 使金属表面具有良好的抗粘性、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。 (4) 提高金属表面的耐蚀性能，如渗氮、渗铝、渗硅、渗铬等。化学热处理渗化学热处理渗层的基本组织层的基本组织类型类型(1) 形成单相固溶体单相固溶体，如渗碳层中的相等。(2) 形成化合物，如渗氮层中的相(Fe2-3N)，渗硼层 中的Fe2B等。(3) 化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物同时存在固溶体、化合物 的多相渗层。化学热处理化学热处理后的性能后的性能经过化学热处理后，金属材料表层、过渡层与心部经过化学热处理后，金属材料表层、过渡层与心部在成分、组织和性能上有很大差别。在成分、组织和性能上有很大
32、差别。强化效果不仅与各层的性能有关，而且还与各层之间互相的联系有关。如渗碳的表面层含碳量及其分布，渗碳层深度和组织以及热处理后从表层到心部的硬度梯度等均可影响材料渗碳后的性能。化学热处理的种化学热处理的种类类粉末填充法膏剂涂覆法电热旋流法覆盖层扩散法盐浴法电解盐浴法水溶液电解法固体法液体法气体法等离子法固体气体法间接气体法流动离子炉法扩散镀层的形成步骤扩散镀层的形成步骤向基体金属向基体金属提供扩散元提供扩散元素的原子素的原子使这些原使这些原子处于活子处于活化状态化状态活化的原子活化的原子逐渐向基体逐渐向基体内部扩散内部扩散为了向基体金属提供扩散元素的原子，可以通过电镀、化学镀、热浸、喷涂和粉末
33、包装等方法，使渗剂金属原子与基体金属表面直接接触扩散是各种原子在体系中趋向均匀化的自发过程。但为了使这种均匀化加速，原子必须得到足够的能量，需要加热。从扩散的角度考虑，温度越高扩散速度越快。2. 扩散镀层形成的机理渗层金属的沉积渗层金属的沉积如何向基体金属提供活性渗层金属原子?目前大多利用金属氯化物在高温下发生置换反应与还原反应，目前大多利用金属氯化物在高温下发生置换反应与还原反应，以获得大量活化的渗剂原子。以获得大量活化的渗剂原子。 将基体金属基体金属M置于渗层金属渗层金属B的氯化物的氯化物BCl2蒸汽蒸汽中，发生置换反应： BCl2 + M MCl2 + B (1)金属M上形成活性的渗层金
34、属活性的渗层金属B原子原子，随后扩散到基体金属M中去形成渗层。问题：该置换反应能否发生？ 如果能发生，有多少BCl2蒸汽能够转变为渗层原子B？为了说明这个问题，需要考虑反应的平衡常数为了说明这个问题，需要考虑反应的平衡常数k这一置换反应的平衡常数k22BClMMClBpapak 由由k可以得出可以得出BCl2蒸汽转变为渗层金属蒸汽转变为渗层金属B的百分数。的百分数。 当lg k = -1，表明有10%的BCl2蒸汽转变为镀层金属； 当lg k = -2，表明有1%的BCl2蒸汽转变为镀层金属。从扩散工艺的经济价值来说，1%的转变是最低的要求。如何计算平衡常数如何计算平衡常数k？将反应式 BCl
35、2 + M = MCl2 + B 分解为 M + Cl2 = MCl2 平衡常数 kM B + Cl2 = BCl2 平衡常数 kBBMkkk BMkkklglglgkM和kB可以由自由焓变化G0计算。则有88. 620681lgTkCr例Cr + Cl2 = CrCl2Fe + Cl2 = FeCl280. 617809lgTkFeNi + Cl2 = NiCl263. 716503lgTkNi因此，Fe基上沉积Cr： CrCl2 + Fe = FeCl2 + Cr在1000C，平衡常数为 lg k = lgkFe - lgkCr = -2.18， k = 0.66%；在Fe上沉积Cr是可行
36、的， Ni基上沉积Cr： CrCl2 + Ni = NiCl2 + Cr在1000C，平衡常数为lg k = lgkNi - lgkCr = -4.03， k = 9.310-5，所以在Ni基上难以沉积Cr。如果使用H2作还原剂，使CrCl2发生还原BCl2 + H2 = B + 2HCl反应H2 + Cl2 = 2HCl，平衡常数02. 19654lgTkH由此得lg k = lg KH lg kB在1000C，由CrCl2蒸汽沉积Cr的平衡常数为 k = -0.76， k = 17.38%。 可见加入还原剂可见加入还原剂H2后，后，Cr的沉积倾向大大增加。的沉积倾向大大增加。渗层原子的扩散
37、活化的渗剂原子能否向基体金属内部扩散与很多因素有关，其活化的渗剂原子能否向基体金属内部扩散与很多因素有关，其中较重要的因素是中较重要的因素是原子尺寸原子尺寸。 在金属的点阵中，原子间的距离是0.4nm左右。因此，只有尺寸较小的原子才可能从原子的间隙扩散入金属内部。这类原子有碳、氢、氮和氧等。它们向金属内部移动受到的阻力较小，因此扩散速度较快。 但是一种金属原子在另一种金属中的扩散，由于原子半径的数量级相同，间隙扩散的可能性较小。一般认为，这种类型的扩散归因于金属内部的缺陷(晶格中的空位)。渗剂金属原子进入空位，空位向相反方向移动。所以，如果扩散元素原子的直径比基体金属原子的直径大得所以，如果扩
38、散元素原子的直径比基体金属原子的直径大得多，扩散元素的原子就无法进入基体金属的原子点阵中，即多，扩散元素的原子就无法进入基体金属的原子点阵中，即使可能挤进，也会造成点阵畸变，使固溶体处于不稳定状态。使可能挤进，也会造成点阵畸变，使固溶体处于不稳定状态。元素与 -Fe 原 子直径之差(%)元素与 -Fe 原 子直径之差(%)Cu1Ti15Au13C-40Be-11Si-8Zn8V6B-34Nb15Al10Ta15As10W11Cr1Mn2Mo10Re8一般认为，与基体金属原子直径之差约小于16%的金属元素，才有可能扩散入基体金属中。可扩散进入钢材的元素可扩散进入钢材的元素3. 渗铝 3.1 渗铝
39、层的形成方法 3.2 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性 渗铝是本世纪发展起来的金属表面防护手段。它可以提高钢铁、镍基和钴基高温合金的抗氧化性能，还能提高在含硫与含氧化性介质中的耐蚀性。因此，渗铝工艺在冶金、石油、化工、飞机、船舶、汽车、建筑、燃气轮机等方面得到了广泛的应用，并发展了以渗铝为基的铝硅共渗、铝铬共渗、铝硅铬共渗等复合渗层。渗铝层的形成方法渗铝层的形成方法粉末法粉末法气体法气体法热镀热镀-扩散扩散法法电泳电泳-扩散扩散法法粉末法渗铝的主要工序被渗部件表面净化渗剂制备被渗件装箱热扩散处理拆箱取出部件并清洗表面 为了保证渗层质量，渗镀前必须将部件表面
40、的污物清除干净，因此应根据部件表面状态，相应地进行除油、酸洗、喷砂或喷丸等处理。 钢铁部件上某些部位不需要渗铝时，可涂一层防渗剂。表面清表面清净处理净处理渗铝剂的组成渗铝剂的组成 (1) 铝粉或铝-铁合金粉，提供铝的来源； (2) Al2O3粉为防粘剂； (3) 催渗剂，常用氯化铵，它在加热时产生氨气与氯化氢，氯化氢可以促进活性铝原子生成。氨又进一步分解为氮和氢。它们可以保护箱内不发生氧化性气体，防止工件和渗剂氧化。几种曾使用的渗铝剂：几种曾使用的渗铝剂： 99%铝-铁合金粉，1%氯化铵 50%铝粉，49%Al2O3粉，1%氯化铵 5070%铝-铁合金粉，2549% Al2O3粉，1%氯化铵
41、510%铝粉，8595% Al2O3粉，2%氯化铵 为了获得质量良好的渗铝层，可以适当降低铝-铁合金粉和铝粉的颗粒度，并减少氯化铵的用量。 为了防止铝粉粘结在工件表面，可适当减少铝粉在渗剂中的比例。铝粉含量低于15%时，效果较好。工件工件装箱装箱渗铝时，先在渗箱底部铺一层渗铝剂，然后放上已清洗干净的钢铁部件，再盖上一层渗铝剂。渗箱加盖后应通入氢气或氩气半小时以上，以便赶净渗箱中的空气。H2或Ar空气升温。扩散温度一般控制在8001100C范围。扩散一段时间后，停止加热，让渗箱自然降温。热扩散热扩散处理处理渗铝时发生的反应渗铝时发生的反应 NH4Cl = NH3 + HCl 6HCl + 2Al
42、 = 2AlCl3 + 3H2 Fe +AlCl3 = FeCl3 +Al反应的结果，在钢铁表面上析出了原子状态的活性Al，并立即扩散进入钢件的表层。热扩散的时间视要求的渗层厚度和扩散温度条件而定。在氢气氛中于900C渗铝6小时，一般可获得100m厚的渗铝层。粉末法渗铝的主要工序被渗部件表面净化渗剂制备被渗件装 箱热扩散 处 理拆箱取出部件并清洗表面渗铝后，用热水将部件表面上的渗剂残渣清洗干净。渗铝层的形成方法（气体法）渗铝层的形成方法（气体法）粉末法粉末法气体法气体法热镀热镀-扩散扩散法法电泳电泳-扩散扩散法法 渗铝时，将工件放在渗箱的一端，在渗箱的另一端放置氯化铵、氧化铝和铝粉等混合物。把
43、混合物加热到600C左右，将形成氯化铝蒸汽。在高温下用氢气作载体，将氯化铝蒸汽送到加热至9001000C的钢铁部件表面。 氯化铝蒸汽在高温下与基材金属发生还原和取代反应，在被渗部件表面析出活性铝原子，扩散进入工件。井式井式炉气炉气体渗体渗铝工铝工艺装艺装置置 渗铝层的形成方法（热镀法）渗铝层的形成方法（热镀法）粉末法粉末法气体法气体法热镀热镀-扩散扩散法法电泳电泳-扩散扩散法法 先在钢铁部件上热浸镀一层铝，然后再进行扩散处理，把纯铝层全部转化为合金层。 经过热扩散处理，可明显提高部件的耐热和耐蚀性能。 也叫热浸渗铝，是将表面经过清洗的钢件浸入熔化的液态铝或铝合金中，保温一定时问，使表面附上一薄
44、层铝或铝合金，并与铁形成一薄层铝铁金属化合物(Fe2Al5)，然后进行扩散退火，以获得足够的含铝的Fe固溶体层深度。其主要工艺过程：表面清理助镀热浸铝扩散退火液体渗铝(1)表面清理：工件在渗铝前必须除油、酸洗，并用高压水冲洗。(2)助镀：为了保持工件表面的活性，以利于热浸时工件表面容易吸收铝原子，应将工件放入助镀液中浸46min，然后烘干。(3)热浸铝：将经过助镀的工件放入铝液中，铝液成分通常为工业纯铝9294和铁粉68。为提高铝液的流动性，可加入硅3，加入少量的锰、锌可改善铝液与工件的浸润性。铝液温度控制在760780，时间为1030min。(4)扩散退火：由于热浸温度较低，铝原子向工件内部
45、的扩散极微，因而铝层与基体结合不紧密，为了减少渗层的脆性：防止剥落，增加渗层深度，渗铝后应在9501050的真空中进行扩散退火36h。3. 渗铝 3.1 渗铝层的形成方法 3.2 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性热浸渗铝层形成过程示意图 粉末法粉末法渗铝时，若渗剂中含有较多的氯化铵，形成的渗层主要由FeAl3 构成。经过扩散退火，渗层将转变成单相组织(铝在-铁中的固溶体)。 含Mn和Al较多的铁基合金，用料浆法料浆法渗铝形成的渗层具有多层结构。外层以FeAl3为主，并含有一定数量的FeAl和Fe3Al。其余两层则为FeAl和Fe3Al。 铸铁铸铁上的渗铝层
46、具有多种相组织。在上面有FeAl3、Fe2Al5或FeAl相；在下面，发现有Fe3Al相和铝固溶在-铁中的固溶体。 用热镀法热镀法得到的镀层具有双层结构，上层几乎是纯铝，下层是合金层。合金层的组织与钢基体、铝液成分以及镀铝条件有密切关系。经过热扩散处理，由于铁和铝互相扩散，镀层组织发生较大的变化。例如，热镀铝后的10号钢，经过热扩散处理形成的渗层中，最外层是Fe2Al5层；其下面是金属间化合物和铝在-铁中的固溶体的混合物，这一层较薄；再下面是铝在-铁中的固溶体。采用不同的基体材料和渗镀工艺，得到的渗层的组织和成采用不同的基体材料和渗镀工艺，得到的渗层的组织和成分是不同的。一般的规律是：外层为含
47、铝量较高的相，靠分是不同的。一般的规律是：外层为含铝量较高的相，靠近钢基体的相含铁量较高；在两种相层之间有时还存在两近钢基体的相含铁量较高；在两种相层之间有时还存在两相的混合物层。相的混合物层。3. 渗铝 3.1 渗铝层的形成方法 3.2 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性影响渗铝层厚度的因素渗铝温度和时间渗铝温度和时间0 2 4 6 8100 80 60 40 20 01. 800C2. 850C3. 900C4. 950C1234渗层厚度(m)处理时间 (hr) 渗层厚度与渗铝温度和渗层厚度与渗铝温度和 处理时间的关系处理时间的关系从右图可见，随渗铝温度
48、升高，处理时间增长，渗层厚度增加影响渗铝层厚度的因素渗剂组分渗剂组分渗剂号码渗层厚度(m)上表说明，随渗剂中铝粉含量增加，渗层厚度亦相应增大。影响渗铝层厚度的因素渗剂组分渗剂组分右图是用含50%铝粉和Al2O3及氯化铵的渗剂，在910C下于氢气中对工业纯铁渗铝1小时，得到的渗层增重随氯化铵含量增加的变化情况。0 4 8 12 16 20605040302010 0氯化铵含量(%) 渗层重量与氯化铵渗层重量与氯化铵 含量的关系含量的关系渗层重量(mg/cm2)从图中看出，氯化铵含量为10%时，渗层厚度达到最大值。继续增加氯化铵浓度，厚度反而减小。这是因为氯化铵既有促进活性铝原子形成的作用，分解出
49、来的盐酸又对渗层有浸蚀作用。影响渗铝层厚度的因素氢气流量氢气流量试验条件：用粉末法在1050C对Cr18Ni10钢渗铝3小时， 0 100 200 300 400 500氢气流量(ml/min) 氢气流量对渗铝层增重的影响氢气流量对渗铝层增重的影响3433323130渗层重量(mg/cm2)从图中可知，氢气流量过大，会使渗铝层厚度减小。这可能是由于氢气将一部分卤化铝带出渗箱所致。影响渗铝层厚度的因素钢基体成分钢基体成分在相同的渗铝条件下，基材不同，渗铝层厚度也不同。工业纯铁最厚，铸铁最薄。钢中合金元素含量增加，渗铝层厚度减小，以W的影响最大，Mo、Ni次之，Si的影响较小。3. 渗铝 3.1
50、渗铝层的形成方法 3.2 渗铝层的组分与结构 3.3 影响渗铝层厚度的因素 3.4 渗铝钢的特性渗铝钢的特性物理性能物理性能 用粉末法渗铝时，由于钢材在高温下长时间加热，渗铝后冷却速度较慢，因此晶粒显著变粗。加之渗铝层属于脆性组织，所以所以渗铝件在常温下的机械强度要比未渗铝的低碳钢低，尤其是塑渗铝件在常温下的机械强度要比未渗铝的低碳钢低，尤其是塑性和韧性性和韧性。 但是经过调质处理，它的力学性能仍可恢复并有所改善。 用含碳量0.1%的钢材渗铝，渗层的维氏硬度随铝含量的增加而增大，因此适当控制渗层铝含量，可以改善钢材的耐磨性因此适当控制渗层铝含量，可以改善钢材的耐磨性。抗高温氧化抗高温氧化性性
