第五章热扩渗技术.ppt

第五章第五章 热扩渗热扩渗定义：定义：将工件放在特殊的介质（气体、液体或将工件放在特殊的介质（气体、液体或固体）中，使介质中的某一种或几种元固体）中，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散素渗入工件表面，形成一定厚度的扩散层（或掺杂层），从而改变材料成分、层（或掺杂层），从而改变材料成分、组织和性能的方法组织和性能的方法热扩渗目的：热扩渗目的：提高强度、硬度和耐磨性渗氮表面硬提高强度、硬度和耐磨性渗氮表面硬度达度达950Hv~1200Hv，，渗硼表面硬度达渗硼表面硬度达1400Hv~2000Hv提高疲劳强度渗碳、渗氮和渗铬使材提高疲劳强度渗碳、渗氮和渗铬使材料发生相变，表层体积膨胀，导致产生料发生相变，表层体积膨胀，导致产生残余压应力残余压应力提高淬透性低碳钢、低合金钢渗碳提高淬透性低碳钢、低合金钢渗碳提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系提高抗咬合、抗粘着能力和降低摩擦系数，如渗硫、氮化数，如渗硫、氮化提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等第五章第五章 热扩渗热扩渗渗层形成的条件：渗层形成的条件：渗剂产生活性原子和基体金属原子具有较好的相渗剂产生活性原子和基体金属原子具有较好的相溶性，能形成固溶体或金属化合物。

溶性，能形成固溶体或金属化合物必须保持直接的紧密接触必须保持直接的紧密接触活性原子在基体金属内有一定的扩散速度活性原子在基体金属内有一定的扩散速度必须满足热力学条件（化学反应）必须满足热力学条件（化学反应）☆☆在热力学条件满足的前提下，扩散速度取决于动在热力学条件满足的前提下，扩散速度取决于动力学条件，即温度力学条件，即温度第五章第五章 热扩渗技术热扩渗技术热扩渗技术机理：热扩渗技术机理：渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金属表面属表面活性原子吸附在基体金属表面，并被基体活性原子吸附在基体金属表面，并被基体金属吸收，形成固溶体或金属间化合物金属吸收，形成固溶体或金属间化合物活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层厚度不断增加厚度不断增加第五章第五章 热扩渗技术热扩渗技术热扩渗层的组织：热扩渗层的组织：形成单相固溶体，如渗碳层中的形成单相固溶体，如渗碳层中的α-Fe形成化合物，如渗氮层中的形成化合物，如渗氮层中的ε相（相（Fe2-3N），），渗硼层中的渗硼层中的Fe2B等等 形成固溶体和化合物的混合组织，并形成形成固溶体和化合物的混合组织，并形成梯度分布。

梯度分布第五章第五章 热扩渗技术热扩渗技术40CrNiMo钢钢(a)渗碳渗碳：：层深层深0.5mm 左右左右,表面碳势表面碳势0.9 %表层为高碳马氏表层为高碳马氏体体+ 颗粒状碳化物颗粒状碳化物+ 残留奥氏体残留奥氏体;心部为心部为中碳马氏体中碳马氏体b））渗氮渗氮：：表层碳氮表层碳氮化合物化合物+ 含氮马氏体含氮马氏体+ 残留奥氏体，心部残留奥氏体，心部是回火索氏体是回火索氏体 第五章第五章 热扩渗技术热扩渗技术渗氮厚度与时间、温度的关系（渗氮厚度与时间、温度的关系（95%N2+5%H2））热扩渗工艺分类热扩渗工艺分类按渗剂状态分：气体法、液体法、固体法按渗剂状态分：气体法、液体法、固体法和等离子法和等离子法按渗入元素分：渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、按渗入元素分：渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、浸铝、浸锌、碳氮共渗、氮碳共渗等浸铝、浸锌、碳氮共渗、氮碳共渗等按工作温度分：高温（按工作温度分：高温（ ≥910 ℃℃）、中温和）、中温和低温热（低温热（≤720 ℃℃）热扩渗第五章第五章 热扩渗技术热扩渗技术 在在增碳活性气氛增碳活性气氛中，将工件加热到高温，中，将工件加热到高温，低碳钢或低合金钢低碳钢或低合金钢一般加热一般加热900~950℃℃，，使使碳原子渗入工件表面，形成碳原子渗入工件表面，形成高碳层高碳层。

渗碳渗碳5.1 气体热扩渗气体热扩渗渗碳气氛的形成方式：渗碳气氛的形成方式：滴注式气体渗碳滴注式气体渗碳：向炉内滴入含碳有机液：向炉内滴入含碳有机液体，如煤油设备简单，要求经验）体，如煤油设备简单，要求经验）吸入式气体渗碳吸入式气体渗碳：吸入富碳气氛进行渗碳吸入富碳气氛进行渗碳专用设备，大批量生产）（专用设备，大批量生产）氮基气氛渗碳氮基气氛渗碳：以纯氮为载体，加入碳氢：以纯氮为载体，加入碳氢化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行化合物，一并注入炉内形成富碳气氛进行渗碳 （专用设备）（专用设备）气氛检测仪器（气氛检测仪器（CO2CO2、、CH4CH4、、COCO分析仪）分析仪）渗碳渗碳5.1 气体热扩渗气体热扩渗控制要点控制要点影响因素影响因素渗碳层碳浓度渗碳层碳浓度(0.8~1.1%)碳势碳势渗碳层厚度（浅层＜渗碳层厚度（浅层＜0.7mm,常规常规0.7-1.5mm,深深层＞层＞1.5mm））温度、时间温度、时间工件变形工件变形夹具、装料形式夹具、装料形式表层内氧化表层内氧化炉内气氛、装炉炉内气氛、装炉温度、冷却状态温度、冷却状态渗碳渗碳5.1 气体热扩渗气体热扩渗渗碳层质量控制：渗碳层质量控制：渗碳层碳浓度渗碳层碳浓度：设计炉内碳势，测定随炉：设计炉内碳势，测定随炉试样成分，调节碳势，严格控制温度。

试样成分，调节碳势，严格控制温度渗碳层深度渗碳层深度：控制温度、时间，测定随炉：控制温度、时间，测定随炉试样成分，调节时间试样成分，调节时间工件变形工件变形：夹具刚性高，装炉平稳：夹具刚性高，装炉平稳内氧化内氧化：炉内气氛，高温装炉，低温开炉：炉内气氛，高温装炉，低温开炉和出炉渗碳渗碳5.1 气体热扩渗气体热扩渗　　20Cr2Ni4A齿轮齿轮渗碳渗碳 内氧化组织内氧化组织 心部正常组织心部正常组织 5.1 气体热扩渗气体热扩渗优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部优点：提高硬度和耐磨性的同时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高疲劳强度较高缺点：处理温度高，工件畸变大缺点：处理温度高，工件畸变大渗碳渗碳渗碳渗碳应用应用 渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床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、发展得最全渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺面的化学热处理工艺例：冷挤压成型塑料模例：冷挤压成型塑料模（（1）要求）要求Ø 冷挤压成型冷挤压成型——在退火态具有高的塑在退火态具有高的塑性和低变形抗力性和低变形抗力——Ø提高耐磨性提高耐磨性——渗碳＋淬回火处理，表渗碳＋淬回火处理，表面硬度达面硬度达58～～62HRC渗碳渗碳超低碳钢超低碳钢渗碳渗碳（（2）材料）材料Ø工业纯铁、工业纯铁、20Cr、、12CrNi3A、、0Cr4NiMoV(LJ)ØLJ含碳量低，塑性优良，变形抗力低，含碳量低，塑性优良，变形抗力低，Cr、、Ni、、Mo、、V提高淬透性，渗碳能力提高；代替提高淬透性，渗碳能力提高；代替10钢，钢，20钢。

钢3）工艺性能（）工艺性能（LJ））Ø固体渗碳工艺：加热固体渗碳工艺：加热930℃℃×（（6～～8h）＋油淬）＋油淬（（850～～870℃℃）＋低温回火（）＋低温回火（200～～220℃℃×2h））Ø表面硬度：表面硬度：58～～60HRC；心部：；心部：21～～29HRC；变形小，渗硬层深；变形小，渗硬层深汽车齿轮汽车齿轮Ø渗碳温度高，变形大，渗碳速度慢等缺渗碳温度高，变形大，渗碳速度慢等缺点点——稀土共渗技术稀土共渗技术Ø稀土元素作用：稀土元素作用：（（1）催渗）催渗（（2）微合金化：成为第二相沉淀析出的核）微合金化：成为第二相沉淀析出的核心，超细化马氏体，接触疲劳、弯曲疲心，超细化马氏体，接触疲劳、弯曲疲劳强度高劳强度高渗碳渗碳 向密封的渗氮炉内通入氨气，氨气发生下向密封的渗氮炉内通入氨气，氨气发生下列反应：列反应： 2NH3=3H2+2[N] 480~570℃℃ [N]+Fe= Fe－－N 生成的活性生成的活性[N]原子渗入钢铁表面，形成原子渗入钢铁表面，形成一定厚度的渗氮层一定厚度的渗氮层渗氮渗氮5.1 气体热扩渗气体热扩渗渗氮层相及特性渗氮层相及特性名称名称结构结构含氮含氮 (wt%)特性特性α相相含氮含氮铁素体铁素体体心体心590℃℃:0.1室温室温:0.004有有铁磁性铁磁性γ相相含氮奥氏体含氮奥氏体面心面心≤2.86590℃℃共析转变共析转变,慢冷慢冷: γ→α+ γ’γ’相相Fe4N基基固溶体固溶体面心面心5.30~5.70铁磁相铁磁相,硬度较高硬度较高,脆性小脆性小ε相相Fe2-3N基基固溶体固溶体4.55~11.0铁磁相铁磁相,650℃℃发生发生共析共析: ε → γ+ γ’ξ相相化学当量为化学当量为Fe2N化合物化合物斜方斜方11.07~11.18具有高脆性具有高脆性5.1 气体热扩渗气体热扩渗优点：优点：氮化层硬度高达氮化层硬度高达950~1200Hv，，耐磨性、耐磨性、疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩性能优于渗碳层。

能优于渗碳层低温渗氮低温渗氮：：500~600℃℃渗氮，工件变形小渗氮，工件变形小缺点：缺点：时间长，数十到上百小时时间长，数十到上百小时渗层薄（渗层薄（500μm），脆性高），脆性高渗氮渗氮5.1 气体热扩渗气体热扩渗渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和渗氮可以用于结构钢、高铬钢、工具钢和铸铁产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具产品有销、轴、缸套、活塞、齿轮和模具等等渗氮层很薄，一般为渗氮层很薄，一般为0.1~0.15mm，，渗氮渗氮处理后最好不加工或少量精加工处理后最好不加工或少量精加工渗氮的应用渗氮的应用5.1 气体热扩渗气体热扩渗在在520~580℃℃，以渗氮为主，称氮碳共渗，，以渗氮为主，称氮碳共渗，渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化渗层硬度比渗氮层略低，俗称软氮化氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中不含含ξ相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性相，硬度略低，韧性好，裂纹敏感性小氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性氮碳共渗是一种表面硬度高，摩擦磨损性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩渗工艺碳氮共渗碳氮共渗5.1 气体热扩渗气体热扩渗在在780~930℃℃，，以渗碳为主以渗碳为主，称，称碳氮共渗碳氮共渗。

碳氮共渗比渗碳碳氮共渗比渗碳温度低温度低，零件，零件变形小变形小，，晶晶粒细粒细，可以，可以直接进行淬火直接进行淬火，零件，零件变形开裂变形开裂倾向小倾向小氮不仅扩大了氮不仅扩大了γ相相区区，而且提高奥氏体，而且提高奥氏体稳稳定性定性，提高了渗层的，提高了渗层的淬透性和淬硬性淬透性和淬硬性渗层存在较大的渗层存在较大的残余压应力残余压应力更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性碳氮共渗碳氮共渗5.1 气体热扩渗气体热扩渗渗氮层渗氮层很薄很薄，一般为，一般为0.1~0.15mm，，渗氮渗氮处理后最好不加工或少量精加工处理后最好不加工或少量精加工不仅要求不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回火稳定性高，回火稳定性高，而且要求而且要求精度高精度高的产品，的产品，如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具等等渗氮和氮碳共渗应用渗氮和氮碳共渗应用5.1 气体热扩渗气体热扩渗将将工件放入熔融液体中，使表面层渗入一工件放入熔融液体中，使表面层渗入一种或几种元素的方法称为液体热扩渗种或几种元素的方法称为液体热扩渗。

5.2 液体热扩渗液体热扩渗盐浴法：盐浴法：（（1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗到工件表层工件表层2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传输活性原子活性原子热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等热浸法：熔融金属液，热浸锌、热浸铝等熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，熔烧法：渗剂制成浆料涂敷在工件表面，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，在真空或保护气氛下加热至渗剂熔点以上，渗剂元素扩散到基体金属表面渗剂元素扩散到基体金属表面5.2 液体热扩渗液体热扩渗Melenite工艺（盐浴氮碳共渗）工艺（盐浴氮碳共渗）1974年德国年德国Degguss公司发明公司发明盐浴温度盐浴温度550~600℃℃，盐浴中含有，盐浴中含有34~38%的的CNO2-离子Melenite工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，但反应产物中含低氰但反应产物中含低氰零件清洗水可以直接排放，但废盐处理是零件清洗水可以直接排放，但废盐处理是问题Melenite工艺工艺5.2 液体热扩渗液体热扩渗Sursulf工艺（盐浴硫氮碳共渗）由法国工艺（盐浴硫氮碳共渗）由法国HEF公司开发的一种表面处理工艺公司开发的一种表面处理工艺，，在在565±5℃℃工作温度下，由硫催化下的无公害工作温度下，由硫催化下的无公害盐浴氮化。

盐浴氮化卓越的渗氮能力使舍舍夫（卓越的渗氮能力使舍舍夫（SUSULF））技技术有效地解决钢和铸铁的磨损摩擦、疲劳、术有效地解决钢和铸铁的磨损摩擦、疲劳、咬合及腐蚀的各种问题咬合及腐蚀的各种问题 Sursulf工艺工艺5.2 液体热扩渗液体热扩渗Sursulf工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，反工艺原材料不含氰盐或氰酸盐，反应产物中含有少量的氰酸根应产物中含有少量的氰酸根CN-，，质量分数质量分数≤0.8% 零件清洗水在添加去氰剂中和后，可以直零件清洗水在添加去氰剂中和后，可以直接排放，但废盐处理是问题接排放，但废盐处理是问题同同Melenite工艺相比，工艺相比，Sursulf工艺处理零工艺处理零件的摩擦系数更低，抗咬合性能更好件的摩擦系数更低，抗咬合性能更好 Sursulf工艺工艺5.2 液体热扩渗液体热扩渗将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面将工件浸入熔融的金属液中，使工件表面形成金属防护层的方法形成金属防护层的方法热浸金属的三个过程：热浸金属的三个过程：（（1 1）基体金属表面被溶解，形成合金层）基体金属表面被溶解，形成合金层2）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固）合金层内的渗入原子向内扩散，形成固溶体或化合物。

溶体或化合物3）合金层外面包覆一层纯金属合金层外面包覆一层纯金属热浸金属热浸金属5.2 液体热扩渗液体热扩渗热浸铝和热浸锌是公认的热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁经济实用的钢铁材料表面防护方法材料表面防护方法热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构热浸锌在大气、海洋环境下使用的钢结构件已大量使用，如水管、高速公路护栏、件已大量使用，如水管、高速公路护栏、铁搭铁搭 、桥梁上大量使用桥梁上大量使用热浸铝还在汽车零部件上使用渗铝是目热浸铝还在汽车零部件上使用渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的方法热浸锌和热浸锌和热浸铝热浸铝5.2 液体热扩渗液体热扩渗热浸产品热浸产品钢管钢管换热器换热器5.2 液体热扩渗液体热扩渗铝液与铁铝液与铁接触，在界面上形成接触，在界面上形成Fe/Al合金层，合金层，并形成并形成FeAl3化合物铝原子向内部扩散，不断形成铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物，化合物，FeAl3相厚度增加相厚度增加随着铝原子继续向内扩散，还形成随着铝原子继续向内扩散，还形成 Fe2Al5相取出工件时，表面形成一层纯铝取出工件时，表面形成一层纯铝。

热浸铝热浸铝5.2 液体热扩渗液体热扩渗用常规方法对工件表面脱脂除锈用常规方法对工件表面脱脂除锈用质量浓度为用质量浓度为4%的的K2ZrF6溶剂在溶剂在50~80℃℃清洗工件：清洗工件：（（1）进一步清除工件表面铁锈）进一步清除工件表面铁锈（（2）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的）活化工件表面，提高浸入能力和镀层的结合力工件干燥后，浸入铝液工件干燥后，浸入铝液热浸铝热浸铝5.2 液体热扩渗液体热扩渗热浸铝液成分和浸渍工艺热浸铝液成分和浸渍工艺铝液成分铝液成分浸渍工艺浸渍工艺备注备注温度温度/℃℃时间时间/min100%Al760~78010~30粘铝偏多粘铝偏多88~92%Al+12~8%Fe680~80015~60铁锅和工件的溶解铁锅和工件的溶解少少94~98%Al+6~2%Si720~78020~30铝液铝液流动性好流动性好5.2 液体热扩渗液体热扩渗铝液铝液成分、温度、时间成分、温度、时间基体成分：基体成分：☆☆钢中钢中C、、Si含量增加，浸铝层厚度下降含量增加，浸铝层厚度下降☆☆钢中的钢中的Cr、、Mn元素，浸铝层厚度下降元素，浸铝层厚度下降☆☆Si提高铝液流动性，降低合金层的厚度提高铝液流动性，降低合金层的厚度和硬度和硬度热浸铝工艺影响因素热浸铝工艺影响因素5.2 液体热扩渗液体热扩渗渗铝的方法很多：渗铝的方法很多：液态渗铝：工件浸入铝液液态渗铝：工件浸入铝液固体粉末渗铝：固体粉末渗铝：88%AlFe粉粉+10%石英粉石英粉+2%NH4Cl2膏剂，涂在工件表面膏剂，涂在工件表面3~5mm厚，厚，在专用密封炉内加热，使铝渗入工件。

在专用密封炉内加热，使铝渗入工件表面喷涂铝，再扩散退火渗铝：电弧喷涂表面喷涂铝，再扩散退火渗铝：电弧喷涂0.7~1.2mm铝层，在铝层，在920~950℃℃进行进行4~6小小时扩散退火渗铝时扩散退火渗铝渗铝渗铝5.3 固体热扩渗固体热扩渗把把工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件埋入固体渗剂或用固体渗剂包裹工件，并加热达到一定温度，保持一定工件，并加热达到一定温度，保持一定时间，使工件表面渗入一种或多种元素时间，使工件表面渗入一种或多种元素的方法固体渗剂包含：供渗剂（固体渗剂包含：供渗剂（+还原剂）还原剂）+催催渗剂（或催化剂）渗剂（或催化剂）+填充剂供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活供渗剂：作用是提供渗入工件表面的活性原子，如供渗剂是稳定的化合物，还性原子，如供渗剂是稳定的化合物，还要加还原剂还原剂的作用是使供渗剂要加还原剂还原剂的作用是使供渗剂产生活性原子产生活性原子催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗入工件和促进还原反应入工件和促进还原反应填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生填充剂：减轻或防止渗剂板结，降低生产成本渗剂原子活性越强，渗层就越厚渗剂原子活性越强，渗层就越厚。

5.3 固体热扩渗固体热扩渗例：渗硼例：渗硼供硼剂：含硼量高的物质，供硼剂：含硼量高的物质，B4C、、硼铁、硼铁、硼砂，硼量越高，硼的活性越大硼砂，硼量越高，硼的活性越大还原剂：用硼砂的还原剂为还原剂：用硼砂的还原剂为SiC催渗剂：欧美用碳化物（环保），国内催渗剂：欧美用碳化物（环保），国内用氟化物和氯化物（活化能力强）用氟化物和氯化物（活化能力强）填充剂：填充剂：SiC或或Al2O35.3 固体热扩渗固体热扩渗常用固体渗硼剂及渗硼工艺常用固体渗硼剂及渗硼工艺渗剂成分渗剂成分/mass%工艺参数工艺参数渗层厚渗层厚度度/mm渗层组织渗层组织温度温度/℃℃时间时间/h95%B4C+2.5%Al2O3+2.5%NH4Cl95050.06FeB+Fe2B80% B4C+20%Na2CO3900~110030.09~0.32FeB+Fe2B5%B4C+5%KBF4+90%SiC700~90030.02~0.1FeB+Fe2B30%硼铁硼铁+ 10%KBF4 + 60%SiC800~95040.09~0.1Fe2B13%硼砂硼砂+13%催渗剂催渗剂+10%还原剂还原剂+54%SiC+10石墨石墨85040.1Fe2B例：渗硼例：渗硼硼在硼在γγ-Fe或或α-Fe中的溶解度低于中的溶解度低于0.002%，易与，易与Fe形成形成Fe2B，如，如渗硼剂活性高，渗渗硼剂活性高，渗层中硼量增加，当层中硼量增加，当B量超过量超过8.83%时，会出时，会出现现FeB。

FeB的硬度比的硬度比Fe2B 高，脆性性也大，所以高，脆性性也大，所以一般希望得到一般希望得到Fe2B 相，但大多数情况是得相，但大多数情况是得到到Fe2B 相和相和FeB 相混合组织相混合组织5.3 固体热扩渗固体热扩渗例：渗硼例：渗硼Fe2B 的硬度为的硬度为1200~1800Hv，，FeB的硬度的硬度为为1800~2200Hv渗硼能显著提高钢的耐渗硼能显著提高钢的耐磨，特别是磨粒磨损性能磨，特别是磨粒磨损性能钢件渗硼后抗拉强度和韧性下降，但抗压钢件渗硼后抗拉强度和韧性下降，但抗压强度提高强度提高渗硼工件的抗粘着磨损性能比渗碳淬火和渗硼工件的抗粘着磨损性能比渗碳淬火和离子渗氮更高离子渗氮更高在硫酸、盐酸、磷酸等水溶液中的耐腐蚀在硫酸、盐酸、磷酸等水溶液中的耐腐蚀性能明显提高，但不耐海水和硝酸的腐蚀性能明显提高，但不耐海水和硝酸的腐蚀5.3 固体热扩渗固体热扩渗例：渗硼例：渗硼钢钢化学成分对渗硼影响：化学成分对渗硼影响：B的的渗入，使钢中渗入，使钢中C内迁，以形成内迁，以形成Fe/B化合化合物含C量越高，渗硼层越薄量越高，渗硼层越薄W、、Ti、、Mo是阻止硼化物形成元素，能急是阻止硼化物形成元素，能急剧降低渗硼层厚度。

剧降低渗硼层厚度Cr、、Al、、Si影响较小；影响较小；Mn、、Co、、Ni几乎几乎没有影响没有影响最适合于中碳钢及中碳合金钢最适合于中碳钢及中碳合金钢5.3 固体热扩渗固体热扩渗等离子体热扩渗是利用低真空中等离子体热扩渗是利用低真空中气体辉光气体辉光放电放电产生的离子轰击工件表面，在工件表产生的离子轰击工件表面，在工件表面产生热扩渗的工艺面产生热扩渗的工艺5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗离子轰击工件表面，使表面活性提高，容离子轰击工件表面，使表面活性提高，容易吸收被渗离子和活性原子易吸收被渗离子和活性原子离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化离子轰击能去除工件表面的氧化膜或钝化膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进膜，使易氧化的金属（如不锈钢）也能进行热扩渗行热扩渗调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制调节电参数、渗剂气体成分和压力来控制热扩渗层组织性能热扩渗层组织性能工艺过程易于控制工艺过程易于控制5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗等离子体热扩渗特点等离子体热扩渗特点气体放电气体放电当电压达到一定大小时，阴阳极间的气体当电压达到一定大小时，阴阳极间的气体会发生电离，等离子体是一种电离度超过会发生电离，等离子体是一种电离度超过0.1%的气体。

的气体图图5-12 气体放电伏安特性气体放电伏安特性曲线曲线被激放电区（被激放电区（o~c））自激放电区（自激放电区（c~e）） C点电压称为辉光放点电压称为辉光放电点燃电压电点燃电压正常辉光放电区正常辉光放电区（（d~e））异常辉光放电区异常辉光放电区（（e e~f f））弧光放电区（弧光放电区（fg））5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗辉光放电特性辉光放电特性阴极附近的电位降落最激烈，此区域的辉阴极附近的电位降落最激烈，此区域的辉光强度最强，称为阴极辉光区，即所谓的光强度最强，称为阴极辉光区，即所谓的辉光厚度辉光厚度图图5-14 辉光放电特性辉光放电特性5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗改变两极距离，辉改变两极距离，辉光厚度无明显变化光厚度无明显变化当距离小于辉光厚当距离小于辉光厚度时，辉光将熄灭度时，辉光将熄灭这一原理用于工件这一原理用于工件局部保护局部保护例：离子渗氮例：离子渗氮图图5-15 离子渗氮装置示意图离子渗氮装置示意图5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗例：离子渗氮例：离子渗氮将工件放入离子渗氮炉将工件放入离子渗氮炉,抽真空至抽真空至1.33Pa.通入少量含氮气体通入少量含氮气体,如氨如氨,使炉压升到规定使炉压升到规定值值.阴极阴极(工件工件)和阳极加直流高压和阳极加直流高压,使炉内气体使炉内气体放电放电.氮离子和氢离子在高压电场作用下冲氮离子和氢离子在高压电场作用下冲击阴极击阴极,产生大量热量加热工件产生大量热量加热工件,同时氮离同时氮离子和氢离子被工件吸附子和氢离子被工件吸附,渗入工件，形成渗渗入工件，形成渗层层.保持一定时间，渗层达到要求厚度后停电、保持一定时间，渗层达到要求厚度后停电、停气，降温到停气，降温到200℃℃后出炉。

后出炉5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗离子渗氮工艺离子渗氮工艺5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗辉光电压：保温阶段为辉光电压：保温阶段为500~700V电流密度：电流密度：0.5~15mA/cm2电流密度大，电流密度大，升温快，但易出现打弧升温快，但易出现打弧炉内真空度：炉内真空度：266~533Pa炉内压力太低，炉内压力太低，加热太慢；炉内压力太高，易出现打弧加热太慢；炉内压力太高，易出现打弧渗氮气氛：液氮或氮氢混合气液氮使用渗氮气氛：液氮或氮氢混合气液氮使用简单，但渗层脆性大；体积比为简单，但渗层脆性大；体积比为1:3的氮氢的氮氢混合气可改善渗层性能调整氮氢混合气混合气可改善渗层性能调整氮氢混合气的氮势，可控制渗层相组成的氮势，可控制渗层相组成离子渗氮工艺离子渗氮工艺5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗渗氮温度：渗氮温度：450~650℃℃不含铝的钢一般不含铝的钢一般采用采用500~550℃℃的一段渗氮工艺，含铝钢的一段渗氮工艺，含铝钢采用采用520~530℃℃和和560~580℃℃的二段渗氮的二段渗氮工艺；不锈钢采用工艺；不锈钢采用600~650℃℃的渗氮温度的渗氮温度。

渗氮时间渗氮时间τ ：： δ为为0.2~0.6mm时，时， τ为为6~30h一般钢种一般钢种8h左右，不锈钢要长得左右，不锈钢要长得多渗层深度计算公式：渗层深度计算公式：δ=k（（Dτ））1/2计算δ为渗层深度，为渗层深度，k为为常数，常数，D为为扩散系数，扩散系数，τ为为渗氮时间渗氮时间离子渗氮特点离子渗氮特点效率高：渗氮速度与普通气体渗氮的效率高：渗氮速度与普通气体渗氮的3~5倍1））N离子轰击，使部分金属原子活化，使离子轰击，使部分金属原子活化，使C、、N、、O等部分非金属元素还原出来等部分非金属元素还原出来2）表面清洗作用）表面清洗作用（（3）高的）高的N浓度：轰击出来的浓度：轰击出来的N，，Fe原子形原子形成成FeN，，吸附在工件表面，提高了表面浓吸附在工件表面，提高了表面浓度4）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密）阴极溅射，部分原子脱离表面，位错密度增加，增加了度增加，增加了N原子向内的扩散系数原子向内的扩散系数5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗离子渗氮特点离子渗氮特点硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当硬度：离子渗氮层硬度与气体渗氮层相当厚度：离子渗氮层厚度可达厚度：离子渗氮层厚度可达0.3~0.5mm，，比气体渗氮层厚得多。

比气体渗氮层厚得多热效率高，节能；环保热效率高，节能；环保5.4 等离子体热扩渗等离子体热扩渗热热扩渗的发展趋势扩渗的发展趋势应用越来越广：耐磨、耐蚀、提高表面强应用越来越广：耐磨、耐蚀、提高表面强度低温工艺代替高温工艺，减少变形低温工艺代替高温工艺，减少变形提高渗层性能，单元素扩渗变为双元素或提高渗层性能，单元素扩渗变为双元素或多元素扩渗多元素扩渗环保：液体碳氮共渗改为离子碳氮共渗环保：液体碳氮共渗改为离子碳氮共渗催渗剂研究催渗剂研究控制系统或元器件的研发控制系统或元器件的研发第五章第五章 热扩渗技术热扩渗技术。