表面扩渗新技术.ppt

表面扩渗新技术 14115336陶国强科学11 2班 绪论 表面扩渗是将置于一定的活性介质中加热到一定的温度 是预定的金属和非金属向工作表层扩散渗入 形成一定厚度的扩散层 以改变表层的成分 组织和性能 1 基本过程 2 主要特点 改善工件表面的综合性能 对被渗工件的几何形状和尺寸影响很小 工件变形小 精度高尺寸稳定性好 可通过选择和控制渗入元素和渗层深度 使工件表面获得不同性能 不收工件形状的局限 可节约贵重金属 降低成本 多数表面扩渗工艺复杂 处理周期长 对设备要求较高 3 分类 1 渗金属渗金属是采用加热的方法 是一种或多种金属扩散入工件表面合金层 这一表面层称为渗层或扩散渗层 渗金属的主要特点是 渗层是靠加热扩散形成的 渗层与集体结合牢固 结合强度高 渗层具有与基体金属不同的成分和组织 因而可获得特殊的性能 常用方法 气相渗金属法 固相渗金属法 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗铝工件经渗铝后具有很高的抗高温氧化与抗燃气复试能力在大气硫化氢碱和海水等介质中具有良好的耐腐蚀性能 主要用于钢铁材料 铁基粉墨冶金铜合金和钛合金 主要方法有粉末渗铝热浸渗铝 气体渗铝热喷涂渗铝静电喷涂渗铝电泳沉积渗铝料浆渗铝等 其中应用最多的是粉末渗铝和热浸渗铝 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 粉末渗铝是将工件置于装有主要成分为铝粉铝鉄合金或铝钼合金粉末氯化物或其活性剂氧化铝等粉末混合物的专用得易熔合金密封的料罐中通过化学气相反应和热扩散作用形成渗铝层 热浸渗铝是将工件浸入熔融的主要由工业纯铝和少量的铁组成并加有硅的铝浴中 借助于熔融的铝液与工件表面材料的材料互溶而形成富铝的合金层其最大特点是生产周期短操作方便成本低不需复杂设备 两种方法都需进行扩散退火 以降低脆性和表面铝浓度使渗层与基体结合的更紧密 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗铬渗铬穆铬的目的主要有两个 是为了提高钢和耐热合金的耐蚀性和抗氧化性 提高持久强度和疲劳强度 二是为了用普通钢材代替昂贵的不锈钢耐热钢和高铬合金钢 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗铬方法主要有固体液体和气体渗铬三种 人造心脏 人造关节 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 固体渗铬有粉末装箱渗铬和膏剂渗铬等 其中常用粉末渗铬剂的主要成分为铬粉或铬铁合金粉末 氯化物或其活性剂 氧化铝 惰性添加剂 等的粉末状混合物 液体渗骆在含有活性铬原子的盐浴中进行 具有设备简单 加热均匀 生产周期短 可直接淬火等特点 主要有硬砂盐浴渗铬和氯化物盐浴渗铬两类 固体渗铬液体神格气体渗铬在多为铬的氟化物和氯化物的气体渗铬介质中进行 具有渗速快 劳动强度小 渗层质量高 有表面光洁 气体有毒性及腐蚀性等特点 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗钒 渗铌 渗钛原理 钒 铌 钛钽等金属元素可与钢中碳原子结合 在表面形成碳化物型渗层 适用于高碳钢 为获得碳化物层 基体的含碳量必须超过045 工艺方法 盐浴法 粉末法和气体法 其中硼砂盐浴法应用最多 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗钒内模 渗钒剂 渗铌 渗钛 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 硼砂盐浴法也叫硼砂浴覆层法 是在硼砂中加人欲渗金属 这些金属在硼砂浴中以高度弥散态悬浮 以硼砂为载体在高温下通过盐浴本身的不断对流与被处理工件表面接触 吸附并向内扩散 与此同时 基体中的碳向表面迁移 从而在表面获得碳化物覆层 碳化物渗层具有熔点高 硬度极高 热稳定性好 抗咬合性及磨性和耐蚀性优良 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗硼定义 渗硼是把工件置于含有硼原子的介质中 加热到一定温度 保温一段时间 通过化学或电化学反应 使硼原子渗入工件表层形成一层坚硬的硼化物渗层 目的 渗硼主要是为了提高金属表面的硬度 耐磨性 耐蚀性和抗高温氧化性 可用于钢铁材料 硬质合金 金属陶瓷和某些有色金属如钛钽和镍基合金 渗硼工件 渗硼最合适的钢种为中碳钢及中碳合金钢 渗硼后为了改善基体的力学性能 应进行淬火 回火处理 有色金属渗硼通常是在非晶态硼中进行的 有色金属如钛 及其合金必须在商纯氩或高真空中进行 且必须在渗硼前对非晶碰进行除氧大多数难熔金属都能渗硼 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗硼工艺手段主要有固体液体气体和等离子渗硼 工业 上最常用的是固体和液体渗硼 固体渗硼在本质属于气态催化反应的气相渗硼 供硼剂在高温和活化剂的作用F形成气态硼化物 它在工件表不断化合与分解 释放出活性硼原子并不断被工件表面吸附并向工件内扩散 形成稳定的铁的硼化物层 种类 粉末法 粒状法 膏剂法 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 液体渗硼液体渗硼又叫盐浴渗硼 是将工件放在硼砂和还原剂组成的盐浴中进行的 气体渗硼气体渗硼与固体渗硼的区别是供硼剂为气体 气体渗硼需用易爆的忆硼烷或有毒的氯化硼 故没有用于工业生产 等离子渗硼可以用气体渗硼类似的介质 这一领域已进行了研究 但还没有在工业上应用 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗硅定义 渗硅是将含硅的化合物通过置换还原和热分解得到的活性硅 被材料表面所吸附并向内扩散 从而形成含硅的表层目的 提高工件的耐蚀性稳定性硬度和耐磨性 场所 可在粉末 盐浴或气体介质中进行 也可在真空或流态床中进行 渗金属 渗硅 渗硼 渗硫 渗硫渗硫的目的是在钢铁工件表面生成FeS 或FeS2 FeS 薄膜 以降低摩擦系数 提高抗咬合性能 一般渗硫应在淬火渗碳 软氮化等工艺之后进行 由于渗硫层实质上是由FeS 或FeS2 FeS 组成的化学转化膜 因此对于有色金属及表面具有氧化物保护薄膜的不锈钢等不适用 各种渗硫方法中 应用较多的是低温液体电解渗硫 共渗和复合渗 定义 共渗是将工件置于含有至少两种欲渗元素的渗剂中经过一次加热扩散过程 使多种元素同时渗入工件表层的表面扩渗工艺 复合渗则是把工件先后分别置于相应渗剂中经数次加热扩散过程 使多种元素先后然工件表面的表面扩滲工艺 目的 吸收各种单元素的优点 弥补其不足之处 使工件表面达到更高的综合性能指标 共渗和复合渗 含铝共渗与复合渗 1 含铝共渗与复合渗 下表 2 铝稀土共渗1 稀土的作用 改变渗剂的特性 催渗 改善渗层性能 2 方法 固体法和电泳法3 特点 铝稀土共渗层表面氧化膜的致密度和塑性较高 具有更高的耐蚀性和热劳抗力 共渗和复合渗 共渗和复合渗 含铬共渗与复合渗 共渗和复合渗 含硼共渗与复合渗 1 碳硼复合渗 先渗碳后渗硼的工艺 它结合了渗碳层的优点 高接触疲劳强度和高耐磨性 和渗硼层的优点 高硬度 高红硬性和优良的抗黏着磨损能力 预渗碳能提高渗硬的速度 碳碳共渗已在工业生产中得到了应用 2 氮硼复合渗 可先渗氮冷至室温后再渗硼 也可在含供氮剂和供硼剂的渗剂中渗氮后 再升温渗硼 共渗和复合渗 2 氮硼复合渗特点 对提高渗硼速度来说 先渗氮和先渗碳具有相同的效应 氮硼复合渗既保持渗硼层高的硬度 又比渗硼层脆性低 抗盐酸腐蚀性能比不锈钢好 3 硼铝共渗与复合渗钢铁和镍基合金硼铝共渗的目的是提高耐磨性和耐热性 硬铝复合渗的目的也是为了获得硬度高耐磨性好抗氧化性好的表面层 通常采用先渗硼后渗铝 共渗和复合渗 4 硼铬共渗与复合渗硼铬共渗或复合渗后 渗层由铁 铬的硼化物以及碳化物组成 前者起硬质相作用 后者的塑性较好 因此 硼铬共渗或复合渗层的塑性和耐磨性 尤其在动载荷下比渗硼层好得多 5 硼硅共渗与复合渗共渗目的 改善渗硼层的高脆性方法 粉末法 盐浴法或电解盐浴法 共渗和复合渗 5 硼硅共渗与复合渗复合渗的目的 克服渗硼层的脆性和渗硅层的多孔性 特点 渗硼后再渗硅 硅化物层基本无孔 显微硬度达900 920HV 但较薄 硼硅共渗层的表面耐酸性十分突出 共渗和复合渗 含硫共渗 1 硫氮共渗目的 是为了兼顾渗硫渗氮二者的优点 组织性能 其共渗层的组织 性能与渗氮后渗硫基本相同 但工艺简单 渗层最外层的微孔组织可储存润滑油 降低摩擦系数 次层硬度较高 因而耐磨性尤其抗黏着 咬合性能显著提高 方法 盐浴法气体法和离子法等 共渗和复合渗 2 硫氮碳共渗实质是渗硫与氮碳共渗的结合 与硫氮共渗相比 其优点在于能使低碳钢零件也得到较好的强化效果 硫氮碳共渗有粉末法 气体法 液体法和离子法 硫氮碳共渗层的减摩性抗咬合性接触疲劳强度均好于一般气体氨碳共渗 其脆性和剥落倾向较小 其抗磨料磨损的能力比气体氮碳共渗略差 共渗和复合渗 碳氮硼三元共渗和氧硫碳氮硼五元共渗 1 碳氮硼三元共渗主要目的 为了进一步提高碳氮共渗件的耐磨性 在我国多用盐浴法进行 2 氧硫碳氮硼五元共渗主要用于高速钢刀具 常规淬 回火后 在低于回火温度的温度进行 一般采用气体法 等离子体表面扩渗 导入等离子体是一种物质能量较高的聚集状态 被称为物质的第照 电离度超过0 1 的气体 是由离子 电子和中性粒子集合体 等离子体整体呈中性 但含有相当数量的电子和离子 表现出相应的磁学等性能 利用粒子热运动 电子碰撞 电磁波能量法以及高能粒子等方法可获得等离子体槽 但获得低温等离子体的主要方法是利用气体放电 等离子体表面扩渗主要使用低温等离子体技术 等离子体表面扩渗 定义 等离子体表面扩渗是离子渗氮 离子氮碳共渗 离子渗碳 离子碳氮共渗 离子渗硫 离子渗硼及离子渗金属等表面扩渗技术的总称 其中开发最早和应用较多的是离子渗氮 原理 等离子体表面扩渗是在真空室中通入少量与欲渗元素有关的气体 在阴极工件 和阳极间施加高压 使气体产生辉光放电 一方面加热工件 另一方面渗入元素的离子轰击工件表面形成扩散层或覆盖层 等离子体表面扩渗 等离子体表面扩渗速度比一般表面扩渗快原因 高能粒子轰击工件表面 将产生如下几种效应粒子的大量动能转化为热能 使工件表面升温高速粒子的轰击作用使其可直接注入工件表面 高速粒子的轰击产生溅射作用 使表面净化 消除表面气体吸附层及氧化物 减轻钝化层对反应的阻碍作用 使表面处于活化状态 等离子体表面扩渗 1 等离子体表面扩渗设备 典型的等离子体扩渗设备组成右图所示 等离子体表面扩渗 等离子体表面扩渗设备主要由炉体 真空系统电源系统 供气系统和检测系统等几部分组成炉体有钟罩式 井式 通用式和卧式等几种类型 工作炉膛为真空容器 炉膛内有阴极和阳极 常以工件作阴极 炉壳为阳极 真空系统采用机械泵或机械泵和扩散泵串接的真空机组即能满足要求 电源系统由供电装置 自动灭弧装置 测量仪表 控制柜等组成 等离子体表面扩渗 供气系统由气瓶 流量计等组成 有时直接供给含欲渗元素的气体 有时是由热分解装置产生所需气体 检测系统包括温度检测系统和真空检测系统等 等离子体表面扩渗 2 等离子体表面扩渗工艺 1 离子渗氮用途 主要用于提高零件的疲劳强度 耐磨性 延长使用寿命 或者用于代替渗碳 淬火回火 氮碳共渗等工艺 减小变形 降低废品率 优点 冷速较快 生产周期短 热效率高 节约能源 处理温度范围宽 工件变形小 材料适应性强 渗层组织易控制可局部渗氮 几乎无污染无公害 劳动条件好 缺点 设备复杂 投资大 调整维修困难 对操作人员的技术要求较高 等离子体表面扩渗 2 离子渗碳原理 工件在低气压 低于10 5pa 含有碳氢化合物的气氛中加热 并在作为阴极的工件与阳极之间加直流电压 产生辉光放电 等离子体中的碳离子被加速后轰击工件表面而渗碳 特点 具有高浓度渗碳 高渗层渗碳以及对于烧结件和不锈钢等难渗碳件进行渗碳的能力 渗碳速度快 渗层碳浓度和深度容易控制 渗层致密性好 渗剂的渗碳效率高 渗碳件表面不产生脱碳层 无晶界氧化 表面清洁光亮 变形小 处理后的工件耐磨性和疲劳强度比常规渗碳件高 等离子体表面扩渗 3 离子碳氮共渗基本原理类同于离子渗碳 只是通入的 气体含有氮原子 渗速比普通碳氮共渗快2 3倍 在一定设备条件下 可采用碳氮复合离子渗 即 渗碳渗氮 或 渗氮渗碳 交替进行 以获得渗层组织是碳化物 氮化物的复合层 这种复合渗工艺 不仅时间短 而且性能也好 共渗和复合渗 4 离子渗金属在低真空下 利用辉光放电即低温等离子体轰击的方法 可使工件表面渗入金属元素 还可以进行多种元素的复合渗和表面合金化处理 以获得更好的表面性能 电加热表面扩渗 大多数表面扩渗处理时间长 局部防渗困难 能耗大 设备和材料消耗严重 污染环境 采用感应 电接触 电解 电阻等直接加热进行表面扩渗 对左述问题有某些改善 获得了较快的发展 电加热表面扩渗 特点电加热表面扩渗比殊的物理化学现象 加速了渗剂的分解和吸附 大大提高了渗入元素的扩散速度 快速电加热大都是先加热工件 渗剂可直接镀或涂在工件表面 由于加热从工件开始 加热速 度快 保温时间短 渗剂不易挥发和烧损 有利于元素扩渗 电加热表面扩渗 快速电加热在工件内部和介质中形成大的温度梯度 不但有利于界面上介质的分解 而且外层介质因温度低而不会氧化或分解 因此有利于渗剂的利用 适用条件 电加热表面扩滲的基体一般为钢铁 被渗材料主要为金属 常用的电加热渗属元素有Cr Al Ti Ni W V Zn等 定义 电解表面扩渗是将工件放在含被渗元素的盐浴中加热 利用电化学反应使被渗元素漆入工件表层 主要方式 有电解渗碳 电解渗硼和 解渗氮 电解表面扩渗 电解渗碳是一种新型的渗碳方法 它是把低碳