热扩渗

5.5 固体热扩渗
一、固体热扩渗的基本特点 工件埋入固体渗剂中，加热到一定温度并保温，使工件表 面渗入某种元素或多种元素的工艺过程。 固体渗剂的组成： （1）供渗剂：能产生欲渗元素的活性原子。 （2）催渗剂：促使欲渗原子的渗入。 （3）填充剂：防止渗剂结块和降低成本。
固体渗剂的分类 （1）按渗剂成分分类： 由欲渗元素的(纯粉末、铁合金粉末、化合物)、还原剂、催 渗剂和填充剂等组成，如固体渗碳； （2）按渗剂形状特点分类： 1）粉末法(粒状法)：工件埋入粉末渗剂的容器内进行热扩渗； 2）膏剂法：粉末渗剂与粘结剂调成膏状涂复在工件表面，干 燥后再进行热扩渗。

热浸锌层的耐大气腐蚀能力与锌层的厚度有关。
主要工艺参数
1) 锌液温度：440-465°C最佳；

温度过高，浸锌层塑性↓，锌锅寿命↓，锌液对基体铁溶解加快。 温度过低，粘度↑，浸锌层厚度不均匀性↑。


2) 浸Zn时间和抽出速度 时间增加4倍，合金层重量增加1倍； 抽出速度低，锌层薄；反之，锌层厚；速度过快，引起凸凹不平。

除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合，因而它具有 金属的一些特性，如金属光泽，导电与导热等。此外，金属间化合物具有 复杂的晶体结构，熔点高，硬而且脆性大。金属间化合物仍然是金属材料。

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（常用方法）。 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。 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。
内
外Baidu Nhomakorabea
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。
(1) 溶剂法 将已除油、锈的制品浸入溶剂中，取出干燥后再浸入镀液 中，保温一定时间后取出去掉多余金属，然后水冷。
溶剂的目的
去除上一工序残留的铁盐； 去除残留在工件上少量的铁锈；
1 渗硼层的组织和性能
（1）渗硼层的组织 根据铁－硼相图可知， 1）硼原子在γ 相或α 相的溶解度很小（0.002%），当硼含量超 过其溶解度时，就会产生硼的化合物Fe2B(ε )。 2）当硼含量大于质量分数8.83％时，会产生FeB（η ’）。 3）当硼含量在6~16％时，会产生FeB与Fe2B白色针状的混合物。
5 热扩渗
教学目的和要求
掌握热扩渗技术的基本原理及主要种类，热浸渗 工艺的基本特点，等离子体热扩渗技术的基本特点、 离子渗氮层的性能特点等。 重点：热扩渗技术的基本原理，热浸渗工艺及等 离子体热扩渗技术的基本特点。
前言_关于“热扩渗技术”
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)
共渗、扩散退火(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
5.3 气体热扩渗工艺（复习、自学）
重点： 三、气体渗氮
5.4 液体热扩渗

定义： 将工件浸渍在熔融液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩 渗工艺方法。 分类： 盐浴法、热浸法、熔烧法。
渗硼缓冷
硼化物层→增碳层→基体
4%硝酸酒精溶液
FeB+Fe2B
T10钢渗硼
35CrMo钢渗硼
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（2） 渗硼层的性能（1）
表 6—19
硼化铁 类 型 Fe2B FeB
硼化铁的物理性能
WB /% 晶格常数 正方(a=5.078，c=4.249) 密度 － / g·cm 3 7.43 6.75 硬度 /HV 1300 ~ 1800 1600 ~ 2200
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。

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。
渗硼层的性能（3） 2） 脆性：FeB的脆性比Fe2B的大，所以希望得到单相的Fe2B层。 3） 耐磨性：渗硼层的耐磨料磨损和耐粘着磨损能力非常高。 4） 耐蚀性能：渗硼层耐盐酸、硫酸、磷酸和碱的腐蚀，但不 耐硝酸及海水腐蚀。 5） 高温性能：渗硼层在800℃时仍能保持高的硬度，在空气中 加热到800℃持续40h，氧化增重甚微。
2 渗硼方法 有粉末法、膏剂法、熔盐法、等离子体渗硼法。表5-11是 常用固体渗硼剂配方及工艺。
表 5—11* 常用固体渗硼成分和渗硼工艺 渗剂成分(质量分数) 处理工艺 温度/℃ 时间/h 950 5 95％B4C+2.5％A12O3+2.5％NH4Cl 950 ~ 1050 3~5 65％B4C+35％A12O3+2.5％NH4Cl 700 ~ 900 3 5％B4C+5％KBF4+90％SiC 800 ~ 950 4 7％硼铁+10%KBF4+60％SiC 100 0 2~6 50％B4C+50％冰晶石+粘合剂（硅 (膏剂) 酸乙脂） 渗层厚度 /μ mm 60 100 ~ 300 20 ~ 100 90 ~ 100 150~250 渗层组织 双相 双相 双相 单相 单相

金属间化合物：
定义：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）组成的化合物。

当合金中的溶质含量超过其在溶剂中的溶解度时将会出现新相，若 新相的晶体结构不同于合金组元的晶体结构，则新相就是金属间化 合物；其晶体结构类型和性能完全不同于它的任一组成元素，金属 之间以整数化（化学计量）组成，因此，金属间化合物一般可用分 子式表示。
29
热浸锌的用途 镀锌板、管、丝，高速路护栏，在大气和海洋中工作的钢铁 构件等。
4 热浸铝的工艺、性能和用途
(1) 热浸铝的工艺 工件热浸铝后再在900~980℃加热4~6h，使铝表面形成致密的 Al2O3膜。
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。

锌液：Zn—Al，Zn—Ni等 决定浸锌质量的主要工艺参数： 锌液温度、浸渍时间和从锌液中抽出的速度。 热浸锌层的耐腐蚀性能：
热镀锌在不同大气环境下的腐蚀速率 大气环境 腐蚀速率 μ m/年 2~7 城市大气 1 农村大气 4 工业大气 1~7 海洋大气 2~3 热带大气


形成致密的ZnCO3· Zn(OH)3保护膜; 若有局部损坏，有阴极保护作用。
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：化学反应速度 在中后期：扩散速度 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：反应物浓度、反应温度、催化剂等。
扩散过程中原子平均扩散距离X为:


Ｘ＝Ｃ Dt
式（2-4）
其中：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) 式（2-5） Q为扩散激活能
5.1 热扩渗技术的基本原理
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。 (产生活性原子；反应平衡常数>1%。)
（2）热浸铝层的性能（1）
1）抗氧化性能： 渗铝层含铝量>12％才有优良的抗氧化能力，最好是~32％；
镀铝钢可在450℃以下长期工作不变色；
A3钢渗铝后抗高温氧化能力优于0Cr17Mn13Mo2N不锈钢。
表 7－6 镀铝和镀锌钢材的反射率 温度（℃） 100 450 镀铝板 80 80 （％） 80 20 镀锌板
锌: 熔点419.5℃，价格1.6万元/吨

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。



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
热浸铝层的性能（2）
2） 耐腐蚀性 能耐硫化物腐蚀。在大气中渗铝钢的腐蚀量仅是热镀锌钢的 1/10 ~ 1/5，使用寿命与渗铝层的厚度有关。
2007年，国外热浸渗铝钢板年产量 约达100万吨，热浸渗铝各种型材约 达200万吨。
（3）热浸铝的用途
可用于提高炉内构件、烟道、汽车消音器、换热器、热处理 设备以及一些与H2S、SO2、NO2、水煤气接触的钢件使用寿命。
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
表面 wB(%)


相图上单相区越宽，相区间的含量差 就越大，渗入元素的流量将增加，因此 该相层就越厚。
基材心部
5.2 热扩渗工艺的分类

按热扩渗温度：高温（高于910℃）、中温、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

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。


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。
活化工件表面，使欲渗金属有良好的浸润性和结合强度。
热镀锌过程
（2）氧化还原法 先将欲渗工件在氧化气氛的预热炉内（440～460℃）烧掉 表面油污，然后再进入还原气氛炉内把氧化皮还原并加热到规 定的温度，接着将工件浸入炉内进行热浸渗处理。
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。
8.83
16.23 正交(a=4.053，b=5.495，c=2.946)
FeB很脆，应控制工艺，使表面只保留Fe2B。
渗硼层的性能（2） 1） 硬度：渗硼层硬度很高，与基体之间硬度陡降。 第一个台阶：B≈16％，HV2000左右，为FeB （η 相）； 第二个台阶：B ≈9％，HV1400左右，为Fe2B （ε 相）； 第三个台阶：B浓度和硬度均较低，对应着 扩散层与基体。 由于FeB很脆，应控制工艺，使表面只保留Fe2B。
可以实现机械化大规模生产。
3. 热浸锌的工艺、性能和用途
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。
热浸锌方法种类： 湿法热浸锌、干法热浸锌、氧化还原法热浸锌、 铅锌法热浸锌、单面热浸锌等。 国内应用最多的是：干法热浸锌和氧化还原法热 浸锌。

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、易于实现机 械化和自动化等优点，应用更广泛。

1.
2. 3.
热浸法 定义：将工件直接浸入液态金属中，经较短时间保温即形成合金 层。 常见：钢铁制品的热浸锌、热浸铝、热浸锡等。 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。
一、低温盐浴共渗法 （复习、自学） 二、硼砂熔盐金属履层技术（T.D法）
三、热浸锌和热浸铝
1. 热浸渗工艺的基本特点：
固体热扩渗特点
设备简单； 渗剂配制容易，容易实现多种元素热扩渗；
可用于形状复杂的工件热扩渗；
渗层组织和深度难控制；
耗能较大、热效率和生产效率低；
劳动强度大，工作环境差。
二、 固体渗硼 把工件置于含有硼原子的介质中加热到一定温度，保温 一段时间后，在工件表面形成一层坚硬的渗硼层。如在高温 下，供硼剂硼砂与介质中SiC发生反应：