本科表面工程第7章 热扩渗
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渗层的最终组织如图 (c)所示，由外表向内依次为β-AnBm-α-基材A。
四、热扩渗工艺的分类
第二节 热浸镀
一、定义
热浸镀锌或镀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锌铁合金层或铝及铝合金层的方法。
二、 热浸镀的特点及应用领域
1 热浸镀具有生产成本低、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，应用非常广泛。
三、热浸镀组织形成过程
以热浸镀铝为例： 1 当液态铝与铁接触时，首先在铁-铝的分
界上形成铁铝合金层并产生FeAL相化合物； 然后，铝原子向铁内扩散，铁原子向外扩散使 FeAl3相层厚度增加；
2 随着铝继续向内扩散，形成Fe2Al5相并沿 扩散方向长大成横跨若干晶粒的粗大柱状晶体。
3 工件从铝液中取出时表面粘附一层纯铝。 4 渗层组织由表向里是纯铝相、FeAl3相化 合物和Fe2Al5化合物。
2. 溶剂法
⑴ 溶剂法热浸渗就是先将经常规方法去 油除锈清洗后的清洁工件进行溶剂处理，干 燥后再将工件浸入欲渗金属熔液中，保温数 分钟后抽出，水冷。
⑵ 溶剂处理的目的是：①去除在清洗过 程中工件表面未完全清洗掉的残存铁盐；② 将经除锈去油清洗后生成的锈溶解掉；③活 化工件表面，提高欲渗金属液浸润铁基体的 能力，提高浸镀层的结合力。
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。 2 欲渗元素与基材之间必须有直接接触 。 3 被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。 二、渗层形成机理 1 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。 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。 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，使扩渗层增厚，即扩渗层成长。
同理，钢铁件在热浸锌后由表向里的渗层组织 依次为：Zn 、FeZn13相、FeZn7相和Fe4Zn21相。
四、热浸渗的工艺方法
1. 氢还原法，即森吉米尔(Sendzimir)法 ⑴ 氢还原法热浸渗是将钢板或钢带先通过氧化炉烧掉表面的
油、脂，入还原炉去除氧化膜，气体保护冷却然后进入热浸镀锅。 ⑵ 氢还原法取消了酸碱洗和溶剂处理等表面预处理方法，整
⑶干法热浸铝采用的溶剂配方为4%K2ZrF6， 处理温度50～80℃。
工业常用铝液成分和浸镀工艺
序 铝液成分 号
浸镀工艺
备注
温度 ℃ 时间 min
1
Al100%
760-780 10-30
粘铝偏多
2 Al88-92%,Fe12-8% 680-800
15-60 铁锅和工件的溶 解少
3 Al94-98%,Si6-2% 720-780 20-30 铝液流动性好
注：常用热浸镀锌工艺为440～465℃，保温数分钟。
五、影响热浸镀铝层厚度和性能的因素
⑴ 钢的化学成分： 钢中碳、硅含量↑，镀层厚度↓；铬、锰也使镀层厚度↓。
⑵ 镀液成分： 锌能↑铝液与钢基的反应速度和镀层的附着性。 硅↑铝液的流动性，↓镀层厚度和硬度。 铁会增大铝液粘度，↑ 镀层厚度，↓耐蚀性。
⑶ 温度： 温度↑，镀层厚度↑，但Fe2Al5相也急剧增加，塑性降低。 温度↑，浸铝锅寿命↓。常用的浸铝温度700~800℃。
⑷ 浸镀时间： 镀层厚度随浸铝时间↑而呈对数曲线↑，一般为10~20 min。
⑸ 从铝液中抽出的速度越高，纯铝层越厚。 ⑹ 耐高温氧化工件，必须进行扩散退火，一般是在900~980℃ 的空气加热炉内保温4~6 h，使渗铝层表面形成连续而致密的 Al2O3膜，保护基体不继续氧化，同时增加渗铝层的厚度。
个过程可自动控制。环保！！ ⑶ 氢还原法工件可带温进入镀液，镀液温度稳定，减少了热
浸锅的热应力，寿命↑。带温进入镀液，缩短了热浸渗时间。
1-开卷机；2，12-剪切机；3-焊机；4-张力调节器；5-氧化炉；6-还原炉；7-冷却段； 8-镀锅；
9-冷却带；10-化学处理；11-卷取机；13-平整机；14-废料糟；15-涂油机；16-平台
→利用计算机群控技术，采用多段加热、多头控温，以确保 铝液温度的一致性。
3．铝锅寿命低。铝锅寿命低不仅大大增加了镀件的成本，同时也 是安全生产的重大隐患。
⑴ 原因：铝液与铁剧烈反应，铝锅腐蚀相当快，寿命极低。
⑵ 在锅表面涂覆一层抗腐蚀陶瓷涂料，不仅↑铝锅寿命，还可 ↓↓铝液中的铁含量，改善铝液质量进而改善镀层的质量。
三、扩渗层的组织特征
1 将金属A放在B粉末中扩渗 时，B渗入A中形成α固溶体， 此时B在A中的浓度分布如图中的 曲线1所示；
2 当B在A中的浓度 到达饱和平衡浓度Co时如图中的 曲线2所示，将形成新相AnBm， 浓度处于C1极小和C1极大之间，如 图5.1(b)中的曲线3所示。
3 随着B元素的不断渗入， 将会出现新相β。扩渗结束时B 原子浓度分布如图)中的曲线4所 示。
⑶ 陶瓷铝锅的应用。
六、热浸镀铝存在的主要问题及措施
1．漏镀；直接导致产品报废。 ⑴ 表面去污不净，特别是脱脂不彻底。→加强清洗环节 ⑵ 助镀效果不好（表面氧化）会产生漏镀。→镀铝常用氟化盐。
但是对镀多元铝合金则复杂的多，必须在大量实验的基础上进行 选择。 ⑶ 铝液表面的氧化层以及铝液中的氧化物在钢铁件浸入铝液时常 常会附着在工件表面，阻止铝的渗入，最终形成漏镀。
→在铝液表面加覆盖盐，以避免铝液的氧化。对防止漏镀有较 好的效果。但覆盖盐法工艺复杂、成本高且需后续处理，而且随 着覆盖盐的老化效果急剧下降。
→加入抗氧化剂，使铝液表面迅速形成一层极薄的抗氧化薄层， 阻止铝液进一步氧化。可达到消除漏镀的目的。 ⑷ 铝液中的气泡附在工件表面上时，也会形成漏镀。
→定期进行除气或使工件在铝液中上下移动可使气泡脱离上浮。
第六章 热扩渗
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，形成合金层(或 掺杂层)的工艺，称为热扩渗技术，又称为热渗 镀技术或化学热处理技术。
能进行热扩渗的材料包括碳、氮、硼、锌、 铝、铬、钒、铌、硅、硫和这些元素的多元共 渗等 。
第一节 热Hale Waihona Puke Baidu渗技术的基本原理
一、热扩渗层形成的基本条件
2．滴瘤、堵孔及厚度不均匀；不仅影响镀件的表面质量、镀件的 尺寸精度，同时亦为后续的安装过程带来一系列问题。
⑴ 原因之一是铝液的流动性不佳。
→硅可改善铝液的流动性，但又抑制铝铁间的反应适量。 →加入铈、镧，不仅可以提高铝液的流动性，还可以降低铝 液中的氧化物含量，使镀件表面更光亮、平整。
⑵ 原因之二是铝液温度不均匀。因为温度影响铝液的粘度。
2 热浸镀锌不仅能提高工件在大气、水、硫化氢及一些有机介质 中的抗腐蚀能力，而且还能获得比电镀锌更高的硬度和耐磨性。 广泛应用于在大气和海洋中工作的钢铁工件上，如水管、铁塔型 材和螺栓。
3 热浸镀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。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、铁塔型材以及建 筑物的屋顶板等。
四、热扩渗工艺的分类
第二节 热浸镀
一、定义
热浸镀锌或镀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锌铁合金层或铝及铝合金层的方法。
二、 热浸镀的特点及应用领域
1 热浸镀具有生产成本低、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，应用非常广泛。
三、热浸镀组织形成过程
以热浸镀铝为例： 1 当液态铝与铁接触时，首先在铁-铝的分
界上形成铁铝合金层并产生FeAL相化合物； 然后，铝原子向铁内扩散，铁原子向外扩散使 FeAl3相层厚度增加；
2 随着铝继续向内扩散，形成Fe2Al5相并沿 扩散方向长大成横跨若干晶粒的粗大柱状晶体。
3 工件从铝液中取出时表面粘附一层纯铝。 4 渗层组织由表向里是纯铝相、FeAl3相化 合物和Fe2Al5化合物。
2. 溶剂法
⑴ 溶剂法热浸渗就是先将经常规方法去 油除锈清洗后的清洁工件进行溶剂处理，干 燥后再将工件浸入欲渗金属熔液中，保温数 分钟后抽出，水冷。
⑵ 溶剂处理的目的是：①去除在清洗过 程中工件表面未完全清洗掉的残存铁盐；② 将经除锈去油清洗后生成的锈溶解掉；③活 化工件表面，提高欲渗金属液浸润铁基体的 能力，提高浸镀层的结合力。
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。 2 欲渗元素与基材之间必须有直接接触 。 3 被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。 二、渗层形成机理 1 产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。 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。 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，使扩渗层增厚，即扩渗层成长。
同理，钢铁件在热浸锌后由表向里的渗层组织 依次为：Zn 、FeZn13相、FeZn7相和Fe4Zn21相。
四、热浸渗的工艺方法
1. 氢还原法，即森吉米尔(Sendzimir)法 ⑴ 氢还原法热浸渗是将钢板或钢带先通过氧化炉烧掉表面的
油、脂，入还原炉去除氧化膜，气体保护冷却然后进入热浸镀锅。 ⑵ 氢还原法取消了酸碱洗和溶剂处理等表面预处理方法，整
⑶干法热浸铝采用的溶剂配方为4%K2ZrF6， 处理温度50～80℃。
工业常用铝液成分和浸镀工艺
序 铝液成分 号
浸镀工艺
备注
温度 ℃ 时间 min
1
Al100%
760-780 10-30
粘铝偏多
2 Al88-92%,Fe12-8% 680-800
15-60 铁锅和工件的溶 解少
3 Al94-98%,Si6-2% 720-780 20-30 铝液流动性好
注：常用热浸镀锌工艺为440～465℃，保温数分钟。
五、影响热浸镀铝层厚度和性能的因素
⑴ 钢的化学成分： 钢中碳、硅含量↑，镀层厚度↓；铬、锰也使镀层厚度↓。
⑵ 镀液成分： 锌能↑铝液与钢基的反应速度和镀层的附着性。 硅↑铝液的流动性，↓镀层厚度和硬度。 铁会增大铝液粘度，↑ 镀层厚度，↓耐蚀性。
⑶ 温度： 温度↑，镀层厚度↑，但Fe2Al5相也急剧增加，塑性降低。 温度↑，浸铝锅寿命↓。常用的浸铝温度700~800℃。
⑷ 浸镀时间： 镀层厚度随浸铝时间↑而呈对数曲线↑，一般为10~20 min。
⑸ 从铝液中抽出的速度越高，纯铝层越厚。 ⑹ 耐高温氧化工件，必须进行扩散退火，一般是在900~980℃ 的空气加热炉内保温4~6 h，使渗铝层表面形成连续而致密的 Al2O3膜，保护基体不继续氧化，同时增加渗铝层的厚度。
个过程可自动控制。环保！！ ⑶ 氢还原法工件可带温进入镀液，镀液温度稳定，减少了热
浸锅的热应力，寿命↑。带温进入镀液，缩短了热浸渗时间。
1-开卷机；2，12-剪切机；3-焊机；4-张力调节器；5-氧化炉；6-还原炉；7-冷却段； 8-镀锅；
9-冷却带；10-化学处理；11-卷取机；13-平整机；14-废料糟；15-涂油机；16-平台
→利用计算机群控技术，采用多段加热、多头控温，以确保 铝液温度的一致性。
3．铝锅寿命低。铝锅寿命低不仅大大增加了镀件的成本，同时也 是安全生产的重大隐患。
⑴ 原因：铝液与铁剧烈反应，铝锅腐蚀相当快，寿命极低。
⑵ 在锅表面涂覆一层抗腐蚀陶瓷涂料，不仅↑铝锅寿命，还可 ↓↓铝液中的铁含量，改善铝液质量进而改善镀层的质量。
三、扩渗层的组织特征
1 将金属A放在B粉末中扩渗 时，B渗入A中形成α固溶体， 此时B在A中的浓度分布如图中的 曲线1所示；
2 当B在A中的浓度 到达饱和平衡浓度Co时如图中的 曲线2所示，将形成新相AnBm， 浓度处于C1极小和C1极大之间，如 图5.1(b)中的曲线3所示。
3 随着B元素的不断渗入， 将会出现新相β。扩渗结束时B 原子浓度分布如图)中的曲线4所 示。
⑶ 陶瓷铝锅的应用。
六、热浸镀铝存在的主要问题及措施
1．漏镀；直接导致产品报废。 ⑴ 表面去污不净，特别是脱脂不彻底。→加强清洗环节 ⑵ 助镀效果不好（表面氧化）会产生漏镀。→镀铝常用氟化盐。
但是对镀多元铝合金则复杂的多，必须在大量实验的基础上进行 选择。 ⑶ 铝液表面的氧化层以及铝液中的氧化物在钢铁件浸入铝液时常 常会附着在工件表面，阻止铝的渗入，最终形成漏镀。
→在铝液表面加覆盖盐，以避免铝液的氧化。对防止漏镀有较 好的效果。但覆盖盐法工艺复杂、成本高且需后续处理，而且随 着覆盖盐的老化效果急剧下降。
→加入抗氧化剂，使铝液表面迅速形成一层极薄的抗氧化薄层， 阻止铝液进一步氧化。可达到消除漏镀的目的。 ⑷ 铝液中的气泡附在工件表面上时，也会形成漏镀。
→定期进行除气或使工件在铝液中上下移动可使气泡脱离上浮。
第六章 热扩渗
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，形成合金层(或 掺杂层)的工艺，称为热扩渗技术，又称为热渗 镀技术或化学热处理技术。
能进行热扩渗的材料包括碳、氮、硼、锌、 铝、铬、钒、铌、硅、硫和这些元素的多元共 渗等 。
第一节 热Hale Waihona Puke Baidu渗技术的基本原理
一、热扩渗层形成的基本条件
2．滴瘤、堵孔及厚度不均匀；不仅影响镀件的表面质量、镀件的 尺寸精度，同时亦为后续的安装过程带来一系列问题。
⑴ 原因之一是铝液的流动性不佳。
→硅可改善铝液的流动性，但又抑制铝铁间的反应适量。 →加入铈、镧，不仅可以提高铝液的流动性，还可以降低铝 液中的氧化物含量，使镀件表面更光亮、平整。
⑵ 原因之二是铝液温度不均匀。因为温度影响铝液的粘度。
2 热浸镀锌不仅能提高工件在大气、水、硫化氢及一些有机介质 中的抗腐蚀能力，而且还能获得比电镀锌更高的硬度和耐磨性。 广泛应用于在大气和海洋中工作的钢铁工件上，如水管、铁塔型 材和螺栓。
3 热浸镀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。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、铁塔型材以及建 筑物的屋顶板等。