第六章-表面渗氮培训资料.ppt

1 表面扩渗新技术 材料表面热扩渗处理是将工件放入一定的 活性介质中，使金属元素或非金属元素扩散到 工件表层中，改变表层化学成分，可得到一扩 散合金层，有时表面上还会形成化合物层，从 而获得所需的组织和性能。该技术的突出特点 是表面强化层的形成主要依靠加热扩散的作 用，渗层与金属基体的结合是冶金结合，它 们之间无明显的分界面，它们的成分、组织和 性能是逐渐变化的。 2 按接触介质划分有固体法、液体法、气体法和等离子法。 按渗入元素的种类进行分类，渗碳、渗氮、如渗硼、氮碳共渗、硼铝共渗等。 1．固体法 1）粉末法 粉末法是固体法中最普通的方法，历史最为悠久，至今世界各国仍以此法应用最多。 3 这种方法的早期应用是把工件埋入装有渗层 金属粉末的容器里进行加热扩散，但由于烧结 使得表面难以清理，后来便进行了改进，在粉 末中加入了防粘结粉末（如Al2O3）和活化剂 （助渗剂）。活化剂一般为卤化物，如 NH4Cl，NH4I等。 粉末法的优点是设备简单，操作容易，适用 于形状复杂的工件的渗镀；缺点是效率低，尺 寸受限制，温度高，时间长，基体金属的强度 有一定降低。 4 2）流化床法 这种方法与粉末法相似，不同之处是将工件 放于带有固体渗剂的流化床内，然后加热，同 时通入运载气体（H2，Ar），使之与流体粒 子反应产生欲渗金属的活性原子渗入工件。 优点:传热性好，渗速快，渗层质量高,有利 于机械化和自动化； 缺点:流化床设备装置成本极高，运转费用 大，因此这种方法尚未推广使用。 5 2．液体法 目前世界上采用的较新的液体法热扩渗技术 是盐浴法，其基本原理是在金属盐熔融液体中 加入V、Nb、Cr、Ti、Ta等铁合金粉末，然 后把含有较高C，N的钢件浸入（可预先进行 渗碳、氮化或碳氮共渗），在800～1250℃温 度下，经过0.5～10h的时间后；可在表面上形 成一极硬的金属的碳氮化合物薄层，从而赋予 工件表面高的耐磨性。 6 3．气体法 气渗首先把工件加热到渗剂原子在基体中能 产生显著扩散的温度，然后把含有渗入金属卤 化物（MCl2）的氢气通人，气体和表面接触 时，工件表面的金属和氢本身与MCl2发生反 应。 气体渗的优点是渗层厚度均匀，易控制，对 异形件和小孔结构的渗镀效果好，且无粉尘， 劳动条件好。 7 4．等离子法 等离子法是利用物质的第四态—等离子体进 行渗镀。等离子体是利用低真空下气体辉光放 电获得的，因为离子活性比原子高，加上电场 的作用，因此渗速较高，质量较好。但是该法 除离子氮化已经成熟，包括渗碳在内的离子渗 金属尚在开发之中。 8 4.1 渗硼技术 渗硼是将工件置于含硼的介质中，经过加热 和保温，使硼原子渗入其表面，形成硼化物的 工艺过程。 硼原子半径为0.82Å，与过渡元素原子半径 之比大都大于0.59，因而，硼与过渡族元素形 成的化合物，具有远比正常的间隙相要复杂得 多的晶体结构，如FeB、Fe2B、TiB2、ZrB2 等，硬度极大，热稳定性好，几乎比相应的碳 化物、氮化物的硬度和热稳定性都要高。 10 4.1.1渗硼原理 由图Fe-B相图可知，在α、γ相中溶解硼 的能力极微，在1149℃时，γ相中具有最大溶 硼量为0.02%，而溶碳量大于2%，氮的溶解 度更大。随着硼在铁中渗入量的增加，硼与铁 依次形成稳定的化合物Fe2B和FeB，这些铁的 硼化物，在高温时也具有较高的稳定性。 硼在α－Fe中只能以置换固溶体的形式存 在，而在γ－Fe中既可以置换固溶体的形式存 在，又可以间隙固溶体的形式存在。 11 4.1.1渗硼原理 因置换固溶体形式的扩散比间隙固溶体形式 困难得多，因此，硼在γ－Fe中扩散速度远大 于硼在α－Fe中的扩散速度，因此，渗硼温度 大多选在钢处于奥氏体状态的温度范围内。 4.1.2 渗硼工艺方法 渗硼的方法有固体法、液体法和气体法。比 较常用的是固体法和液体法。 12 4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 渗剂：供硼剂、活化剂、填充剂组成。 供硼剂：提供硼源，它在活化剂的催化作用 下提供硼原子，硼铁和碳化硼在目前是使用得 较多的供硼剂。 活化剂：提高渗剂的活性，理想的活化剂不 仅可降低渗剂成本，而且可提高渗速，增加渗 层深度，改善渗层组织性能。 13 4.1.2 渗硼工艺方法 (1) 固体渗硼 填充剂：渗硼介质的分散剂和载体，一般由 惰性物质组成。 三方面的作用： 1）使复合渗剂均匀分布其中，以便工件和渗 剂均匀接触，使渗剂保持适当的浓度，保证 渗层的均匀性； 2）产生或保