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第十章 热扩渗技术 采用加热扩散的方法使预渗金属或非金属元素渗入金属工件的表面,形成表面合金层的工艺,叫做热扩渗技术,又称化学热处理技术。所形成的合金层叫做扩渗层。 热扩渗技术最突出的特点是扩渗层与基体金属之间是冶金结合,结合强度很高,扩渗层不易脱落。 10.1 热扩渗的基本原理及分类 10.1.1 热扩渗的基本原理 1、扩渗层形成的基本条件 1)渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。 2)渗入元素与基体金属之间必须直接接触,一般通过创造各种工艺条件来实现。 3)被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度,以满足实际应用要求。 4)对于依赖化学反应提供活性原子的热扩渗工艺,该反应必须满足热力学条件。 2、扩渗层形成机理 1)介质分解出活性原子:即从化学介质中 分解出含有被渗元素的活性原子的过程。只有这种初生态的活性原子才能被金属吸收。 2)活性原子的吸收:即活性原子吸附在基体金属表面上,随后被基体金属吸收,形成最初的表面固溶体或金属化合物。 3)活性原子的扩散:即活性原子在高温下向基体金属内部扩散,基体金属原子也同时相渗层中扩散,使扩渗层增厚,即扩渗层的成长过程。扩渗的机理主要有三种:间隙式扩散机理、置换式扩散机理和空位式扩散机理。 1、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 (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; 2、热扩渗的基本过程 (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+H2 O)气体渗碳 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。 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。 3、热扩渗技术的特点 10.1.2 热扩渗工艺的分类 1、按渗入元素化学成分的特点:非金属元素热扩渗、金属元素热扩渗、金属-非金属元素共扩渗和通过扩散减少或消除某些杂质的扩散退火,即均匀化退火。 2、按渗剂在工作温度下的物质状态:固体热扩渗、液体热扩渗、气体热扩渗、离子热扩渗和复合热扩渗。 (1)固体法:工件埋入装有欲渗元素、活化助渗剂和防粘结剂粉末的容器里进行加热保温扩散。 特点:设备简单、操作容易,但处理时间长、效率低。 (2)液体法:工件浸入含有欲渗元素的化合物的熔盐中加热保温,使工件表面形成一层该元素的化合物层。 特点:适合处理形状复杂的工件,但熔盐腐蚀设备。 1 直接热扩渗法 (3)气体法:工件在有欲渗元素气体的热扩渗炉内加热,欲渗元素的活性原子与金属表面接触发生一系列反应,使欲渗元素扩散渗入工件表面。 特点:渗层厚度均匀、易控制,对形状复杂的工件扩渗效果好,劳动条件比较好。 (4)离子法:利用低压气体放电产生的等离子体激活反应气体对工件表面进行热扩渗。 特点:扩渗温度低、渗速高、质量好,但设备较复杂。 直接热扩渗法 工件表面先涂镀一层固相涂层,然后在高温下加热,涂层和基体金属元素相互扩散,形成复合镀渗层。 膏剂渗:含有欲渗元素的粉末用粘结剂调成料浆涂在工件表面,干燥后在保护气氛中加热扩散形成渗层。 热镀渗:工件浸入液态金属中加热扩散,表面形成一层金属或其合金镀层。 喷镀渗:用热喷涂的方法把欲渗金属喷在工件表面,然后再进行加热扩渗。 电镀渗、化学镀渗、真空渗镀。 2 复合热扩渗法 10.2 热浸镀 热浸镀简称热镀,是将工件浸入熔融的低熔点金属液中短时间停留,在工件表面发生一系列物理和化学反应,取出冷却后,熔融金属在零件表面形成金属镀层的表面处理技术。 特点:工艺简单,比电镀容易获得较厚的镀层,使用寿命长。 10.2.1 热浸镀原理 热浸镀时,被镀的基体材料
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