《第六章第三節(jié) 金屬表面化學(xué)熱處理》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第六章第三節(jié) 金屬表面化學(xué)熱處理（78頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、2021-9-241第三節(jié) 金屬表面化學(xué)熱處理 2021-9-242一、概述 （一）金屬表面化學(xué)熱處理過程 金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。其基本工藝過程是：首先將工件置于含有滲入元素的活性介質(zhì)中加熱加熱到一定溫度，使活性介質(zhì)通過分解，并釋放出欲滲入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金屬表層擴(kuò)散滲入形成一定厚度的擴(kuò)散層，從而改變表層的成分、組織和性能。 2021-9-243熱滲鍍化學(xué)熱處理用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層，但有時(shí)表面上還會(huì)殘留一薄的覆層。因此被稱為熱滲鍍。該技術(shù)的突出
2、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。 2021-9-244（二）金屬表面化學(xué)熱處理的目的（1）提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到950HV1200HV；滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到1400HV2000HV等，因而工件表面具有極高的耐磨性。 2021-9-245（2）提高材料疲勞強(qiáng)度。 如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。（3）使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的
3、能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。（4）提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。2021-9-246（三）化學(xué)熱處理滲層的基本組織類型（1）形成單相固溶體。如滲碳層中的鐵素體相等。（2）形成化合物。如滲氮層中的相（F2-3N），滲硼層中Fe2B等。（3）化學(xué)熱處理后，一般可同時(shí)存在固溶體、化合物的多相滲層。2021-9-247（四）化學(xué)熱處理種類 根據(jù)滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分以下幾類：（1）固體法：包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層（電鍍層、噴鍍層等）擴(kuò)散法等。（2）液體法：包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。（3）氣體法：包括固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等
4、。（4）等離子法：2021-9-248按復(fù)合手段劃分有電泳滲、料漿滲（或膏劑滲）、噴涂滲、電鍍滲、化學(xué)鍍滲等。2021-9-249熱滲鍍-化學(xué)熱處理2021-9-24101固滲法粉末包滲法在粉末中加入了防粘結(jié)粉末（如在粉末中加入了防粘結(jié)粉末（如Al2O3）和活化劑（助滲劑）?；罨瘎┮话銥辂u化和活化劑（助滲劑）?；罨瘎┮话銥辂u化物，如物，如MH4CI，MH4Br，MH4I等。包滲等。包滲示意圖見圖示意圖見圖4-2。以NH4Cl為例，加熱時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)： 2021-9-2411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
5、強(qiáng)度有一定降低。 2021-9-2412流化床法 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。特點(diǎn)：傳熱性好，滲速快，滲層質(zhì)量高并有利于機(jī)械化和自動(dòng)化；缺點(diǎn)：流化床設(shè)備裝置成本極高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用大，因此這種方法尚未推廣使用。 2021-9-24132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，因而與基體金屬結(jié)合不牢固，因此一般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，因而
6、被廣泛采用。這種方法多用于鋼鐵制品的鍍鋅、鍍鋁、鍍錫等。 2021-9-2414熔燒法熔燒法是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。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)。2021-9-2415鹽浴法 鹽浴法是目前世界上采用的較新的熱滲鍍技術(shù)，其基本原理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（可預(yù)先進(jìn)行滲碳、氮化或碳、氮共滲），在8001250溫度下，經(jīng)過0.510h的時(shí)間后，
7、可在表面上形成一極硬的金屬的碳氮化合物薄層，從而賦予工件表面高的耐磨性。 2021-9-24163氣滲法 氣滲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）的氫氣通入，氣體和表面接觸時(shí)，工件表面的金屬A和氫本身與MCl2發(fā)生反應(yīng)。 反應(yīng)生成的活性原子M滲入工件表面。2021-9-2417實(shí)現(xiàn)氣滲工藝的具體方法很多，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
8、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(dòng)條件好。2021-9-24184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?yàn)殡x子活性比原子高，加上電場的作用，因此滲速較高，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。2021-9-24195復(fù)合滲 復(fù)合滲實(shí)際上是固滲的發(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。加熱的方法很多，諸如普通加熱爐加熱、高頻感應(yīng)加熱、通電加熱、輝光放電加熱，以及電子束、離子束加熱等。 電泳滲 、料漿滲（或
9、稱膏劑滲） 、噴鍍滲 、電鍍滲 、化學(xué)鍍滲 、真空滲鍍 2021-9-2420熱滲鍍原理熱滲鍍的基本過程應(yīng)包括四個(gè)步驟，即：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。 2021-9-2421在這四個(gè)步驟中，最值得注意的是進(jìn)行最慢的步驟，或者說是控制步驟。一般說來步驟速度快，不會(huì)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
10、。實(shí)踐證明后兩個(gè)步驟都有可能成為過程中的控制步驟。 實(shí)踐中可根據(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。 2021-9-2422滲碳過程以水煤氣的滲碳過程為例，其四個(gè)過程可示意性地表示于圖中 2021-9-2423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，所以，滲鍍的條件是：1）滲入元素必須能與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物；2）滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，或者說滲入元素可以在界面被吸附；3）必須保持一定的溫度，即使原子獲得足夠的擴(kuò)散動(dòng)力；4）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。 2021-9-2424TRD滲鍍法 TRD（Sur
11、face 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。該工藝是日本豐田中央研究所開發(fā)的。具體工藝有熔鹽浸鍍法、電解法及粉末法。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。該工藝于1971年開始投入應(yīng)用。 2021-9-2425處理方法 將7090的硼砂放入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FeV的合金粉末或 V2O5粉末，將含碳的鋼件浸入此鹽浴中，在8001200保溫110h，便得到了僅由碳化物
12、鍍覆的表面層。2021-9-2426處理方法如需鍍覆NbC、CrxCy,則在鹽浴中加入 FeNb，Nb2O5，F(xiàn)e-Cr，Cr2O3合金粉末或金屬氧化物粉末。若采用金屬氧化物，還需在鹽浴中添加Al，Ca，Ti， Fe-Ti， Fe-Al等物質(zhì)，以保持鹽浴的活性，使金屬原子得以在鹽浴中被還原出來。碳的來源完全依靠鋼中自身的碳向外擴(kuò)散。2021-9-24272021-9-2428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。 按A的不同，若要在鋼的表面形成510m厚的碳化物，約需30分鐘到數(shù)小時(shí)。顯然鋼中的含碳量越高，溫度
13、越高，鍍層增厚越快。2021-9-2429鍍層性能 X射線分析發(fā)現(xiàn)，TD法所得鍍層幾乎全由純碳化物組成，碳化物層的成分不受基體金屬的影響，不存在Fe，O，P，S等成分。典型的VC鍍層無微孔，在顯微鏡下呈白亮色，基體金屬與碳化物層之間有清晰的界面。不過，如在1050處理，則碳化物形成元素將擴(kuò)散到基體金屬中，這對改善鍍層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度十分有利。 2021-9-24301硬度 TD法所得鍍層硬度大大高于淬火、鍍鉻或氮化的硬度；VC和TiC的硬度約為HV3000，NbC約為HV2500，VC，CrxCy，NbC在800以上仍有HV800以上的高硬度。 2021-9-24312021-9-2432
14、2耐磨性快速磨損試驗(yàn)機(jī)研究了以SCM15為配對材料、幾種鋼經(jīng)TD處理或其它處理的磨損量，發(fā)現(xiàn):鍍覆VC，NbC，TiC的耐磨性顯然比氮化、滲硼、鍍鉻、放電硬化等其它表面處理優(yōu)越而與硬質(zhì)合金的耐磨性相同或更好，與用CVD和PVD法鍍覆的TiC層耐磨性相同。2021-9-24333抗熱粘結(jié)性 研究表明：以鋼、銅及鉛為配對材料的抗熱粘結(jié)性，發(fā)現(xiàn)鍍覆VC，NbC，TiC的材料與未作鍍覆處理的或作其它表面處理的材料相比，前者卻不易發(fā)生熱粘結(jié)。跟易于發(fā)生熱粘結(jié)的不銹鋼進(jìn)行環(huán)壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂覆碳化物也具有良好的抗熱粘結(jié)性。 2021-9-24344抗剝離性 用鋼球反復(fù)撞擊試樣的同一部位，研究鍍層的開裂或剝離
15、情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)TD處理的 VC，NbC及 CrxCy鍍層即使撞擊20萬次也不發(fā)生裂紋或剝離；而用CVD和PVD處理的TiC鍍層撞擊510萬次鍍層即剝離。 2021-9-24355抗氧化及耐蝕性 抗氧化性的好壞隨鍍覆的碳化物種類的不同而不同。VC，NbC在500的大氣中幾乎不氧化，不過若在600下保溫1h會(huì)有幾微米的碳化物層被氧化。 鍍覆VC，NbC，CrxCy的鋼對于鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、苛性鈉都有良好的耐蝕性，但要避免微孔等缺陷。 2021-9-24366韌脆性 軟氮化或滲碳處理會(huì)使材料的韌性降低，而TD處理的材料進(jìn)行艾氏沖擊試驗(yàn)或缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其韌性與淬火回火鋼大體處于同一水平。
16、2021-9-2437TRD處理的應(yīng)用及與PVD和CVD鍍層性能的比較 TD處理已經(jīng)在幾乎所有需要耐磨的領(lǐng)域中得到成功的應(yīng)用。在沖壓模。冷鍛模、鑄模等方面的應(yīng)用也是比較多的。 用CVD，PVD和TD法都可以得到薄的碳化物層，但比較起來TD法有許多優(yōu)點(diǎn)。諸如： 2021-9-2438TD法的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡單，價(jià)格便宜；操作簡便；工件冷卻方法任意選擇；鍍層成分、性能不受處理溫度的影響；易于作局部鍍覆；可作重復(fù)處理，便于返修。 2021-9-2439二、滲硼 滲硼主要是為了提高金屬表面的硬度、耐磨性和耐蝕性?？捎糜阡撹F材料、金屬陶瓷和某些有色金屬材料，如鈦、鉭和鎳基合金。這種方法成本較高。 2021-9
17、-2440（一）滲硼原理 滲硼就是把工件置于含有硼原子的介質(zhì)中加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后，在工件表面形成一層堅(jiān)硬的滲硼層。 在高溫下，供硼劑硼砂與介質(zhì)中SiC發(fā)生反應(yīng)： 2021-9-2441若供硼劑為B4C，活性劑為KBF4，則有以下反應(yīng)： 2021-9-2442滲硼氣體為BCl3，載氣為H2，比例為BCl3 H2 （0.050.10）l，在滲硼溫度下通入密封爐內(nèi)，發(fā)生如下反應(yīng)：活性B滲入鋼內(nèi)與Fe形成Fe2B或FeB。該法滲層均勻致密，表面質(zhì)量好。 2021-9-2443（二）滲硼層的組織 硼原子在相或相的溶解度很小，當(dāng)硼含量超過其溶解度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生硼的化合物Fe2B()。當(dāng)硼含量大于
18、質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.83時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB（）。當(dāng)硼含量在616時(shí)，會(huì)產(chǎn)生FeB與Fe2B白色針狀的混合物。一般希望得到單相的Fe2B。 2021-9-2444鐵一硼狀態(tài)圖 2021-9-24452021-9-2446（三）滲硼層的性能(1）滲硼層的硬度很高。如Fe2B的硬度為1300HV1800HV； FeB的硬度為16002200HV。由于FeB脆性大，一般希望得到單相的、厚度為0.07mm0.15mm的Fe2B層。（2）在鹽酸、硫酸、磷酸和堿中具有良好的耐蝕性，但不耐硝酸。（3）熱硬性高，在800時(shí)仍保持高的硬度。（4）在600以下抗氧化性能較好。2021-9-2447滲硼層具有十分優(yōu)異的耐磨性能
19、。試驗(yàn)表明，滲硼試樣的耐磨性能比其它任何處理（如滲碳、碳氮共滲等）都高。此外，滲硼處理還有比較高的耐腐蝕磨損和泥漿磨損能力。 2021-9-244840鋼電解滲硼的硼濃度分布和顯微硬度曲線見圖。第一個(gè)臺階時(shí)，B含量為16左右，HV為2000左右，對應(yīng)著FeB（）相；第二個(gè)臺階B含量為9左右，HV為1400左右，對應(yīng)著Fe2B（）相；第三個(gè)臺階濃度和硬度均較低，對應(yīng)著擴(kuò)散層與基體。FeB很脆，如果工藝得當(dāng)，可以在表面上只保留Fe2B，這是理想的滲層。 2021-9-2449（四）滲硼方法 1固體滲硼 固體滲硼是將工件置于含硼的粉末或膏劑中，裝箱密封，放入加熱爐中加熱到9501050保溫一定時(shí)間后
20、，工件表面上獲得一定厚度的滲硼層方法。 這種方法設(shè)備簡單，操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高。歐美國家多采用固體滲硼。 2021-9-24502021-9-24512氣體滲硼 與固體滲硼的區(qū)別是供硼劑為氣體。氣體滲硼需用易爆的乙硼烷或有毒的氯化硼，故沒有用于工業(yè)生產(chǎn)。3液體滲硼 也叫鹽浴滲硼。這種方法應(yīng)用廣泛。它主要是由供硼劑硼砂+還原劑（碳酸鈉、碳酸鉀、氟硅酸鈉等）組成的鹽浴。 4等離子滲硼 等離子滲硼可以用與氣體滲硼類似的介質(zhì)。這一領(lǐng)域已進(jìn)行了研究，但還沒有工業(yè)應(yīng)用的處理工藝。 2021-9-2452五）鋼鐵材料滲硼 最合適的鋼種為中碳鋼及中碳合金鋼。滲硼后為了改善基體的力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)
21、進(jìn)行淬火+回火處理，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）滲硼件應(yīng)盡量減少加熱次數(shù)并用緩冷。（2）滲硼溫度高于鋼的淬火溫度時(shí)，滲硼后應(yīng)降溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。（3）滲硼溫度低于鋼的淬火溫度時(shí)，滲硼后應(yīng)升溫到淬火溫度后再進(jìn)行淬火。（4）淬火介質(zhì)仍使用原淬火介質(zhì)，但不宜用硝鹽分級與等溫處理。（5）滲硼粉中B4C含量對不同鋼種的硼化物層中FeB相影響較大。2021-9-2453滲硼在生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例2021-9-2454目前滲硼主要用于耐磨并且兼有一定的耐蝕性方面，例如鉆井用的泥漿泵零件、滾壓模具、熱鍛模具及某些工夾具。近年來，滲硼還逐漸擴(kuò)大到硬質(zhì)合金、有色金屬和難熔金屬，例如難熔金屬的滲硼已經(jīng)在宇航設(shè)備中
22、獲得應(yīng)用。滲硼還可用于印刷機(jī)凸輪、止推板、各種活塞、離合器軸、壓鑄機(jī)料筒與噴嘴、軋鋼機(jī)導(dǎo)輥、油封滑動(dòng)軸、塊規(guī)、閘閥和各種拔絲模等。 2021-9-2455（六）有色金屬滲硼 有色金屬滲硼通常是在非晶態(tài)硼中進(jìn)行的。 某些有色金屬如鈦及其合金必須在高純氬或高真空中進(jìn)行，且必須在滲硼前對非晶硼進(jìn)行除氧。大多數(shù)難熔金屬都能滲硼。 2021-9-2456三、滲碳、滲氮、碳氮共滲 滲碳、滲氮、碳氮共滲等可提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，在工業(yè)中有十分廣泛的應(yīng)用。 （一）滲碳、碳氮共滲 1結(jié)構(gòu)鋼的滲碳 結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)滲碳后，能使零件工作表面獲得高的硬度、耐磨性、耐侵蝕、磨損性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，而心
23、部具有一定強(qiáng)度、塑性、韌性的性能。常用的滲碳方法有三種： 2021-9-2457（1）氣體滲碳 氣體滲碳是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種滲碳方法，它是在含碳的氣體介質(zhì)中通過調(diào)節(jié)氣體滲碳?xì)夥諄韺?shí)現(xiàn)滲碳目的的。 工業(yè)上一般有井式爐滴注式滲碳和貫通式氣體滲碳兩種。 2021-9-2458（2）鹽浴滲碳 液體滲碳是將被處理的零件浸入鹽浴滲碳劑中，通過加熱使?jié)B碳劑分解出活性的碳原子來進(jìn)行滲碳。如Na2CO37585、NaCl1015、SiC815 就是一種熔融的滲碳鹽浴配方。10鋼在950保溫3h后可獲得總厚度為1.2mm的滲碳層。 2021-9-2459（3）固體滲碳固體滲碳是一種傳統(tǒng)的滲碳方法，它使用
24、固體滲碳劑。在固體滲碳中，膏劑滲碳具有工藝簡單方便的特點(diǎn)，主要用于單件生產(chǎn)、局部滲碳或返修使用。為了提高滲碳速度而引進(jìn)了快速加熱滲碳法、真空、離子束滲碳等先進(jìn)的工藝方法，它們均能提高滲碳速度和滲碳質(zhì)量。 2021-9-2460 2高合金鋼的滲碳 工具鋼經(jīng)滲碳后，其表面具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高熱硬性。與傳統(tǒng)的模具鋼制造的工具相比，壽命可得到提高。 2021-9-24613碳氮共滲 液體碳氮共滲以往稱氰化。碳氮共滲比滲碳溫度低（700880），變形小，且由于氮的滲入提高了滲碳速度和耐磨性。 2021-9-2462（二）滲氮、氮碳共滲 滲氮、氮碳共滲是在含有氮，或氮、碳原子的介質(zhì)中，將工件加熱到一定
25、溫度，鋼的表面被氮或氮、碳原子滲入的一種工藝方法。滲氮工藝復(fù)雜，時(shí)間長，成本高，所以只用于耐磨、耐蝕和精度要求高的耐磨件，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、排氣閥、閥門、精密絲桿等。2021-9-2463鋼經(jīng)滲氮后獲得高的表面硬度，在加熱到500時(shí)，硬度變化不大，具有低的劃傷傾向和高的耐磨性，可獲得500MPa1000MPa的殘余壓應(yīng)力，使零件具有高的疲勞極限和高耐蝕性。在自來水、潮濕空氣、氣體燃燒物、過熱蒸汽、苯、不潔油、弱堿溶液、硫酸、醋酸。正磷酸等介質(zhì)中均有一定的耐蝕性。 2021-9-24641滲氮的分類 （1）低溫滲氮 低溫滲氮是指滲氮溫度低于600的各種滲氮方法, 滲氮層的結(jié)構(gòu)主要決定于Fe-N相圖。
26、其主要滲氮方法有氣體滲氮、液體滲氮、離子滲氮等。2021-9-2465低溫滲氮主要用于結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法。把需滲氮的零件放入密封滲氮爐內(nèi)，通入氨氣，加熱至500600，氨發(fā)生以下反應(yīng)： 2NH33H22N 生成的活性氮原子N滲入鋼表面，形成一定深度的氮化層。 2021-9-2466根據(jù)FeN相圖，氮溶入鐵素體和奧氏體中，與鐵形成相（Fe4N）和相（Fe2-3N），也溶解一些碳。滲氮后，工件最外層是白色相或相，次外層是暗色共析體層。 2021-9-2467（2）高溫滲氮。高溫滲氮是指滲氮溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度（6001200）下進(jìn)行的滲氮。主要用于鐵素體鋼、奧氏體鋼、難熔金屬
27、（Ti、Mo、Nb、V等）的滲氮。 2021-9-24682各種材料滲氮 (1)結(jié)構(gòu)鋼滲氮 任何珠光體類、鐵素體類、奧氏體類以及碳化物類的結(jié)構(gòu)鋼都可以滲氮。為了獲得具有高耐磨、高強(qiáng)度的零件，可采用滲氮專用鋼種（38CrMoAl）。近年來出現(xiàn)了不采用含鋁的結(jié)構(gòu)鋼的滲氮強(qiáng)化。結(jié)構(gòu)鋼滲氮溫度一般選在500550左右，滲氮后可明顯提高疲勞強(qiáng)度。 2021-9-2469（2）高鉻鋼滲氮工件經(jīng)酸洗或噴砂去除氧化膜后才能進(jìn)行滲氮。為了獲得耐磨的滲層，高鉻鐵素體鋼常在560600進(jìn)行滲氮。滲氮層深度一般不大于0.12mm0.15mm。2021-9-2470（3）工具鋼滲氮高速鋼切削刃具短時(shí)滲氮可提高壽命0.5
28、1倍。推薦滲層深度為0.01mm0.025mm，滲氮溫度為510520。 2021-9-2471（4）鑄鐵除白口鑄鐵、灰鑄鐵、不含AI、Cr等合金鑄鐵外均可滲氮，尤其是球墨鑄鐵的滲氮應(yīng)用更為廣泛。 （5）難熔合金也可以進(jìn)行滲氮，用于提高硬度、耐磨性和熱強(qiáng)性。 2021-9-2472（6）鈦及鈦合金離子滲氮，經(jīng)850后可得到TiN，層深為0.028mm，硬度可達(dá)800HV1200HV。（7）鉬及鉬合金離子滲氮，經(jīng)1150以上溫度滲氮1h，滲氮層深度達(dá)150m，硬度達(dá)300HV800HV。（8）鈮及鈮合金滲氮，在1200滲氮可得到硬度2400HV的滲氮層。2021-9-2473四、滲金屬 滲金屬方
29、法是使工件表面形成一層金屬碳化物的一種工藝方法，即滲入元素與工件表層中的碳結(jié)合形成金屬碳化物的化合物層，如（Cr、Fe）7C3、VC、NbC、TaC等，次層為過渡層。此類工藝方法適用于高碳鋼，滲入元素大多數(shù)為W、Mo、Ta、V、Nb、Cr等碳化物形成元素。為了獲得碳化物層，基材的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須超過0.45。 2021-9-2474五、滲其他元素 （一）滲硅 滲硅是將含硅的化合物通過置換、還原和加熱分解得到的活性硅，被材料表面所吸附并向內(nèi)擴(kuò)散，從而形成含硅的表層。 滲硅的主要目的是提高工件的耐蝕性、穩(wěn)定性、硬度和耐磨性。 2021-9-2475（二）滲硫 低溫電解滲硫主要用于經(jīng)滲碳淬火、滲氮后
30、淬火或調(diào)質(zhì)的工件。 滲層FeS膜厚度為5m15m。若處理不當(dāng)，除FeS外，可出現(xiàn) FeS2、FeSO3相，使減摩性能明顯降低。 2021-9-2476（三）多元共滲 1.多元滲硼 多元滲硼是硼和另一種或多種金屬元素順序進(jìn)行擴(kuò)散的化學(xué)熱處理。 2氧氮共滲 氧氮共滲又稱氧氮化，是一種加氧的滲氮工藝。2021-9-2477氧氮共滲氧氮共滲所采用的介質(zhì)有氨水（氨最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)35.28）、水蒸氣加氨氣、甲酸氨水溶液或氨加氧。氧氮共滲后鋼材表面形成氧化膜和氮的擴(kuò)散層。氧化膜為多孔的Fe3O4，有減摩作用，抗粘著性能好。擴(kuò)散層提高了表層硬度，也提高了耐磨性。因此，氧氮共滲兼有蒸汽處理和滲氮的雙重性能，能明顯提高刀具和某些結(jié)構(gòu)件的使用壽命。目前，氧氮共滲主要用于高速鋼切削刀具的表面處理。2021-9-2478
第六章第三節(jié) 金屬表面化學(xué)熱處理
