国内外渗镍工艺的研究现状及发展趋势

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国内外渗镍工艺的研究现状及发展趋势

（河北联合大学冶金与能源学院10轧1班）

摘要：渗金属是热扩渗技术的一种，它是利用渗入金属原子在金属基体表面的吸附、扩散而形成含有渗入金属的合金层。金属材料表面渗镍元素可以大幅度提高其表面硬度、耐腐蚀性和抗高温氧化性，对于提高产品质量和节约自然资源十分有意义。本文综述了渗镍技术的原理、方法、发展现状等，详细介绍了渗镍技术在离子、合金化合物、钢材中等的具体应用现状及特点。

关键词：离子渗镍；合金渗镍层；渗层微观组织

1引言

渗镍是热扩渗技术的一种，它是利用渗入的镍原子在金属基体表面的吸附、扩散而形成含有渗入镍的合金层。由于金属元素种类之多、金属元素与镍元素之间的相互作用具有复杂和多样性，因此渗镍所能得到的合金层的种类和性能是极其丰富的。选择合适的金属基体元素，往往可以获得性能非常特殊的表面合金层，如高的表面硬度、耐磨性和抗蚀性或抗高温氧化性。目前我国的渗镍技术发展前景很好。

2渗镍的原理及方法

2.1热扩渗理论

渗层形成的条件:首要条件是渗入元素必须能够同基体金属形成固溶体或化合物;其次是渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触;再次是还要有一定的渗入速度，这就要求具备一定的扩散温度;最后，对于靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺，生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。

渗层形成的过程:第一步，产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。第二步，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。吸收过程包括活性原子渗入基体金属中，形成表面固溶体或化合物，即最初的渗层，建立热扩渗所必须的浓度梯度。第三步，基体表面继续吸附和吸收渗剂活性原子，最初渗层中的渗剂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，渗层逐渐增厚。

2.2渗金属方法

目前材料表面渗金属的方法，可归纳为如下几类:

（1）固体法

粉末法是固体法中最普通的方法，应用的也最多。此法简单易行，但时间长、损耗大，成分控制困难，劳动条件差，只适用于单件小批量生产。后来发展的快

速加热(利用感应加热或电接触加热)气固化学热处理大大缩短了其工艺周期。

（2）液体法

目前世界上采用较新的液体渗入技术是盐浴法，它的广泛应用归功于TD法的推广。TD法是1969年由日本丰田研究所开发的，是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行扩散表面硬化处理的总称，实际应用最广的是熔盐浸镀法。液体法具有工艺简单，加热均匀、生产周期短等特点。

（3）气体法

它是将含有渗入金属卤化物的气体与工件在高温下作用，使欲渗金属渗入工件中。此法速度快，渗层质量好，但存在气体易爆、有毒、有腐蚀性等问题。

（4）离子渗金属

这是一种比较好的渗金属方法，它渗速快、渗层组织容易控制且无污染[1]。

2.3渗金属技术特点

（1）渗层-基体界面化学成分呈连续梯度变化，因而表层和基体结合良好。

（2）其工艺过程可以不影响基体材料的结构，因而不影响其基体材料的物理-力学性能。

（3）渗层-基体材料的结合，实际上是一种复合材料，可以克服基体材料的某些缺点，得到更好的综合性能。渗层和涂层、镀层的主要区别是渗层由渗入元素在基体元素的基础上组成的合金，渗层的表面即基体材料的表面，对被渗零件的几何形状和尺寸影响很小[2]。

3渗镍在工业纯铁离子应用

3.1渗层组织及成分分析

3.1.1渗层组织特点

离子渗Ni层组织大致由两部分组成,即表面的白亮层及其以下的树枝状结构层,如图1所示。白亮层的抗蚀性极强,4%的硝酸乙醇溶液不能将其细节腐蚀出来,而树枝状组织形态却显得非常清楚。不同的工艺条件对白亮层的形貌没有影响,其树枝状却随渗Ni温度的不同而异。其规律为:随着渗Ni温度的下降树枝枝条变细且更加密集;当渗Ni温度为700℃时,白亮层以下看不到明显的树枝组织。此外,不论树枝粗细,其根部均与白亮层连为一体,可见树枝是白亮层向基体延伸的一种方式。

图1 渗Ni层组织x300

3.1.2渗层成分分析

图2为渗层中Ni的浓度分布曲线,其中图2a为加热温度900℃,保温5h,源极电压800V,阴极电压450V,气压28Pa条件下的试验结果;图2b为加热温度800℃,保温3h,源极电压800V,阴极电压450V,气压30Pa条件下的试验结果。由图可见,尽管工艺参数不同,渗层中Ni的浓度分布特点是已知的,即在白亮层中Ni浓度较高,与源极材料成分相接近,而且在白亮层内由表向里Ni的浓度梯度很小,而在树枝状区浓度梯度很大。

图2 渗层Ni浓度分布曲线

3.1.3渗层形成机理探讨

关于白亮层的形成,根据组织及成分分析结果,可以认为,其过程主要由Fe、

Ni原子在试样表面沉积外延生长及向内扩散所控制。由于多重空心阴极溅射源对试样表面的原子供给非常充裕,表面沉积的Ni原子数量比扩散进入基体的多,多余的Fe、Ni原子在表面的沉积便形成成分与源极材料相接近的Fe-Ni合金相层。但是其具体形成过程因温度不同而异,当温度高于Ac3点时,Fe、Ni原子在表面沉积后,一部分向基体扩散,其余部分便沿着表面晶格向外生长,白亮层与基体间只有成分差别而没有明显的层基界面。在原子沉积形成渗层的同时,Ni原子向基体扩散,基体中的Fe原子也向白亮层中扩散,从而形成白亮层与基体中的Ni浓度的分布特点。当渗Ni温度低于Ac3点,且表面Ni含量高于其在相中的平衡浓度时,白亮层的形成是以Fe-Ni合金相在相表面形核长大的方式进行的。此时渗层与基体之间有明显的界面。

3.2影响渗层厚度的因素

3.2.1加热温度及保温时间的影响

图3是在其它工艺条件不变的情况下,渗层厚度与加热温度的关系曲线。由图3可见,随着加热温度的升高,总的渗层厚度迅速增加。渗层厚度的增加主要表现在树枝状组织层,而白亮层厚度变化不大。图4是在其它工艺参数不变的条件下,渗层厚度与保温时间的关系曲线。由图4可见,渗层厚度随保温时间的延长而增加,其中白亮层厚度的增长速度与时间成线性关系[3]。

图3 渗层厚度与加热温度的关系

图4 渗层厚度与保温时间的关系

3.3离子渗镍工艺的研究