廈門大學(xué)材料表面工程第四章

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1、第四章 熱滲鍍 4.1 概述 4-2 熱滲鍍原理 4-3 TRD滲鍍法 4-4 熱浸鍍 4-5 離子轟擊滲鍍 4-6 離子滲氮 4-7 離子滲碳 4.1 概述 用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表 面 ， 得到一擴(kuò)散合金層 ， 稱為熱滲鍍 。 該技術(shù)的突出特點(diǎn)是表面強(qiáng)化層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散 的作用 ， 因而不存在結(jié)合力不足的問題 。 熱滲鍍： 加熱 + 擴(kuò)散 滲入基體 合金層 熱滲鍍材料的選擇范圍很寬 ， 滲入不同元素可得到不同組 織和性能的表面 ， 這些性能包括：耐腐蝕性 、 耐磨性 、 耐 高溫氧化性等 。 熱滲鍍的方法很多 ， 按接觸介質(zhì)劃分有：固滲 、 液滲 、 氣 滲

2、和等離子滲；按復(fù)合手段劃分有：電泳滲 、 料漿滲 、 噴 涂滲 、 電鍍滲和化學(xué)鍍滲等 。 熱滲鍍方法分類詳見下圖： 1 固滲法 粉末包滲法 粉末包滲法是固滲中最普通的方法。 把工件埋人裝有滲層金屬粉末的容器里 進(jìn)行加熱擴(kuò)散，在粉末中加入防粘結(jié)粉 末 (如 Al2O3)和活化劑。 活化劑一般為鹵化物，如 NH4C1， NH4Br， NH4I等。 以 NH4C1為例 ， 加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)： NH4C1 NH3 + HCl 2NH3 3H2 + N2 2HCl + MF MC12 + H2 M是欲滲金屬 。 鹵化物分解生成的 N2和 H2會排除容器內(nèi) 的空氣造成還原氣氛 。 HCl與 M反應(yīng)生成

3、 MCl2， 隨著加熱的進(jìn)行 ， MCl2氣化 ， 與基體金屬 A反應(yīng) ， 生成活性原子 M： MC12 + A AC12 + M 活性金屬原子 M隨后擴(kuò)散滲入基體金屬表面，與基體 形合金鍍層。 粉末包滲法的優(yōu)點(diǎn) : 設(shè)備簡單，操作容易，適用于形狀復(fù)雜的工件的 滲鍍； 缺點(diǎn)：效率低，尺寸受限制，溫度高，時(shí)間長，基體金屬 的強(qiáng)度有一定降低。 流化床法 這種方法與粉末包滲法相似 ， 不同之處是將工件放于帶 有固體滲劑的流化床內(nèi) ， 然后加熱 ， 同時(shí)通人鹵氣和運(yùn) 載氣體 (H2， Ar)， 使之與流體粒子反應(yīng)產(chǎn)生欲滲金屬的 活性原子滲入工件 。 優(yōu)點(diǎn)：傳熱性好 ， 滲速快 ， 滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)

4、械化 和自動化；缺點(diǎn)：流化床設(shè)備裝置成本極高 ， 運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用 大 ， 尚未推廣使用 。 2 液滲法 熱浸法 將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中 ， 經(jīng)較短時(shí)間即形成合 金鍍層 。 當(dāng)浸漬時(shí)間極短時(shí) ， 所形成的鍍層只是附著層 而不是擴(kuò)散層 ， 與基體金屬結(jié)合不牢固 ， 在熱浸后還要 加熱使鍍層進(jìn)行擴(kuò)散 ， 以形成合金層 。 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單 ， 操作容易 ， 被廣泛采用 。 這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅 、 鍍鋁 、 鍍錫等 。 熔燒法 把滲鍍金屬或合金粉末加粘結(jié)劑后制成料漿，再將料 漿均勻涂敷于工件表面上，干燥后在惰性氣體或真空 環(huán)境中以稍高于料漿熔點(diǎn)的溫度加熱燒結(jié)，通過液 -固 界面擴(kuò)散而形成合金層

5、。 與熱浸法相比，該法能獲得成分和厚度都很均勻的滲 層，同時(shí)具有熱傳遞性好、滲速快等特點(diǎn)。 鹽浴法 鹽浴法是在金屬鹽熔融液體中加入 V， Nb， Cr， Ti， Ta 等鐵合金粉末，然后把含有較高 C， N的鋼件浸入，在 800 1250C溫度下，經(jīng)過 0.5 10 h的時(shí)間后，可在表 面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予工 件表面很高的耐磨性。 3 氣滲法 首先把工件加熱到滲劑原子在基體中能產(chǎn)生顯著擴(kuò)散的 溫度 ， 然后把含有滲鍍金屬鹵化物 (MCl2)的氫氣通人 ， 氣體和表面接觸時(shí) ， 工件表面的金屬 A和氫與 MCl2發(fā)生 反應(yīng) 。 MCl2 + A ACl2 + M MCl

6、2 + H2 2HCl + M 反應(yīng)生成的活性原子 M滲人工件表面 。 實(shí)現(xiàn)氣滲工藝大致可分為兩大類： 一類是滲鍍金屬同工件不在同一空間，用氫氣做載體把欲 滲金屬的鹵化物運(yùn)載到工件表面； 另一類是滲鍍金屬同工件在同一空間，使 HCl氣體先流過 被加熱了的滲劑金屬產(chǎn)生金屬氯化物氣體，隨后使氯化物 氣體流經(jīng)金屬表面，置換出活性原子 M，進(jìn)行滲鍍。 優(yōu)點(diǎn)：滲層厚度均勻，易控制，對異形件和小孔結(jié)構(gòu)的滲 鍍效果好，且無粉塵，勞動條件好。 4 離子轟擊滲鍍法 離子轟擊滲鍍法是利用物質(zhì)的第四態(tài) 等離子體進(jìn)行滲 鍍。等離子體是利用低真空下氣體輝光放電獲得的，因 為離子活性比原子高，加上電場的作用，因此滲速較高

7、， 質(zhì)量較好。 但是該法除離子氮化已經(jīng)成熟，包括滲碳在內(nèi)的離子滲 金屬尚在開發(fā)之中。 5 復(fù)合滲 復(fù)合滲是固滲的發(fā)展，即采用各種鍍層手段先在工件表面制造一固相 涂層，然后把工件連同涂層一起加熱。 包括： 電泳滲 料漿滲 噴鍍滲 電鍍滲 化學(xué)鍍滲 真空滲鍍 4-2 熱滲鍍原理 4-2-1 熱滲鍍的基本過程 一般說來熱滲鍍的基本過程應(yīng)包括四個(gè)步驟 。 介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ， 以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)物； 反應(yīng)物通過擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面，此稱為外擴(kuò)散； 反應(yīng)物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應(yīng)； 界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達(dá)到一 定的深度，此稱內(nèi)擴(kuò)散。 在這四個(gè)步驟

8、中，最關(guān)鍵的是進(jìn)行最慢的步驟，即控制步 驟。 步驟速度快，不會對整個(gè)過程產(chǎn)生阻礙作用。 步驟雖然是一個(gè)擴(kuò)散過程，但此擴(kuò)散是在氣態(tài)或液態(tài)下進(jìn) 行，擴(kuò)散速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素在固態(tài)內(nèi)的擴(kuò)散，因而也不可 能成為控制步驟。 后兩個(gè)步驟都有可能成為過程中的控制步驟。可根據(jù)滲層深 度和時(shí)間的關(guān)系來判定究竟是步驟還是是控制步驟。 大部分滲鍍處理的控制步驟是內(nèi)擴(kuò)散，因此提高溫度可加 速擴(kuò)散的進(jìn)行。但如果界面反應(yīng)是控制步驟，則僅靠提高 溫度就未必會收到加速的效果。 一般來說，在初始階段，金屬表面上的濃度較低，界面反 應(yīng)大多是控制步驟；到一定的程度，滲鍍元素在表面的濃 度高達(dá)某一值后，滲層厚度的增長主要靠內(nèi)擴(kuò)散來進(jìn)行

9、， 因此擴(kuò)散成了控制步驟。 4-2-2 滲層的形成條件 滲層是基體金屬和滲入元素原子混合或化合組成的薄合金層 ， 形成 條件為： (a) 滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物； (b) 滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，即滲入元素可在界 面被吸附； (c) 必須保持一定的溫度，使原子獲得足夠的擴(kuò)散動力； (d) 生成活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件。 滲層能否形成，關(guān)鍵在于滲入元素能否與基體金屬形成 有一定濃度變化范圍的二元合金相。形成這種相后，才 可能造成濃度差，從而使?jié)B入元素獲得擴(kuò)散所需要的驅(qū) 動力。 影響固溶體或金屬間化合物形成的因素主要有：原子相 對大小，原子

10、間的化學(xué)親合力，點(diǎn)陣類型以及相對原子 價(jià)。多數(shù)情況下，可通過原子相對大小初步判定固溶體 滲層形成的可能性。 4-3 TRD滲鍍法 TRD (Surface Coating by Thermo-Reactive Deposition and Diffusion) 稱為熱反應(yīng)沉積和擴(kuò)散的表面覆層法， 簡稱為 TRD滲鍍法或 TD法。 應(yīng)用最廣泛的是用熔鹽浸鍍法在工件表面上涂覆 VC， NbC， CrxCy等碳化物。 4-3-1 處理方法 TRD處理的設(shè)備如圖 4-4所示。 將 70 90的硼砂放人耐熱鋼坩堝中熔融后，向坩堝中加入可形成 欲鍍覆的碳化物的物質(zhì)。例如欲涂 VC時(shí)，加入 Fe-V的合金粉

11、末或 V2O5粉末，將含碳的鋼件浸入此鹽浴中，在 800 1200C保溫 110 h， 便得到了僅由碳化物鍍覆的表面層。碳的來源完全依靠鋼中自身的碳 向外擴(kuò)散。 4-3-2 影響涂層厚度的因素 影響涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度 、 處理時(shí)間和鋼中的含 碳量 。 鍍層成長的速率主要取決于碳原子的擴(kuò)散速率 ， 有下列關(guān)系 式： 2 = A t e -Q RT 式中， 為涂層厚度， t為浸鍍時(shí)間， T為浸鍍溫度， Q為碳 擴(kuò)散活化能 鋼中的含碳量越高，溫度越高，鍍層增厚越快。 4-3-3 鍍層性能 鍍層特點(diǎn)： 1硬度 ： 高 2耐磨性 ： 好 3抗熱粘結(jié)性 ： 良好 4抗剝離性 ： 良好 5 抗氧化

12、及耐蝕性：一般具有良好的抗氧化及耐蝕性 ， 隨鍍覆的碳化物種類的不同而不同 。 6 韌脆性 ：與淬火回火鋼大體處于同一水平 。 4-4 熱浸鍍 4-4-1 熱鍍鋅 1 鍍層形成理論 熱鍍鋅是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料保護(hù)工藝 ， 其形成要經(jīng)歷如下 步驟： 鐵基表面被鋅液溶解形成鐵鋅合金相層； 合金層中的鋅原子進(jìn)一步向基體擴(kuò)散 ， 形成鋅鐵固溶體； 合金層表面包絡(luò)一薄鋅層 。 熱鍍鋅層的組織由內(nèi)向外按下列順序排列： 與鋼基體相接的是 相，即 Zn在 Fe中的固溶體 (Zn-Fe合金 )； 由 相 向外，是化合物 相， Fe3Zn10，硬度 515 HV，質(zhì)脆； 再向外是 1化合物相， FeZn7， 成柵

13、狀分布， 硬度 454 HV， 韌性好；再向外是 相， FeZnl3，硬度不高 (270 HV)，性脆； 最外層是 相，即純 Zn層，該層是鋼鐵件從鋅液中取出時(shí)， 在合金層上粘附的液體鋅凝固而成。 熱鍍鋅的工藝就是調(diào)整各相的比例，得到結(jié)合力高、致密且 具有良好外觀的鍍鋅層。 2 熱鍍鋅的方法 目前工業(yè)上應(yīng)用的熱鍍鋅方法有： 干法熱 、 氧化還原法 、 濕法 、 鉛鋅法 、 單面熱鍍鋅等多種 。 應(yīng)用最多的是干法熱鍍鋅和氧化還原法熱鍍鋅 。 干法熱鍍鋅 干法熱鍍鋅是先把預(yù)處理后的清潔工件進(jìn)行溶劑處理， 干燥后再把工件浸入熔融鋅液中去。 溶劑處理的目的是去除工件表面上殘存的鐵鹽，將預(yù) 處理后新生成

14、的銹層溶解，活化鋼件表面，提高鋅液 浸潤鐵基體的能力，增加鍍層的結(jié)合力。 鋅的熔點(diǎn)是 419.5 ， 在熱鍍鋅工業(yè)中把鋅液溫度分為 5個(gè) 區(qū)域： 1) 在 480 以下 ， 鋅液對基體鐵溶解緩慢 ， 工業(yè)上一般不 采用； 2) 在 540 左右 ， 鋅液對鐵溶解力很強(qiáng) ， 可用于鍍灰鑄鐵 工件； 3) 495 左右 ， 這是鋅液對鐵的惡性溶解溫度 ， 鍍層疏松 ， 是熱鍍鋅的禁區(qū)； 4) 620 左右 ， 鐵鋅結(jié)合層很快形成 ， 是鋼鐵件熱鍍鋅的 最佳溫度； 5) 660 以上 ， 鐵急劇溶解 ， 工件表面掛不上鋅 ， 這是應(yīng) 避免的溫度 。 干法熱鍍鋅允許有較高的含鋁量，因此鋅液表面能生成一

15、 層薄 (0.1m) A12O3保護(hù)膜，防止鋅液氧化。 加鋁還可得到塑性較高的鍍鋅層。 氧化還原法熱鍍鋅 該法取消了堿洗 、 酸洗和溶劑處理等表面預(yù)處理 。 其工藝過程為先使鋼件通過氧化性氣氛的預(yù)熱爐 (爐內(nèi) 加熱溫度為 440 460 )， 再把工件送進(jìn)還原性氣氛 爐中把氧化皮還原并加熱到規(guī)定的溫度 ， 接著將鋼件浸 人約 440 460 溫度的鋅液中進(jìn)行鍍鋅 。 3 熱鍍鋅層的性能 鍍鋅層的防護(hù)性能表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 1、 鋅在大氣中能在表面形成一層致密 、 堅(jiān)固 、 耐蝕 的 ZnCO33Zn(OH)3保護(hù)膜 ， 保護(hù)了下面的 Zn和 Fe免于腐蝕； 2、 對于局部損壞處有陰極保護(hù)的作用

16、。 4熱鍍鋅的應(yīng)用 熱鍍鋅不僅適用于較小的工件 (如螺母、螺栓、彈簧等標(biāo) 準(zhǔn)件 )，而且還能用于鍍鋅鋼管、鋼板、鋼絲的大批量生 產(chǎn)。 目前該工藝正廣泛地應(yīng)用于在大氣和海洋中工作的鋼鐵 構(gòu)件上。 4-4-2 熱滲鍍鋁 當(dāng)鋼中含鋁量高于 8時(shí)，其表面能形成致密的鋁氧化膜， 有良好的抗氧化性和抗蝕性。但鋼中含這樣高的鋁時(shí)就會變 脆。 采用滲鋁的方法既可保持鋼件心部的韌性，又可提高表面 的抗氧化性和抗蝕性。 1熱浸鋁 熱浸鍍鋁是當(dāng)前最受重視的滲鋁方法 。 把預(yù)處理過的工件浸 人熔融的 鋁浴中保溫一定時(shí)間取出 ， 使其表面滲入一層鋁 。 (1) 熱浸鋁機(jī)理 當(dāng)液態(tài)鋁與鐵接觸時(shí) ， 由于相界面 反應(yīng)首先生

17、成 FeAl3化合物；此后 繼續(xù)擴(kuò)散 ， FeAl3層加厚 ， 由于濃度 起伏 ， FeAl3表 面上出現(xiàn) Fe2Al5微區(qū)； 隨著 Al的進(jìn)一步 擴(kuò)散 ， Fe2Al5相不 斷擴(kuò)大成柱狀晶 ， F e A l 3 相逐 漸減少。 (2) 浸鋁層的組織特點(diǎn) 基本可分為兩層： 最外層為富 A1層，成分基本同鋁液； 次層是 Al， Fe合金層，主要是金屬化合物 Fe2Al5相，還有 少量 FeAl3相， Fe2Al5相呈舌狀伸人鋼中。 Fe2Al5相質(zhì)硬而脆，要盡可能抑制其生長，一股把其控制 在滲層的 1/10范圍內(nèi)為好。 控制浸鍍溫度 (700 730 )，加入 2 6的 Si或加入 0.6 的

18、 Be都有助于減少 Fe2Al5的厚度。 2其它滲鍍鋁的方法 固體粉末滲鋁 固體粉末滲鋁是將滲鋁工件埋在粉末狀的滲鋁劑中， 然后加熱到 900 1050 保溫?cái)?shù)小時(shí)即可，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備 簡單，操作方便，特別適合于機(jī)械的零部件；缺點(diǎn)是 工件尺寸受到限制，效率不高。 滲鋁劑一般由三部分組成： 鋁粉或鋁鐵合金粉；氧化鋁粉，起稀釋填充和防止金屬粉 末粘結(jié)的作用；氯化銨 (活化劑 )。 工件可以是鋼鐵件，也可以是鎳基和鈷基高溫合金，還可 用于鈦合金、銅合金及鉬、鈮等難熔金屬。 鋼的滲鋁是通過下列反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的： 2NH4Cl 2HCl + N2 + 3H2 6HCl + 2Al 2A1C13 + 3H2 Fe

19、+ A1C13 FeCl3 + A1 滲劑可按表 4-2配制。 噴鍍滲鋁法 把熱噴涂鋁后的工件在 800 1000 溫度下保溫 5h，讓 Al進(jìn) 行擴(kuò)散，稱為噴鍍滲鋁。該處理不僅改善了噴鋁層與基體 表面的結(jié)合強(qiáng)度，還提高了噴 Al層的密度。 料漿滲鋁法 料漿滲鋁是由固體粉末滲鋁法發(fā)展而來的一種工藝方法。 將滲鋁劑調(diào)成糊狀，然后涂刷在工件表面上，在 120 時(shí)烘 干，再加熱到 1000 左右進(jìn)行擴(kuò)散滲鋁。 氣體滲鋁法 氣體滲鋁是在密封的貫通式爐或井式爐中進(jìn)行，滲鋁氣氛 為鋁的鹵化物，反應(yīng)機(jī)理基本同固體粉末法，氣氛可以從 爐外通人，也可以在爐內(nèi)制取。該法質(zhì)量穩(wěn)定，效率較 高。 其它滲鋁法 上面介紹

20、的五種方法已在我國應(yīng)用，還有下述一些方法正在 研究中： 電泳滲鋁法： 先用電泳法將鋁粉均勻地沉積在工件表面上， 再加熱擴(kuò)散制成鍍層。電泳沉積鋁的溶液是由鋁粉 (10m)、 無水乙醇和三氯化鋁組成的，配比時(shí)按每升乙醇含鋁粉 50g、 三氯化鋁約 5 8g配制。工件為陰極，鋁板為陽極。 快速電加熱滲鋁法 有三種快速滲鋁工藝： (1)高頻加熱熱噴涂之后的工件； (2)在滲鋁氣氛中用高頻電流加熱工件； (3)在活性膏劑中用高頻感應(yīng)加熱工件。 該滲鋁法可使?jié)B鋁周期從幾十小時(shí)縮短為幾分鐘甚至 幾十秒鐘，且可改善鋁層質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，是 近十幾年出現(xiàn)的一種滲鋁新工藝。 3滲鋁層的性能 各種滲鋁法形成的滲

21、層基本上可用圖 4-6來表示。 滲鋁層具有特殊的抗氧化性和耐腐蝕性。 抗氧化性能 滲鋁后的鋼與原來未滲鋁的鋼相比，使用溫度可提高 200 。 A3鋼滲鋁后抗高溫氧化性能優(yōu)于 0Crl7Mnl3Mo2N不銹 鋼，與未滲鋁的 A3鋼比較，抗高溫氧化能力提高 100倍 以上。 耐腐蝕性 滲鋁是目前提高鋼材耐硫化物腐蝕最有效的手段之一。在 大氣條件下，滲鋁鋼比熱鍍鋅鋼具有更好的耐蝕性。滲鋁 鋼的腐蝕量僅是熱鍍鋅鋼的 1/10 1/5。使用壽命與滲鋁層 厚度的關(guān)系見表 4-3。 4滲鍍鋁的應(yīng)用 滲鍍鋁主要用于提高機(jī)件的耐熱耐腐蝕壽命，可用于爐 內(nèi)構(gòu)件、煙道、汽車消音器、汽車進(jìn)排氣零部件、高溫石 油化工用

22、換熱器、加熱管、熱風(fēng)管、加熱爐排風(fēng)扇、空氣 預(yù)熱器和熱處理用設(shè)備，以及一切與 H2S， SO2， CO2， H2CO3， HNO3，液 N2，水煤氣接觸的設(shè)備。 4-5 離子轟擊滲鍍 4-5-1 概述 離子轟擊滲鍍是利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子 轟擊工件表面，使表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生改變 的處理方法。 它與傳統(tǒng)的固、液、氣態(tài)中的滲鍍原理不同，是近幾年 物質(zhì)的第四態(tài) 等離子體在熱滲鍍領(lǐng)域的應(yīng)用。 通過輝光放電獲得的等離子體是正離子、負(fù)離子、分子、 中性原子、電子、光子等各種粒子的復(fù)合體。其中帶電粒 子在電場的作用下作定向運(yùn)動，具有足夠能量的粒子與中 性的氣體原子或分子相撞，使其處于激

23、發(fā)態(tài)，成為活性原 子或離子。這些活性原子或離子，比較容易被金屬表面吸 收，進(jìn)入金屬內(nèi)部。 離子轟擊滲鍍的基本方法可示意于圖 4-7 以工件為陰極，容器壁為陽 極，調(diào)節(jié)滲劑送氣和抽氣速 率，使維持 133 1333 Pa的 壓力，極間施以 300 V以上的 直流電壓，使產(chǎn)生輝光放電。 用離子轟擊進(jìn)行滲鍍，有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 離子對表面的轟擊可使表面高度活化，且離子和隨離 子一起沖擊表面的活性原子易被表面吸收，因而滲鍍 速度很快。 (2) 可方便地通過調(diào)整滲劑氣成分、有關(guān)電參數(shù)和氣體參 數(shù)控制滲鍍層組織，從而實(shí)現(xiàn)對滲鍍層的要求。 (3) 由于離子的轟擊作用，可以去除氧化膜和鈍化膜，對 于那些易氧

24、化或鈍化的金屬如不銹鋼特別適合。 (4) 輝光放電可均勻地覆蓋于工件表面，因此比較適合形 狀復(fù)雜及多溝槽和孔隙工件的處理。 (5) 易實(shí)現(xiàn)工藝過程的計(jì)算機(jī)控制。 4-6 離子滲氮 可顯著提高鋼鐵零件表面抗磨、耐疲勞和耐腐蝕性的表面處理新工藝。 把被處理的工件放在真空室，抽真空至 13.3 1.33 Pa，充以稀薄的含氮?dú)怏w如熱分解氨 或氮?dú)浠旌蠚怏w，在陰陽極間加上直流高壓 后，氣體被電離而發(fā)生輝光放電，放電過程 中氮和氫離子在高壓電場的作用下，沖向陰 極表面，產(chǎn)生大量的熱把工件加熱到所需的 溫度，同時(shí)氮的離子或原子為工件表面所吸 附，并迅速擴(kuò)散，形成了一定厚度的氮化層。 4-6-1 離子氮化機(jī)

25、理 陰極濺射模型 ： 在輝光放電中，具有高能量的氮、氫離子轟擊作為陰極的 工件，一部分離子直接為表面所吸附，滲人工件，另一部 分通過陰極濺射轟擊出電子及鐵、氧等原子。濺射出的鐵 原子與附近的活性氮原子結(jié)合，形成 FeN，被工件吸收。 FeN受到高溫作用和離子的轟擊按照 FeN Fe2N Fe3N Fe4N的順序分解為低價(jià)氮化鐵，同時(shí)析出原子 氮，析出的原子氮向工件內(nèi)部滲入。 4-6-2 離子氮化的應(yīng)用 離子氮化的應(yīng)用范圍很廣，碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高速鋼和 鑄鐵都可以用離子氮化來強(qiáng)化表面。 例如，機(jī)床工業(yè)中用離子氮化大批量的齒輪、絲桿、離合 器、頂針套、軸等。切削工具通過離子氮化，可提高壽命 1.

26、5 2倍，用于連桿、曲軸、輪轂的熱鍛模，壽命提高 140 265。 4-7 離子滲碳 滲碳是一門古老的表面熱處理技術(shù)，直到目前仍是提高鋼 鐵表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度的主要的表面處理方法之 一，約占表面強(qiáng)化零件的 70以上。 近幾十年來，滲碳工藝不斷進(jìn)步，由最早的固體滲碳發(fā)展 為氣體滲碳、真空滲碳。 二十世紀(jì) 70年代以后，開始研 究、開發(fā)離子滲碳工藝，并在 80年代中期開始在工業(yè)上 應(yīng)用。 4-7-1 離子滲碳原理 在真空狀態(tài)下，以工件為陰極，施以直流電壓，產(chǎn)生輝光 放電，碳離子轟擊工件表面，把工件表面加熱并被表面吸 收，然后向內(nèi)部擴(kuò)散。 4-7-2 等離子滲碳的特點(diǎn) 1不使晶界氧化：等離子

27、滲碳工件在真空中加熱，而且工 作氣中不含 O2和 H2O，所以不會發(fā)生晶界氧化。 2表面滲碳量容易控制：表面滲碳層深度、碳濃度和晶粒 大小對工件和機(jī)械性能有重大影響，因此必須嚴(yán)格控制。 采用丙烷等離子滲碳可通過氣體流量和等離子體中 C3H8分 壓的高精度控制來控制表面滲碳量。 3多次循環(huán)處理形成復(fù)合硬化層：可以迅速更換滲碳室 的反應(yīng)氣，為達(dá)到 “ 先滲碳后氮化 ” 或 “ 先氮化后滲 碳 ” 的表面硬化目標(biāo)，可以對連續(xù)的多循環(huán)處理進(jìn)行 程序控制。 例如：對于 SVS316零件，經(jīng) 950 ， 60 min滲碳后， 再進(jìn)行 650 ， 30 min高溫氮化處理，表面硬度可 達(dá) HV550 600

28、，硬化深度為 0.2 mm，硬化層的 組織中既有大量碳化物又有大量氮化物。如果單純用 滲碳的方法僅能達(dá) HV400 450的硬度。 4-7-3 等離子滲碳的應(yīng)用 1代替氣體滲碳 等離子滲碳可在比較短的時(shí)間內(nèi)得到高得多的碳濃度，此 外不會出現(xiàn)晶界氧化層和異常滲碳層。 2等離子高濃度滲碳 通常的滲碳表面的 C濃度規(guī)定為 0.8左右。 如果有意地使碳化物在表面層析出，使表面改質(zhì)，稱為高 濃度滲碳。 對于含 Cr， Mo， V， Ti合金元素的鋼，當(dāng)有微細(xì)碳化物 析出時(shí)，耐磨性會大大提高。 用氣體滲碳進(jìn)行高濃度滲碳時(shí)，碳黑會大量沉積于工件表 面和爐壁上，而且含 Cr高的鋼，氣體滲碳時(shí)，晶界會 劇烈氧化

29、；而等離子滲碳克服了這些缺點(diǎn)。 3難滲材料的等離子滲碳 高鉻馬氏體和奧氏體鋼，很 難 用一般的滲碳方法滲碳，稱 為難滲材料。等離子滲碳在減壓下進(jìn)行，由于等離子的作用， 使這些材料的滲碳成為可能。 4 高熔點(diǎn)金屬的等離子滲碳 對 W， Cr和 Nb等高熔點(diǎn)金屬進(jìn)行等離子滲碳在表面上可形 成一系列碳化物。 5 熱噴涂層的等離子滲碳 對 Ni基自熔合金和 WC-Co系熱噴涂層進(jìn)行了等離子滲碳， 提高了熱噴涂層的耐磨性。 等離子滲碳具有一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。 到目前應(yīng)用并不普遍，這主要有兩個(gè)原因： （ 1）作為一門新工藝，本身還需進(jìn)一步完善，近些年雖然有 一些研究，但是從深度和廣度來說都還是很不夠的； （ 2）盡管等離子滲碳有許多優(yōu)越性，但更新設(shè)備要相當(dāng)?shù)耐?資。 開發(fā)等離子滲碳的新領(lǐng)域，用于解決傳統(tǒng)的滲碳無法解決的 表面改質(zhì)問題，是今后的研究方向。 作業(yè)： 1、熱滲鍍的基本過程是什么？何謂滲鍍的控制步驟。 2、熱滲鍍滲層形成的基本條件是什么？如何根據(jù)基體和 滲入元素的特性來判定滲層形成的可能性？ 3、舉出一種熱浸鋅和熱浸鋁的工藝，并說明每一步的理 由。 4、離子氮化的機(jī)理是什么？ 5、簡述甲烷等離子 滲碳工藝。