技能培训 材料表面工程学 表面改性方法原始

6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术主要包括：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬、渗锌（钛、铌、钽、钒、钨），以及其他多元共渗工艺，例如铝硅共渗、硼铬共渗、碳氮和氮碳共渗、硫氮和硫氮碳共渗等。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织，区分为铁素体化学热处理和奥氏体化学热处理。前者的扩散温度低于铁氮共析温度，如渗氮、渗硫、硫氮共渗、氧氮共渗等，这些工艺又可称为低温化学热处理；后者是在临界温度以上扩散，如渗碳、渗硼、渗铝、碳氮共渗等，这些工艺均属高温化学热处理范围。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术特点：渗层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的，即形成冶金结合，因而结合非常牢固，渗层不宜脱落。根据渗入元素的介质所处状态的不同，金属表面化学热处理可分为:固体渗、液体渗、气体渗、等离子渗。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术固体渗-----粉末渗粉末渗就是把工件埋入装有粉末渗剂的容器中，然后密封容器高温加热即可。这种方法很简单，是固渗中最普通的方法，也是历史最为悠久的渗镀法。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术固体渗-----粉末渗6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术液体渗------盐浴法将工件直接浸入含有欲渗元素的熔盐槽内，经扩散形成渗层。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术气体渗首先把工件加热到扩散的温度，然后把含有欲渗元素的气体介质通入，气体介质发生反应，生成活性原子渗入工件表面。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术离子渗离子渗是利用物质的第四态——等离子体进行渗镀。因为等离子体离子活性比原子高，加上电场的作用，因此渗速较高，质量较好6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术扩渗原理----渗层形成的条件6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术扩渗原理----渗层形成的条件①渗入元素与基体金属必须能形成固溶体或金属间化合物。②渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触。③保持一定的温度，即保证一定的渗镀速度。④生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术扩渗原理----热渗镀的基本过程①活性原子的供给。②活性原子在基体金属表面上吸附，并被基体金属吸收。③已溶入的渗剂原子在渗镀的高温下向基体金属内部扩散。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术扩渗原理----渗层组织特征渗层的相组织和各相化学成分取决于组成该合金系的相图。在二元合金系统中，只有单相区、无两相共存区，渗层的浓度分布呈阶梯跳跃式分布，并且有相互毗邻单相区所构成。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术扩渗原理----渗层组织特征6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗镀原理----渗层组织特征6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术扩渗原理----扩渗速度影响扩散速度的参数主要有两个，即扩散系数D和浓度梯度，而许多因素都会影响这两个参数，从而影响扩散速度，几个主要的影响因素为：①温度：扩散系数D与温度之间的关系为：D＝D0EXP(-Q/RT)，可见扩散系数随温度升高而急剧增大。②晶体结构：原子排列越紧密，扩散时点阵畸变大，所需扩散激活能升高，扩散越困难。③晶体缺陷：基体中的位错、空位和晶界等缺陷都是有利于扩散的。④基体合金成分。⑤渗剂金属原子浓度的影响：在其他条件相同时，基体金属表面渗剂金属原子的起始浓度愈高，扩散速度增大。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗镀原理----多元共渗的特点多元共渗：指同时或顺序渗入两种或两种以上元素的渗镀过程。如：CN共渗，Cr-Al共渗，CNB三元共渗等。由于多元共渗可赋予金属表面以更高的的性能（如耐磨性，耐蚀性等），所以其工作目前正在扩大应用。由于多元共渗时渗入元素不止一种，所以他们之间在渗入时就可能相互影响，从而使多元共渗与单元共渗有一些不同的性质。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗镀原理----多元共渗的特点1.多元共渗对渗剂活性的影响2.多元共渗时活性原子吸附速度的影响3.多元共渗对扩散速度的影响4.多元共渗时渗层的化学成分6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗鹏是使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。硼在钢中的溶解度很小，主要是与铁和钢中某些合金元素形成硼化物。渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层，而且有较高的热稳定性和耐蚀性。渗硼层脆性较大，难以变形和加工，故工件应在渗硼前精加工。这种工艺主要用于中碳钢、中碳合金结构钢零件，也用于钛等有色金属和合金的表面强化。二、渗硼渗硼方法：固体渗硼、气体渗硼、液体渗硼、等离子渗硼。固体渗硼：粉末渗、膏剂渗。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术钢经过渗硼以后、表面具有很高的硬度（1300-2300HV)和耐磨性、良好的抗蚀性、抗氧化性和热硬性。已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆、阀座等石油化工机械、汽车拖拉机、纺织机械、工模具、钻杆等耐磨零件上得到广泛应用。但渗硼工艺还存在处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。二、渗硼6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术二、渗硼渗硼方法：固体渗硼、气体渗硼、液体渗硼、等离子渗硼。固体渗硼：粉末渗、膏剂渗。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术1.渗硼原理（以固体渗硼为例）渗硼剂：供硼剂、活化剂、填充剂。1)供硼剂供硼剂是渗硼的硼源。使用较多的是硼铁、碳化硼（B4C）和硼砂（Na2B4O7）。2）活化剂活化剂的主要作用是提高渗剂的活性，与供硼剂进行化学反应，产生气态化合物，促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。常用的活化剂是氟硼酸钾(KBF4)、碳化硅(SiC)。3）填充剂填充剂是渗硼剂中的载体。它的主要作用是使供硼剂、活化剂均匀分布在渗剂中，保证渗硼层的均匀性。通常的活化剂是碳化硅（SiC）、三氧化二铝（Al2O3）、木炭。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术1.渗硼原理（以固体渗硼为例）供硼剂为硼砂（Na2B407）、活化剂为碳化硅（SiC）时的反应：Na2B407+SiC→Na20·Si02+C02+02+4[B]供硼剂为碳化硼（B4C）、活化剂为氟硼酸钾(KBF4)时的反应：KBF4→KF+BF3见书。通过反应产生大量活性硼原子[B]6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术2.渗硼层组织：FeB→Fe2B→扩散层→心部组织钢件渗硼后，渗硼层由单一的Fe2B化合物层或由Fe2B+FeB构成的两相化合物。Fe2B和FeB通常为指状(或梳齿状)，且垂直于表面楔入基体。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术3、渗硼层性能（1）高硬度和高耐磨性Fe2B和FeB具有高的硬度，其显微硬度分别为1300-1800HV和1600-2200HV。钢铁材料渗硼后的表面硬度也很高．可达1300-2300HV。（2）高的热硬性Fe2B和FeB化合物稳定性好，渗硼层在800C能保持高硬度。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术3、渗硼层性能（3）良好的高温抗氧化性能及抗蚀性在高温下、工件表面的铁硼化合物与氧反应，生成B2O3．使工件受到保护。渗硼层对盐酸、硫酸、磷酸、醋酸、氢氧化纳水溶液、氯化钠水溶液，都具有较高的抗蚀性，但不耐硝酸腐蚀。（4）脆性渗硼层硬度很高，但脆性较大。尤其FeB，脆性大，一般希望得到单层的Fe2B层。厚度在0.07-0.15mm.6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术膏剂渗硼：是将粉末溶剂加上粘结剂调成膏状，涂在需要渗硼的工件表面上，然后加热扩散。加热方式一般为装箱(用木炭或三氯化二铝作为填充剂)密封后在空气炉中加热；或不装箱，在保护气（氩气或氮基气氛)中加热，也可置于感应器中(工件无需装箱)进行感应加热。4.渗硼方法1）固体渗硼6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术液体渗硼（盐浴渗硼）：是将工件置于熔融盐浴中的渗硼方法。硼砂作为供硼剂。还原剂的作用是从硼砂熔融分解产物中还原出活性硼原子。凡是与氧的亲和力大于硼和氧的亲和力的物质均可作为还原剂。通常选用的还原剂有碳酸钠、碳酸钾、氟硅酸钾。渗硼温度一般为900~1000度，保温2~6小时。碳钢渗硼可代替合金钢。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗碳目的是在低碳钢或低碳合金钢零件的表面得到高的含碳量（高于0.8%)。其后经淬火、低温回火得到高的硬度和耐磨性的渗碳层，而零件的内部具有高的强韧性。但缺点是处理温度高（900C左右），工件畸变大。渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中，如齿轮、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。用微处理机可实现渗碳全过程的自动化，能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗（一）钢的渗碳对多数中、小型零件来说，渗碳层深度一般为0.7-1.5mm、碳的质量分数为0.7％-0.9％。按照渗碳介质的状态，渗碳方法分为：气体渗、液体渗、固体渗。6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（1）气体渗碳（应用最广泛的渗碳方法）CH3OH（甲醇）→CO+2H2CH4（甲烷）→[C]+2H22CO→[C]+CO2CO2+H2→CO+2H20（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（2）固体渗碳（传统的渗碳方法）固体渗碳剂主要由木炭和碳酸盐（NaCO3，BaCO3）组成。反应：碳酸盐高温分解：NaCO3→NaO+CO2BaCO3→BaO+CO2CO2与木炭反应：C（木炭）+CO2→2COCO→CO2+[C]（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术（3）盐浴渗碳介质：氰盐，反应后生成氰氢酸，有剧毒。（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗碳层组织特点：由表及里：网状碳化物+珠光体------珠光体-----珠光体+铁素体------珠光体减少，铁素体增多。渗碳层不允许出现过多的网状碳化物，防止渗碳层和零件变脆。只要控制渗碳介质的活性或碳势（钢表面的含碳量），就可以加以控制。组织：表面(层)为高碳回火马氏体组织、心部为低碳回火马氏体组织。（一）钢的渗碳6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术渗氮（又称氮化），是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。当钢中含有铬、铝、钼等氮化物时，可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。渗氮主要用于对精度、畸变量、疲劳强度和耐磨性要求都很高的工件，例如镗床主轴、镗杆，磨床主轴，气缸套等。渗氮可使钢铁零件表面硬度达到950-2200HV。（二）钢的渗氮6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术1渗氮的分类：（1）低温渗氮渗氮温度低于共析转变温度，一般为500-600℃，零件渗氮后不进行淬火工艺，渗氮零件的变形很小。主要用于结构钢和铸铁。目前生产中多采用气体渗氮法。气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，形成渗氮层。(2NH3=2[N]+3H2)（二）钢的渗氮6.3金属表面化学热处理第六章表面改性技术1渗氮的分类：（2）高温渗氮渗氮温度高于共析转变温度，为600-1200℃。渗氮后需进行淬火工艺，渗氮零件