表面工程学 第2版 教学课件 作者 曾晓雁 吴懿平 电子课件 五 热扩渗 10 .ppt

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1、热扩渗的目的：提高钢表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、耐蚀性和抗高温氧化等性能。第五章热扩渗（化学热处理）金属（主要是钢）放在有一定活性的介质（气相、液相或固相）中加热，利用欲渗元素原子的扩散性能，使金属或非金属元素（C、N、B、Al、V等）渗入钢的内部，改变钢表面的化学成分，形成新的合金渗层的热处理工艺。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。热扩渗技术的特点一、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ΔG<0。（2）渗剂能连续稳定地向金属

2、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。第一节热扩渗技术的基本原理1热扩渗的基本过程热扩渗的基本过程分五个步骤：二、热扩渗机理（1）（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；热扩渗的基本过程（1）（1）介质中发生化学反应，提供界面反应所需要的反应物；（5）渗入金属的元素发生反应，形成化合物或金属间化合物。水煤气（CO+H2O）气体渗

3、碳2CO→CO2+[C]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。热扩渗的基本过程（2）（1）如果渗层深度x与时间t之间是抛物线关系则内扩散（4）为控制步骤，提高处理温度可加速扩散。判断控制步骤的方法（1）在热扩渗的初始阶段，金属表面上的预渗元素浓度较低，界面反应是控制步骤；热扩渗到一定的程度

4、，随着渗层厚度增长，内扩散成了控制步骤。判断控制步骤的方法（2）（2）如果x与t是线形关系x=kt则界面反应（3）是控制步骤，仅靠提高温度难以收到加速的效果。（1）物理吸附：没有电子的转移和化学键生成的吸附。物理吸附是可逆的，吸附量随温度升高而下降(线段1)。（2）化学吸附：有电子交换，组成离子键结合或共价键结合的吸附(线段2)。化学吸附有选择性，反应速度很快，并随温度升高反应速度明显增大。2化学热处理的相界面反应-吸附和解吸过程物理吸附与化学吸附常常是相伴发生(线段3)。（3）反应分解产物脱离工件表面，活性原子被工件表面吸收并向钢铁内部扩散，同时基体金属也向渗层内扩散，使

5、热扩渗层增厚。化学热处理过程中的相界面反应（1）渗剂产生的活性原子或分子在金属表面发生物理吸附；（2）被吸附的活性原子或分子与金属之间发生化学反应；化学热处理过程中的相界面反应包括：扩散规律符合Fick第一、二定律，影响扩散速率的因素有：（1）温度的影响扩散系数与温度之间的关系因此，扩散系数随温度升高而急剧增大。3热扩渗中的扩散机理晶体结构中原子排列愈紧密，扩散愈困难；体心立方的扩散系数要比面心立方大；金属晶体缺陷(如晶界、位错、空位等)可促进扩散。（2）晶体结构的影响影响化学反应速度的主要因素有：金属表面的状态：是否有阻碍界面反应的物质；反应物浓度：增加反应物浓度可以加快

6、反应速度；反应温度：提高温度可加速活性原子的产率；催化剂：加入适当的催化剂可成倍提高化学反应速度。三、影响热扩渗速度的因素（1）化学催渗保持工件表面有较高的活性；改变反应过程的热力学、动力学条件；加入催化剂提高渗剂的活性。加速热扩渗速度的途径（1）（2）物理催渗用物理法激活反应气体，如引入等离子体；真空状态下用离子束轰击基材有利于提高基材表面活性；用高能粒子注入金属内部。加速热扩渗速度的途径（2）（3）研制具有较高渗速或不易过热的新型钢铁材料。1化学元素在基体金属中的扩散纯扩散：溶质元素在基体金属中形成单相固溶体,如渗碳层中的α铁素体相等。反应扩散：随表面溶质浓度的增加而有

7、新相形成的化合物，如渗氮层中的ε相（F2-3N），渗硼层中F2B等。化学热处理后，一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。四、扩渗层的组织特征无限固溶相图的渗层元素浓度自外向内逐渐降低；有限固溶并有中间化合物相图的渗层组织；相图上单相区越宽，该相层就越厚。2渗层的组织特征（1）因此，B在金属A中的组织由外向内依次顺序为β—AnBm—α—A。渗层的组织特征（2）渗剂B向金属A渗入形成的二元合金平衡组织（1）热扩渗初始阶段，B溶入A形成α固溶体，固溶度C0（曲线1）；（2）当B在A中的浓度达到饱和浓度Cα时，开始析出α