第五篇 热扩渗技术

5.Leabharlann 气体热扩渗渗氮层相及特性
名称 α相 γ相 含氮铁素体 含氮奥氏体 结构 体心 面心 面心 含氮 (wt%) 590℃:0.1 室温:0.004 ≤2.86 5.30~5.70 4.55~11.0 斜方 11.07~ 11.18 特性 有铁磁性 590℃共析转变, 慢冷: γ→α+ γ’ 铁磁相,硬度较高, 脆性小 铁磁相,650℃发生 共析: ε → γ+ γ’ 具有高脆性
热浸铝工艺影响因素
5.2 液体热扩渗
铝液成分、温度、时间 基体成分： ☆钢中C、Si含量增加，浸铝层厚度下降 ☆钢中的Cr、Mn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 和硬度
渗铝
渗铝的方法很多： 液态渗铝：工件浸入铝液 固体粉末渗铝：88%AlFe粉+10%石英粉 +2%NH4Cl2膏剂，涂在工件表面3~5mm厚， 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 0.7~1.2mm铝层，在920~950℃进行4~6 小时扩散退火渗铝。
渗氮厚度与时间、温度的关系（95%N2+5%H2）
第五章 热扩渗技术
热扩渗工艺分类 按渗剂状态分：气体法、液体法、固体法 和等离子法。 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。 按工作温度分：高温（ ≥910 ℃）、中温和 低温热（≤720 ℃）热扩渗。
5.1 气体热扩渗
第五章 热扩渗技术
热扩渗层的组织： 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ε相（Fe2-3N）， 渗硼层中的Fe2B等 。 形成固溶体和化合物的混合组织，并形成 梯度分布。
第五章 热扩渗技术
40CrNiMo钢 (a)渗碳：层深0.5mm 左右,表面碳势0.9 %。 表层为高碳马氏体+ 颗粒状碳化物+ 残留 奥氏体;心部为中碳 马氏体。 （b）渗氮：表层碳氮 化合物+ 含氮马氏体 + 残留奥氏体，心部 是回火索氏体。
Sursulf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，在 565±5℃工作温度下，由硫催化下的无公 害盐浴氮化。 卓越的渗氮能力使舍舍夫（SUSULF）技 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。
5.2 液体热扩渗
Sursulf工艺
Sursulf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CN-，质量分数 ≤0.8% 。 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。 同Melenite工艺相比，Sursulf工艺处理零 件的摩擦系数更低，抗咬合性能更好。
γ’相 Fe4N基 固溶体 ε相 ξ相 Fe2-3N基 固溶体 化学当量为 Fe2N化合物
5.1 气体热扩渗
渗氮
优点： 氮化层硬度高达950~1200Hv，耐磨性、 疲劳强度、红硬性、抗咬合性能和减摩 性能优于渗碳层。 低温渗氮：500~600℃渗氮，工件变形小。 缺点： 时间长，数十到上百小时。 渗层薄（500μm），脆性高
渗碳
例：冷挤压成型塑料模 （1）要求 冷挤压成型——在退火态具有高的塑 性和低变形抗力—— 超低碳钢 提高耐磨性——渗碳＋淬回火处理，表 面硬度达58～62HRC
渗碳
（2）材料 工业纯铁、20Cr、12CrNi3A、 0Cr4NiMoV(LJ) LJ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10钢， 20钢。 （3）工艺性能（LJ） 固体渗碳工艺：加热930℃×（6～8h）＋油淬 （850～870℃）＋低温回火（200～ 220℃×2h） 表面硬度：58～60HRC；心部：21～29HRC； 变形小，渗硬层深
5.2 液体热扩渗
盐浴法： （1）盐浴为渗剂，盐浴产生的活性原子渗 到工件表层。 （2）渗剂浮于盐浴表面，盐浴作为载体传 输活性原子。 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， 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。
Melenite工艺
碳氮共渗
5.1 气体热扩渗
在780~930℃，以渗碳为主，称碳氮共渗。 碳氮共渗比渗碳温度低，零件变形小， 晶粒细，可以直接进行淬火，零件变形 开裂倾向小。 氮不仅扩大了γ相区，而且提高奥氏体稳 定性，提高了渗层的淬透性和淬硬性。 渗层存在较大的残余压应力。 更高的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和回 火稳定性。
第五章 热扩渗
定义： 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 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、 组织和性能的方法。
第五章 热扩渗
热扩渗目的： 提高强度、硬度和耐磨性。渗氮表面硬 度达950Hv~1200Hv，渗硼表面硬度达 1400Hv~2000Hv。 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 残余压应力。 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 数，如渗硫、氮化。 提高耐腐蚀性能，如渗铝、渗氮等。
热浸金属
5.2 液体热扩渗
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。 热浸金属的三个过程： （1）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 固溶体或化合物。 （3）合金层外面包覆一层纯金属。
5.2 液体热扩渗
热浸锌和热浸铝
热浸铝和热浸锌是公认的经济实用的钢铁 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 件已大量使用，如水管、高速公路护栏、 铁搭 、桥梁上大量使用。 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。
热浸产品
5.2 液体热扩渗
钢管
换热器
热浸铝
5.2 液体热扩渗
铝液与铁接触，在界面上形成Fe/Al合金层， 并形成FeAl3化合物。 铝原子向内部扩散，不断形成FeAl3化合物， FeAl3相厚度增加。 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。
热浸铝
5.2 液体热扩渗
渗碳
汽车齿轮 渗碳温度高，变形大，渗碳速度慢等缺 点——稀土共渗技术 稀土元素作用： （1）催渗 （2）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 劳强度高
5.1 气体热扩渗
渗氮
向密封的渗氮炉内通入氨气，氨气发生 下列反应： 2NH3=3H2+2[N] 480~570℃ [N]+Fe= Fe－N 生成的活性[N]原子渗入钢铁表面，形成 一定厚度的渗氮层。
第五章 热扩渗技术
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 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 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） ☆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。
第五章 热扩渗技术
热扩渗技术机理： 渗剂产生活性原子，并不断提供给基体金 属表面。 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。 活性原子不断向基体金属内部扩散，渗层 厚度不断增加。
5.3 固体热扩渗
把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 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（+还原剂）+催 渗剂（或催化剂）+填充剂。
5.3 固体热扩渗
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 要加还原剂。还原剂的作用是使供渗剂 产生活性原子。 催渗剂（或催化剂）：促进活性原子渗 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 产成本。 渗剂原子活性越强，渗层就越厚。
5.1 气体热扩渗
渗氮的应用
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 具等等。 渗氮层很薄，一般为0.1~0.15mm，渗氮 处理后最好不加工或少量精加工。
碳氮共渗
5.1 气体热扩渗
在520~580℃，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。 氮碳共渗比渗氮时间大大缩短；渗层中 不含ξ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 性能和疲劳性能好，尺寸变形小的热扩 渗工艺。
渗碳
控制要点 渗碳层碳浓度(0.8~1.1%)
5.1 气体热扩渗
影响因素 碳势
温度、时间 渗碳层厚度（浅层＜ 0.7mm,常规0.7-1.5mm,深 层＞1.5mm） 工件变形 夹具、装料形式
表层内氧化 炉内气氛、装炉 温度、冷却状态
渗碳
5.1 气体热扩渗
渗碳层质量控制： 渗碳层碳浓度：设计炉内碳势，测定随 炉试样成分，调节碳势，严格控制温度。 渗碳层深度：控制温度、时间，测定随 炉试样成分，调节时间。 工件变形：夹具刚性高，装炉平稳 内氧化：炉内气氛，高温装炉，低温开 炉和出炉。
13%硼砂+13%催渗剂 +10%还原剂 +54%SiC+10石墨
渗层厚 温度/℃ 时间/h 度/mm
950 900~ 1100 700~ 900 800~ 950 5 3 3 4 0.06 0.09~ 0.32 0.02~ 0.1 0.09~ 0.1
5.1 气体热扩渗
渗氮和氮碳共渗应用
渗氮层很薄，一般为0.1~0.15mm，渗氮 处理后最好不加工或少量精加工。 不仅要求疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和 回火稳定性高，而且要求精度高的产品， 如销、轴、缸套、活塞、活塞销、模具 等等。
5.2 液体热扩渗
将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。