第十章 热扩渗技术

• 2、热镀铝层 • 1）耐热性：铝的氧化膜致密，附着力强， 可以阻止镀层进一步氧化。 • 2）耐蚀性：在海洋、潮湿、工业大气等环 境中，热镀铝层均具有优异的耐蚀性。在大 气条件下，热镀铝板的腐蚀量仅为热镀锌钢 板的1/10~1/5。 • 3）热反射性：镀铝钢板表面致密而光亮的 Al2O3膜多光和热具有良好的反射性。
• 2、保护气体还原法 • 保护气体还原法又称氢还原法，主要用于钢带和钢 板的连续热浸镀。采用微氧化或电解法脱脂，取消 了熔剂法中的酸碱洗和熔剂处理等预处理工序。 • 1）森吉米尔法又称氧化脱脂法，工艺流程：未退 火钢带开卷→氧化炉→还原炉→冷却→热浸镀→后 处理→成品。 • 2）美钢联法又称电解脱脂法，工艺流程：未退火 钢带开卷→冷碱性电解脱脂槽→水洗→烘干→还原 炉→冷却→热浸镀→后处理→成品。
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2、渗碳工艺 渗碳分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。 固体渗碳生产效率低，质量不易控制； 液体渗碳环境污染大、劳动条件差。
气体渗碳是在密封的可控气氛加热炉中进行， 在含碳气氛中将低碳（合金）钢加热到奥氏体化的高温 （> 900℃），碳原子吸附在工件表面并渗入钢的内部，然后 经淬火+低温回火使工件表面具有高硬度和高耐磨性，而心部 仍保持较较好的塑性和韧性。
• 2、扩渗层形成机理 • 1）介质分解出活性原子：即从化学介质中 分解出 含有被渗元素的活性原子的过程。只有这种初生态 的活性原子才能被金属吸收。 • 2）活性原子的吸收：即活性原子吸附在基体金属 表面上，随后被基体金属吸收，形成最初的表面固 溶体或金属化合物。 • 3）活性原子的扩散：即活性原子在高温下向基体 金属内部扩散，基体金属原子也同时相渗层中扩散， 使扩渗层增厚，即扩渗层的成长过程。扩渗的机理 主要有三种：间隙式扩散机理、置换式扩散机理和 空位式扩散机理。
10.3 渗碳和渗氮
• 钢铁的渗碳、渗氮处理可使钢件表面具有 很高的硬度和耐磨性，而心部仍然保持良 好的塑性和韧性。
10.3.1 渗碳
• 1、渗碳应用 • 为了增加钢件表层的含碳量并获得一定的 碳浓度梯度，将钢件置于渗碳介质中加热 和保温，使碳原子渗入表面的工艺称渗碳。 • 渗碳是钢材化学热处理中应用最广泛的一 种工艺，主要用于表面受严重磨损并承受 较大冲击载荷的零件。
直接热扩渗法 （3）气体法：工件在有欲渗元素气体的热扩渗炉 内加热，欲渗元素的活性原子与金属表面接触发 生一系列反应，使欲渗元素扩散渗入工件表面。 特点：渗层厚度均匀、易控制，对形状复杂的 工件扩渗效果好，劳动条件比较好。 （4）离子法：利用低压气体放电产生的等离子体 激活反应气体对工件表面进行热扩渗。
10.3.2 渗氮
• 1、渗氮的应用 • 渗氮也称氮化，是指在一定温度下使活性 氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。 • 渗氮在机械工业中获得了广泛应用，主要 用于耐磨性和精度都要求较高的零件，或 要求耐热、抗蚀的耐磨件。
2、渗氮工艺
用氨（NH3）作为渗氮气体，氨在金属表面（催化）分 解形成的原子氮被钢件表面吸附，并扩散到钢件内部。 氮与金属之间的吸附是化学吸附，氮原子和金属原子组 成共价键和离子键M－N (M指金属)。
热浸锌工艺： 1 ）锌液温度：温度高会出现铁损现象，并缩 短锌锅使用寿命；温度低锌液黏度大，镀锌 层厚薄不匀。最佳热浸锌温度是445~465℃。
2） 浸渍时间：浸渍时间每增加4倍，镀锌层 厚度增 加1倍。在495℃铁损与浸入时间成 直线关系。 3）抽出速度：镀锌件抽出速度慢，纯锌层薄， 镀锌 层的塑性差；抽出速度快，残 留锌镀液使表面凹凸不平。
2、热扩渗的基本过程 （1） 介质中发生化学反应，提供界面反应所需要的反应物；
（2） 反应物通过（外）扩散输运至 金属表面；
（3） 反应物中的某些粒子被金属表 面吸附并发生界面反应； （4） 界面反应产生的活性原子被金 属表面吸收并向内扩散；
水煤气（CO+H2 O）气体渗碳
2CO → CO2 + [C]
3、热扩渗技术的特点
一次可以渗入一种或多种化学元素； 渗层与基体之间是冶金结合，结合强度很高； 渗层从内向外呈梯度变化，结构合理；
设备简单，生产量大，经济性好；
处理温度高，处理时间长。
10.1.2 热扩渗工艺的分类
• 1、按渗入元素化学成分的特点：非金属元 素热扩渗、金属元素热扩渗、金属-非金属 元素共扩渗和通过扩散减少或消除某些杂 质的扩散退火，即均匀化退火。 • 2、按渗剂在工作温度下的物质状态：固体 热扩渗、液体热扩渗、气体热扩渗、离子 热扩渗和复合热扩渗。
渗碳钢中加入合金元素的目的是提高钢的心部强度、提高 钢的淬透性（Si、Mn、Cr、Ni、Mo等）和细化晶粒（Ti、V、 Mo等）。如20Cr、20CrMnTi等
3 气体渗碳的主要方式
按渗碳层厚度分为
浅层（< 0.7 mm）；
常规（0.7 ~ 1.5 mm）；
深层（> 1.5 mm）渗碳。
第一节 热扩渗技术的基本原理 1、热扩渗的基本条件： （1） 渗剂生成活性原子的化学反应必须满足Δ G < 0 。 （2） 渗剂能连续稳定地向金属表面提供欲渗元素活性原子。 （3） 活性原子必须与钢的原子直接接触。 （4） 工件必须保持一定的温度，使渗入元素原子有足够的扩 散动力。 （5） 欲渗元素必须能够与钢形成固溶体或金属间化合物。
氧化还原法特点
不需化学法除油、锈，避免污染； 各工序均在加热状态下依次进行，时间短，热效率高。
可以实现机械化大规模生产。
10.2.3 常用热浸镀镀层
• 1、热镀锌层 • 热镀锌层具有优异的耐蚀性能，主要体现在以下 两方面： • 1）耐蚀性好：锌在大气中能形成一层致密、坚固、 耐蚀的ZnCO3· 3Zn(OH)2保护膜，在大气、水、 土壤中均可有效地保护锌层下的钢材。 • 2）阴极保护作用：锌的电极电位的电负性比铁更 大，当镀锌层局部损坏时，锌作为阳极不断溶解， 铁为阴极，从而使基体得到保护。
第十章 热扩渗技术
• 采用加热扩散的方法使预渗金属或非金属 元素渗入金属工件的表面，形成表面合金 层的工艺，叫做热扩渗技术，又称化学热 处理技术。所形成的合金层叫做扩渗层。 • 热扩渗技术最突出的特点是扩渗层与基体 金属之间是冶金结合，结合强度很高，扩 渗层不易脱落。
10.1 热扩渗的基本原理及分类
影响热浸铝层厚度与性能的工艺参数
钢的成分：能降低浸铝层厚度的元素有C、Si、Cr、Mn等。 铝液的成分：锌能提高反应速度和渗层的结合强度；硅能提 高铝液的流动性。 浸铝温度：温度越高，合金层生长越快，常用温度为~ 700℃。 浸铝时间：时间越长，镀层越厚，一般浸铝时间为10~20min。
1 直接热扩渗法
（ 1 ）固体法：工件埋入装有欲渗元素、活化 助渗剂和防粘结剂粉末的容器里进行加热保温 扩散。 特点：设备简单、操作容易，但处理时间长、 效率低。 （ 2 ）液体法：工件浸入含有欲渗元素的化合 物的熔盐中加热保温，使工件表面形成一层该 元素的化合物层。 特点：适合处理形状复杂的工件，但熔盐腐 蚀设备。
( 3720 ) T
式中X－渗层深度（mm)；τ－时间（h)；T－温度(K)
提高渗碳温度可显著加速渗碳过程。但过高的温度将导致晶 粒粗化，表层高的碳浓度易形成网状碳化物，增加淬火变形开 裂倾向。一般渗碳温度为910～930℃。
（3） 渗碳时间
随着渗碳时间的延长，渗碳层 的厚度呈非线性增加，一般渗碳 时间为2~30小时。
10.2.2 热浸镀工艺方法
• 热浸镀工艺过程可简单地概括为：预处理 →热浸镀→后处理。
• 1、熔剂法 • 熔剂法多用于钢管、钢丝及钢零部件的热 浸镀。其工艺流程为：预镀件→碱洗→水 洗→酸洗→水洗→熔剂处理→热浸镀→后 处理→成品
• 溶剂处理是保证热浸镀层质量不可缺少的关 键工序。 • 溶剂处理的目的是：除去工件酸洗后表面残 留的铁盐和氧化物；防止工件浸镀前在空气 中再氧化；提高工件表面的活性和润湿能力。 • 溶剂通常由氯化锌、氯化铵等氯化盐组成。 • 1）湿法（熔融溶剂法） • 2）干法（烘干溶剂法）
(1) 热浸渗特点 镀锌层有较强的耐蚀能力；
镀铝层除有较强的耐蚀能力外，还具有抗高温氧化能力；
涂层比电镀层厚，防护效果好，防护时间长；
技术成熟，工艺简单；
生产成本低，效率高，可实现机械化和自动化大批量生产。
(2) 热浸渗（镀层形成）的过程 铁基表面被镀液溶解形成合金相层； 合金层中欲渗原子进一步向基体内扩散形成固溶体或化 合物； 合金层表面沉积一薄层纯金属。
特点：扩渗温度低、渗速高、质量好，但设备 较复杂。
2 复合热扩渗法
工件表面先涂镀一层固相涂层，然后在高温下加热，涂层 和基体金属元素相互扩散，形成复合镀渗层。
膏剂渗：含有欲渗元素的粉末用粘结剂调成料浆涂在工件 表面，干燥后在保护气氛中加热扩散形成渗层。
热镀渗：工件浸入液态金属中加热扩散，表面形成一层金 属或其合金镀层。 喷镀渗：用热喷涂的方法把欲渗金属喷在工件表面，然后 再进行加热扩渗。 电镀渗、化学镀渗、真空渗镀。
2 工艺特点 工艺成熟，是一种最常用的渗碳方法；
被处理的材料是价格低廉的低碳钢，处理成本低；
渗碳后的零件性能合理；
应用面广，如齿轮、轴类等。
3 影响气体渗碳的工艺因素
（1） 渗碳气氛 液态渗碳介质（如煤油、丙酮等）或气态渗碳介质（如甲烷、 城市煤气等）在渗碳炉内高温分解，析出活性碳原子 CH4 → 2H2 + [C] － 18.1 kcal
Hale Waihona Puke Baidu
（5） 渗入金属的元素发生反应，形成化合物或金属间化合物。
在这五个步骤中，进行得最慢的步骤，被称为是控制步骤。 一般说来 步骤（1）速度快，不会对整个过程产生阻碍作用。
步骤（ 2 ）的扩散是在气态或液态下进行，扩散速率远大 于元素在固态内的扩散，因而也不可能成为控制步骤。 步骤（3）或（4）都有可能成为过程中的控制步骤。实践 中可根据渗层深度和时间的关系来判定究竟是步骤（ 3）还是 （4）是控制步骤。
10.2 热浸镀
• 热浸镀简称热镀，是将工件浸入熔融的低 熔点金属液中短时间停留，在工件表面发 生一系列物理和化学反应，取出冷却后， 熔融金属在零件表面形成金属镀层的表面 处理技术。 • 特点：工艺简单，比电镀容易获得较厚的 镀层，使用寿命长。
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， 按相应的相图形成由 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。
• 10.1.1 热扩渗的基本原理 • 1、扩渗层形成的基本条件 • 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）渗入元素与基体金属之间必须直接接触，一般 通过创造各种工艺条件来实现。 • 3）被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度， 以满足实际应用要求。 • 4）对于依赖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。
气体渗氮过程（2）
（1） 氨分子吸附在金属表面； （2） 氨分子在界面上分解成氮原子和氢原子；
渗氮过程（3）
（3） 吸附在金属表面的活性氮原 子溶解于 α-Fe 中，从外向内扩散 形成一定的浓度梯度；
（4） 钢的化学成分对渗碳层的影响 合金元素对碳在奥氏体中的扩散有显著的影响。碳化物形 成元素（Cr、W、Mo等）能降低碳的扩散系数，增大碳的浓度 梯度。而非碳化物形成元素（Si、Co、Ni等）则提高碳的扩散 系数。Mn对碳的扩散系数几乎没有影响。 钢的化学成分对钢的淬透性和限制晶粒长大的能力有着重 要的影响，是渗碳钢的两项重要指标。
2CO → CO2 + [C] + 41.2 kcal
CH4渗碳能力很强，在900℃为了使钢表面达到1.1％的含碳 量，CO需95％，而CH4 只要1.5％就够了。 CO2、H2O或 O2等是脱碳气体，它们在渗碳气氛中的含量 必须控制在0.5%以下。
（2） 渗碳温度
渗碳温度越高，渗碳层越深
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