第10章 热扩渗技术-用

Q为扩散激活能
四、扩渗层的组织特征
❖纯扩散：形成连续固溶体
❖反应扩散：形成新相
相图上单相区越宽，相区间的含量差
表面
就越大，渗入元素的流量将增加，因此
该相层就越厚。
wB(%)
基材心部
10.1.2 热扩渗工艺的分类
❖ 按热扩渗温度：高温（高于910℃）、中温和低温（低于720℃）热扩渗 ❖ 按渗入元素：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
第10章 热扩渗技术
教材： 《材料表面工程技术》李慕勤 化学工业出版社
❖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。(化学热处理技术)
❖所形成的合金层称为热扩渗层，简称渗层。
❖突出特点：渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高。
❖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，从而极大提高工件的耐磨 性、耐蚀性和抗高温氧化性能等。
❖ 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：增加反应物浓度、提高反应温度、加入适当催化剂等均能使反应 速度成倍提高。在扩散过程中，升高温度就更有效。
扩散过程中原子平均扩散距离X为: Ｘ＝Ｃ
其中Dt ：t为扩散时间，C为受几何因素影响的常数，D为扩散速度。 D=D0exp(-Q/RT)
❖ 对于渗金属如渗铬、渗钛等热扩渗工艺，提供活性原子的化 学反应主要是置换反应或还原反应或者是两个反应同时发生 来提供活性原子。
二、渗层形成机理（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。 活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法
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。
❖ 热浸镀的三个过程： ❖ （1）基体金属表面被溶解，形成合金层。 ❖ （2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合
物。
❖ （3）合金层外面包覆一层纯金属。 ❖ 热浸镀工艺过程：预处理、热浸镀、后处理
❖ 热浸镀： 1. 常见：钢铁制品的热浸锌、热浸铝、热浸锡等。
2. 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。
❖广泛应用于机械、化工、微电子和信息等行业。
❖ 最早起源于我国战国时代。
勾践剑：宝剑通长55.6厘米，剑身长47.2厘米，剑身宽4.6厘米，重857.4克。 1965年于湖北 荆州出土 ，历经2500多年仍未生锈 ，且能吹发可断、一下划破20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。
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，即扩渗层成长过程(简称扩散过 程)。
扩散的机理：间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。
Байду номын сангаас
三、热扩渗速度的影响因素
❖ 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：化学介质分解化学反应速度 在中后期：扩散速度
(产生活性原子；反应平衡常数>1%。)
❖ 所谓满足热力学条件是指在一定的扩渗温度下，通过改变反 应物浓度或者添加催化剂，或通过提高扩渗温度能使产生活 性原子的反应正常（向右）进行。
❖ 在扩渗过程中产生活性原子的化学反应有置换反应、还原反 应、分解反应三类。
❖ 渗碳、渗氮、碳氮共渗等间隙原子的热扩渗工艺，提供活性 原子的化学反应主要是分解反应
❖ 能进行热扩渗的材料包括：碳、氮、硼、锌、铝、铬、钒、铌、钛、硅、 硫等和这些元素的多元共渗。
10.1 热扩渗的基本原理 及分类
一、热扩渗层形成的基本条件
❖渗入元素的原子存在于扩渗层的形式： 与基体金属形成：固溶体或金属间化合物层，或固溶体+化
合物的复合层
❖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。 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。 4.(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。
易于实现机械化和自动化等优点，应用更广泛。
❖ 热扩渗锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐 磨性。
❖ 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。
❖ 热浸铝层比热浸锌层更耐大气腐蚀。
3. 热浸锌的工艺和性能 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浸锌层。
❖ 10.2.1 热浸镀原理
❖ 热浸镀时，被镀的基体材料与熔融金属的接触面上发生界面 反应，是一个冶金过程，按相应的相图形成不同相构成的合 金层，所以热浸镀层是由合金层和浸镀金属构成的复合镀层。
❖ 钢铁的热浸镀过程
❖ 热浸渗过程：热能为反应的主驱动力。 溶解 形成合金层 扩散 形成固溶体或金属间化合物 包络 获得纯金属
内
外
❖ 10.2.2 热浸镀工艺方法
❖ （1）溶剂法：湿法（熔融溶剂法）、干法（烘干溶剂法） ❖ （2）保护气体还原法：森吉米尔法、美钢联法。
2. 热浸渗的工艺方法
❖ 热浸渗工艺种类：溶剂法(湿法和干法)、氧化还原法(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。
三、热浸锌和热浸铝
❖ 1. 热浸渗工艺的基本特点：
❖ 热浸锌和热浸铝是热浸法中最常用的工艺。
❖ 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 件表面形成锌及锌铁合金层或铝及铝合金层的方法。
❖ 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 应用于在大气和海洋中工作的钢铁工件上。
❖ 热浸锌方法特点： 生产成本低、效率高、操作简单、生产工艺可靠、
散退火(均匀化退火)。
❖ 按渗剂在工作温度下物质状态：
气体热扩渗 液体热扩渗 固体热扩渗 等离子体热扩渗 复合热扩渗
10.2 热浸镀
❖ 将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护 层的方法。
❖ 即把需要处理的工件放入低熔点的熔融态金属液中，工 件表面发生溶解、扩散或反应等物理化学过程，随后离 开镀槽时工件表面形成金属镀层的表面处理技术。