材料表面与界面(3-1).ppt

材料的表面与界面SurfacesandInterfacesinMaterials 第3章金属表面处理方法 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 定义 用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面 可得到一扩散合金层 同时表面上还会残留一层很薄的覆层 热渗镀 特点 1 靠热扩散形成表面强化层 结合力很强 2 热渗镀材料的选择范围很宽 作用 渗入不同元素 可得到不同的表面组织和表面性能 包括耐磨性 耐热性 耐腐蚀性 耐高温氧化性 分类 1 粉末包渗法 2 液渗法 3 气渗法 4 离子轰击渗镀法 5 复合渗 3 1 1金属表面热渗镀方法的特点与分类 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 热渗镀方法的基本过程为 介质中发生化学反应 提供界面反应所需要的反应物 反应物扩散到金属表面 外扩散 反应物粒子被金属表面吸附 发生界面反应 界面反应产生的活性原子被金属表面吸附并向内部扩散 内扩散 以上四步中 第 和 步速度较快 不会成为控制步骤 第 和 步哪一步能成为控制步骤 可根据渗层深度 x 与时间 t 的关系来判定 如果x与t之间为抛物线关系 则扩散阻力较大 第 步为控制步骤 如果x与t关系为线性 则内扩散速度较快 第 步为控制步骤 一般来说 过程初期金属表面渗剂浓度较低 界面反应 第 步 为控制步骤 到一定程度渗剂元素在金属表面浓度达一定值 内扩散成为控制步骤 3 1 2金属表面热渗镀方法的原理 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 渗层是基体金属和溶入元素原子混合或化合组成的薄层合金 渗层的形成需要如下条件 1 渗入元素必须能与基体金属形成固溶体或金属间化合物 影响固溶体或金属间化合物形成的重要因素有 原子相对大小 原子间的化学亲合力 点阵类型 2 渗入元素与基体之间必须保持紧密接触 或者说渗入元素可以在界面处被吸附 3 必须保持一定的温度 使原子获得足够的扩散动力 4 生成活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件 渗剂活性原子一般是依靠化学反应来提供的 以气固渗剂为例 假定采用金属氯化物为渗剂气体可有以下三种化学反应 置换反应 A MCl2 气 ACl2 M 还原反应 MCl2 气 H2 2HCl M 分解反应 MCl2 气 Cl2 M 3 1 3金属表面热渗镀渗层形成条件 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 1 渗层的形成渗层形成的过程为 吸附 界面反应 内扩散 渗层 2 渗层的组织特点 a 有无限固溶体相图的渗层组织渗层组织为单向二元固溶体组织 由表到里浓度逐渐变化 b 有限固溶体相图的渗层组织 c 有限固溶体并有中间化合物形成的渗层组织 3 1 4金属表面热渗镀渗层组织特点 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 钢铁表面热浸镀锌的基本过程为 铁表面与液态锌润湿并发生相互溶解形成Fe Zn合金层 合金层中锌原子向铁基体中扩散形成铁锌固溶体和化合物 合金表面包络一薄层锌 热镀锌层的组织特点 钢铁表面热镀锌方法的方法 预处理 清洁作用 溶剂处理 去除工件表面铁盐 铁锈 镀锌 注意控制温度和取出工件的速度 锌熔点 419 5 钢铁工件镀锌最佳温度 620 灰铸铁工件最佳温度 540 纯锌层的主要作用 提高塑性 保护内部不被腐蚀 钢铁表面热镀锌的性能特点 防腐钢铁表面热镀锌方法的应用 螺母 螺栓 弹簧 钢管 钢板 钢丝 3 1 5金属表面热渗镀方法的实际应用 1 热浸镀锌 7 可编辑 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 钢中含8 Al时 表面可形成致密氧化膜 提高抗氧化和抗腐蚀性能 但8 Al会使钢变得很脆 渗铝可解决之 钢铁表面热渗镀铝方法 热浸铝 固体粉末渗铝 喷镀渗铝法 料浆渗铝法 气体渗铝法等 热浸铝 定义 把预处理过的工件浸入液铝中保温 一定时间取出 工件表面将浸上一层铝 过程 Fe与液铝接触 反应生成FeAl3 扩散 FeAl3加厚 生成Fe2Al5组织特点 钢铁表面热渗镀铝渗铝层性能 抗氧化提高 耐腐蚀性能提高 钢铁表面热渗镀铝应用 耐热耐蚀部件 3 1 5金属表面热渗镀方法的实际应用 2 热渗镀铝 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 固体渗铬 工件埋入Cr粉 氧化铝粉及卤化物粉中加热保温 使工件表面产生活性 Cr 渗入基体中 以NH4Cl为例 NH4Cl NH3 HCl 2NH3 N2 3H2 Cr 2HCl CrCl2 H2CrCl2 M MCl2 Cr H2 CrCl2 2HCl Cr 优点 工艺简单 缺点 加热温度高 保温时间长 渗层薄 铬耗大 气体渗铬 在密封电炉中通入渗铬气氛 卤化铬 在工件表面发生化学反应生成 Cr 渗入工件表面 或在炉内放置Cr或Cr Fe粉 通入Cl2和H2 优点 无粉尘危害 渗速快 质量好 缺点 氢气易爆炸 氯气有毒 渗铬层组织 表面为Cr与C的化合物 其次为Cr在Fe中的固溶体 最大溶解度为12 渗铬层性能 耐腐蚀 抗氧化 耐磨 应用 代替不锈钢和耐热钢制造机械和工具 3 1 6渗金属 1 渗铬 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 固体渗硼 B Fe B B4C Al2O3 NH4Cl形成活性硼元素 渗入工件表面 形成Fe2B表面层 气体渗硼 气体为BCl3 H2反应为 2BCl3 2 B 3Cl22BCl3 3H2 2 B 6HClBCl3 Fe FeCl3 B 液体渗硼 Na2B4O7 6B4C 28B 6CO Na2OB4C MCl2 4B Cl2 MC渗硼层组织 FeB层很脆 Fe2B性能较好 应使其增厚 性能 优异的耐磨性 较好的耐蚀性 10 H2NO4 一定的耐热性 应用 主要用于耐磨件 3 1 6渗金属 2 渗硼 第3章金属表面处理方法 3 1金属表面热渗镀 3 渗钒 表面生成