技能培训 材料表面工程学 表面改性方法2.ppt

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1、6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（一）化学热处理原理 将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（二） 化学热处理方法 主要包括：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬、渗锌（钛、铌、钽、钒、钨），以及其他多元共渗工艺，例如铝硅共渗、硼铬共渗、碳氮和氮碳共渗、硫氮和硫氮碳共渗等。,6.3 金属表面化学热处理,第

2、六章 表面改性技术,（三） 化学热处理目的,每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,组织：单相固溶体；化合物。 渗层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的，即形成冶金结合，因而结合非常牢固，渗层不宜脱落。,（四）化学热处理渗层基本组织类型,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗层的相组织和各相化学成分取决于组成该合金系的相图。 在二元合金系统中，只有单相区、无两相共存区，渗层的浓

3、度分布呈阶梯跳跃式分布，并且有相互毗邻单相区所构成。,（四）化学热处理渗层基本组织类型,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（四）化学热处理渗层基本组织类型,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（四）化学热处理渗层基本组织类型,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（五）化学热处理渗层形成的条件,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（六）渗层形成基本过程,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,影响扩散速度的参数主要有两个，即扩散系数D和浓度梯度，而许多因素都会影响这两个参数，从而影响扩散速度，几个主要的影响因素为： 温度：扩散系

4、数D与温度之间的关系为：DD0exp(-Q/RT)，可见扩散系数随温度升高而急剧增大。 晶体结构：原子排列越紧密，扩散时点阵畸变大，所需扩散激活能升高，扩散越困难。,（七）影响渗层形成厚度因素,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,晶体缺陷：基体中的位错、空位和晶界等缺陷都是有利于扩散的。 基体合金成分。 渗剂金属原子浓度的影响：在其他条件相同时，基体金属表面渗剂金属原子的起始浓度愈高，扩散速度增大。,（七）影响渗层形成厚度因素,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,根据渗入元素的介质所处状态的不同，金属表面化学热处理可分为:固体渗、液体渗、气体渗、等离子渗。,（八）化

5、学热处理种类,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,1 固体渗-粉末渗 粉末渗就是把工件埋入装有粉末渗剂的容器中，然后密封容器高温加热即可。 这种方法很简单，是固渗中最普通的方法，也是历史最为悠久的渗镀法。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,2 液体渗-盐浴法 将工件直接浸入含有欲渗元素的熔盐槽内，经扩散形成渗层。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,3 气体渗 首先把工件加热到扩散的温度，然后把含有欲渗元素的气体介质通入，气体介质发生反应，生成活性原子渗入工件表面。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,4 离子渗 离子渗是利用物质的第四

6、态等离子体进行渗镀。因为等离子体离子活性比原子高，加上电场的作用，因此渗速较高，质量较好,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗硼是使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。硼在钢中的溶解度很小，主要是与铁和钢中某些合金元素形成硼化物。渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层，而且有较高的热稳定性和耐蚀性。渗硼层脆性较大，难以变形和加工，故工件应在渗硼前精加工。这种工艺主要用于中碳钢、中碳合金结构钢零件，也用于钛等有色金属和合金的表面强化。,二、渗硼,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,2.渗硼层组织： FeBFe2B扩散层心部组织 钢件渗硼后，渗硼层由单一的Fe2B化合物层或由

7、Fe2B+FeB构成的两相化合物。Fe2B和FeB通常为指状(或梳齿状)，且垂直于表面楔入基体。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,3、渗硼层性能 （1）高硬度和高耐磨性 Fe2B和FeB具有高的硬度，其显微硬度分别为1300-1800HV和1600-2200HV。钢铁材料渗硼后的表面硬度也很高可达1300-2300HV。 （2）高的热硬性 Fe2B和FeB化合物稳定性好，渗硼层在800能保持高硬度。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,3、渗硼层性能 （3）良好的

8、高温抗氧化性能及抗蚀性 在高温下,工件表面的铁硼化合物与氧反应，生成B2O3, 使工件受到保护。 渗硼层对盐酸、硫酸、磷酸、醋酸、氢氧化纳水溶液、氯化钠水溶液，都具有较高的抗蚀性，和不锈钢耐蚀性相当。但不耐硝酸腐蚀。 （4）脆性 渗硼层硬度很高，但脆性较大。尤其FeB，脆性大，一般希望得到单层的Fe2B层。厚度在0.07-0.15mm .,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,钢经过渗硼以后、表面具有很高的硬度（1300 - 2300HV)和耐磨性、良好的抗蚀性、抗氧化性和热硬性。已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下

9、工作的阀杆、阀座等石油化工机械、汽车拖拉机、纺织机械、工模具(如拉丝模、冲压模）、钻杆等耐磨零件上得到广泛应用。 但渗硼工艺还存在处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。,二、渗硼,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,二、渗硼,渗硼方法：固体渗硼、气体渗硼、液体渗硼、等离子渗硼。固体渗硼：粉末渗、膏剂渗。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,固体渗硼 渗硼剂：供硼剂、活化剂、填充剂。 1) 供硼剂 供硼剂是渗硼的硼源。使用较多的是硼铁、碳化硼（B4C）和硼砂（Na2B4O7）。 2）活化剂 活化剂的主要作用是提高渗剂的活性，与供硼剂进行化学反应，

10、产生气态化合物，促进活性硼原子的产生，加速渗硼过程。常用的活化剂是氟硼酸钾(KBF4)、 碳化硅(SiC)。 3）填充剂 填充剂是渗硼剂中的载体。它的主要作用是使供硼剂、活化剂均匀分布在渗剂中，保证渗硼层的均匀性。通常的填充剂是碳化硅（SiC）、三氧化二铝（Al2O3）、木炭。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,固体渗硼 供硼剂为硼砂（Na2B407）、活化剂为碳化硅（SiC）时的反应： Na2B407 + SiC Na20Si02 + C02 + 02 +4B 供硼剂为碳化硼（B4C）、活化剂为氟硼酸钾(KBF4)时的反应见书P183。 通过反应产生大量活性硼原子B,6.3

11、金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,膏剂渗硼：是将粉末溶剂加上粘结剂调成膏状，涂在需要渗硼的工件表面上，然后加热扩散。加热方式一般为装箱(用木炭或三氯化二铝作为填充剂)密封后在空气炉中加热；或不装箱，在保护气（氩气或氮基气氛)中加热，也可置于感应器中(工件无需装箱)进行感应加热。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,液体渗硼（盐浴渗硼）：是将工件置于熔融盐浴中的渗硼方法。硼砂作为供硼剂。还原剂的作用是从硼砂熔融分解产物中还原出活性硼原子。凡是与氧的亲和力大于硼和氧的亲和力的物质均可作为还原剂。通常选用的还原剂有碳酸钠、碳酸钾、氟硅酸钾。渗硼温度一般为9001000，保温26

12、小时。碳钢渗硼可代替合金钢。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗碳目的是在低碳钢或低碳合金钢零件的表面得到高的含碳量（高于0.8%)。其后经淬火、低温回火得到高的硬度和耐磨性的渗碳层，而零件的内部具有高的强韧性。但缺点是处理温度高（900左右），工件畸变大。 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、轴和凸轮轴等。渗碳是应用最广、发展得最全面的化学热处理工艺。用微处理机可实现渗碳全过程的自动化，能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。,三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗 （一）钢的渗碳,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗碳层组织特点： 由

13、表及里：网状碳化物+珠光体-珠光体-珠光体+铁素体-珠光体减少，铁素体增多。 渗碳层不允许出现过多的网状碳化物，防止渗碳层和零件变脆。只要控制渗碳介质的活性或碳势（钢表面的含碳量），就可以加以控制。 组织：表面(层)为高碳回火马氏体组织、心部为低碳回火马氏体组织。,（一）钢的渗碳,渗碳层深度一般为0.7-1.5mm、碳的质量分数为0.7-0.9。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,三、钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗 （一）钢的渗碳,按照渗碳介质的状态，渗碳方法分为：气体渗、液体渗、固体渗。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（1）气体渗碳 （应用最广泛的渗碳

14、方法） CH3OH（甲醇）CO+2H2 CH4（甲烷）C +2H2 2COC+CO2 CO2+H2CO+2H20,（一）钢的渗碳,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（2）固体渗碳（传统的渗碳方法） 固体渗碳剂主要由木炭和碳酸盐（NaCO3，BaCO3）组成。反应： 碳酸盐高温分解：NaCO3 NaO+CO2 BaCO3 BaO+CO2 CO2与木炭反应：C（木炭）+CO22CO COCO2+C,（一）钢的渗碳,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（3）盐浴渗碳 介质：氰盐，反应后生成氰氢酸，有剧毒。,（一）钢的渗碳,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术

15、,渗碳主要用于要求承受很大冲击载荷、高的强度和好的抗脆裂性能，使用硬度为5862HRC的小型模具。如用Cr12MoV钢制的八角模寿命很短，往往不到2 000件就断裂，现在用20Cr钢加渗碳处理来制造，在渗层深为1.01.2mm、硬度为6062HRC时，一次寿命可延长到3万件；W6Mo5Cr4V2钢制螺母冲模经渗碳淬火处理后，使用寿命比常规工艺处理的延长23倍；热挤压GCr15钢轴承套圈用的3Cr2W8V钢挤压模，经高温渗碳处理后，其使用寿命可延长710倍；W18Cr4V钢制冲孔冲模，经渗碳淬火后，其使用寿命比常规工艺处理的可延长23倍；还可以用65Nb钢渗碳处理来代替Cr12MoV钢制造冷挤压

16、模具，65Nb钢制的冷挤压模经真空渗碳处理后，其寿命可达3万件，而用Cr12MoV钢经淬火回火处理的冷挤压模的寿命仅为4 000件。,（一）钢的渗碳,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗氮（又称氮化），是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。当钢中含有铬、铝、钼等氮化物时，可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。渗氮主要用于对精度、畸变量、疲劳强度和耐磨性要求都很高的工件，例如镗床主轴、镗杆，磨床主轴，气缸套等。常用渗氮钢38CrMoAl。,（二）钢的渗氮,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗氮具有比渗

17、碳更高的硬度和耐磨性，热稳定性好。渗氮后表面为残余压应力，比渗碳具有更高的疲劳强度、抗咬合性能、低的缺口敏感性。 渗氮可使钢铁零件表面硬度达到950-2200HV。,（二）钢的渗氮,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗氮温度低于共析转变温度，一般为500-600，零件渗氮后不进行淬火工艺，渗氮零件的变形很小。 主要用于结构钢和铸铁。目前生产中多采用气体渗氮和离子渗氮。 气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，形成渗氮层。 (2NH3=2N+3H2) 气体渗氮渗速慢，形成0.3mm厚

18、渗层需60小时，包括保温降温时间。后发明离子氮化技术。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗氮层的组织： 离子氮化层通常可能出现以下三种典型组织： (1)只有扩散层； (2) 化合物层+扩散层； (3) + 复相化合物层+扩散层。 相是以Fe2-3N为基的固溶体，氮浓度范围很宽（4.5511.0）。 相是以Fe4N为基的固溶体，氮浓度范围比较窄（5.305.75）。 纯扩散层为氮原子在-Fe中的固溶体组织。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,金相照片,（二）钢的渗氮,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技

19、术,碳氮共渗和氮碳共渗是在金属工件表层同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺。 前者以渗碳为主，与渗碳相比，共渗件淬冷的畸变小，耐磨和耐蚀性高，抗疲劳性能优于渗碳，70年代以来，碳氮共渗工艺发展迅速，不仅可用在若干种汽车、拖拉机零件上，也比较广泛地用于多种齿轮和轴类的表面强化； 后者则以渗氮为主，它的主要特点是渗速较快，生产周期短，表面脆性小且对工件材质的要求不严，不足之处是工件渗层较薄，不宜在高载荷下工作。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗金属通常是指钢铁零件表面渗入金属元素，如铬、钒、钛、钨、钼、铌等，使工件表面形成一层金属碳化物。渗金属是钢铁零件表面强化工艺方法之一，

20、其作用是提高零件的表面硬度、耐磨件和抗蚀性或抗氧化性。为了使表面生成碳化物层，基材的含碳量必须大于0.45%。 渗金属层的组织一般都很薄（0.005-0.02mm)，呈白亮色。 渗金属方法：气体渗、固体渗、液体渗、离子渗。,四、渗金属,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,2.固体渗金属 固体粉末渗剂的组成 ： 金属合金粉末（金属氧化物粉末）+还原剂+填充剂（A12O3，Cr2O3） +活化剂(NH4Cl) 1）金属合金粉末纯度越高越好。 2）填充剂(又称分散剂)通常使用惰性高的粉末。填充剂用于分散金属粉末、防止它们在渗金属高温下彼此粘合或金属粉末粘附在零件表面。 3）活化剂：其作

21、用是把粉末金属转化为金属活性物质。,（三）渗金属方法,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(四) 渗铬 渗铬可以提高零件在高温下的抗氧化性能以及在多数浸蚀性介质中的抗蚀性和耐磨性。 渗铬层的组织与基体碳含量有关，高碳钢基体表层只形成铬的碳化物层，如（Cr,Fe）7C3, （Cr,Fe）23C6, （Fe, Cr）3C。厚度薄，只有0.01-0.04mm，硬度为1500HV。中碳钢渗铬层在铬的碳化物层下有一层扩散层。铬在铁中的固溶体组织。 渗铬工艺有气体法、液体法和固体法。 由于气体渗铬介质(CrCl2)没有商品供应，而且它的活性大难以贮存，因此气体渗铬没有得到应用。主要采用固体渗

22、铬。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(四) 渗铬,基材： 1080 合金元素：Cr 放大倍数：500X,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(五) 渗钛 渗层主要为TiC。TiC具有很高的硬度，远远高于工业上用的大多数其它金属碳化物。 TiC的耐磨性和耐蚀性优良，碳可在11-20之间变动，因而显微硬度也不同，一般HV在3000一3800之间。 渗钛可用于提高在腐蚀、气蚀条件下以及在浸蚀性介质中工作的普通碳钢件的寿命。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(五) 渗钛,基材： 1080 合金元素：Ti 放大倍数：500X,6.3 金属表面化学热处理

23、,第六章 表面改性技术,(五) 渗钛,渗钛方法:固体渗钛，气体渗钛，液体渗钛。,1.气体渗钛 采用金属卤化物（TiCl4），用H2、Fe进行还原。,TiCl4 +2H2Ti+4HCl,渗钛温度：950-1200。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（六）渗铝 当钢中含铝量高于8时，其表面能形成致密的铝氧化膜，具有良好的抗氧化性和抗蚀性。但钢中含这样高的铝时就会变脆。采用渗铝的方法既可保持钢件心部的韧性，又可提高表面的抗氧化性和抗蚀性。 渗铝主要用来提高钢铁的抗氧化性能，还能提高在含硫与含氧化性介质中的耐蚀性，在冶金，石油，化工，飞机，船舶，汽车等方面得到的广泛的应用。,6.3

24、金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,基材： 40Cr 合金元素：Al 放大倍数：500X,渗铝层的组织,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（六）渗铝 渗铝的方法主要有：(1)固体粉末渗铝；(2) 液体浸铝( 热浸铝)；(3) 膏剂渗铝（料浆渗Al）；(4) 喷镀渗铝；(5) 气体渗Al,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(1)固体粉末渗铝 将工件埋在粉末状的渗铝剂中，然后加热到900-1050保温数小时即可。 渗铝剂一般由三部分组成： 铝粉、铝铁合金粉或铝钼合金粉（提供铝原子的 原料); 氧化铝粉(稀释填充剂，防止金属粘结的作用); 氯化铵（活化剂）。,6

25、.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(1)固体粉末渗铝 渗镀原理为： 2NH4Cl - 2HClN23H2 6HCl2Al - 2AlCl33H2 FeAlCl3 - FeCl3Al 该方法不仅可在钢铁件上渗镀，在镍基、钴基高温合金上渗镀，还可在钛合金、铜合金及钼、铌等难熔金属上渗镀。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(2) 液体浸铝( 热浸铝) 液体渗铝就是把预处理过的工件浸入熔融的铝浴中，经保温一定时间取出，使其表面渗入一层铝。 主要用于镀铝钢板、钢管、钢丝及某些钢铁制品的生产，以提高这些制品的耐蚀性及耐热性。 Al的熔点为660，所以热浸铝的温度一般在700

26、-850左右。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,(3) 膏剂渗铝（料浆渗Al） 将渗铝剂用有机溶剂调制成糊浆状，涂刷或喷涂在工件表面上，在120以下进行烘干，再加热至1000左右，保温13小时即可获得渗铝层。 (4) 喷镀渗铝 将铝丝热喷涂于工件上，构成附着牢固的覆盖层，再在8001000温度下进行5小时的扩散退火，使Al扩散到工件表层内而形成合金层。 (5) 气体渗Al 在封闭的贯通式炉或井式炉中进行的，渗Al气氛为铝的卤化物，反应机理基本同固体粉末法。气氛可从炉外通入也可在炉内制取。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,（七）渗钒 渗钒主要是在表面形成VC，

27、提高耐磨性。硬度可达3000-3300HV 。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,五、渗其他元素 1. 渗硅 钢铁渗硅后可以获得优良的耐热性、耐酸性、耐磨性。 组织：带有孔隙的含硅固溶体。硬度：175-230HV。 通过减磨提高耐磨性。 在750以下有好的抗氧化性，但高温抗氧化性不如渗铬、渗铝。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,渗硫 是通过硫与金属工件表面反应而形成FeS薄膜的化学热处理工艺。经过渗硫处理的工件，其硬度较低，但减摩作用良好，能防止摩擦副表面接触时因摩擦热和塑性变形而引起的擦伤和咬死。,6.3 金属表面化学热处理,第六章 表面改性技术,硫氮共渗、

28、硫氮碳共渗是将硫、氮或硫、氮、碳同时渗入金属工件表层的化学热处理工艺。采用渗硫工艺时，渗层减摩性好，但在载荷较高时渗层会很快破坏。采用渗氮或氮碳共渗工艺时，渗层有较好的耐磨、抗疲劳性能，但减摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共渗工艺，可使工件表层兼具耐磨和减摩等性能。,硫氮共渗、硫氮碳共渗,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子化学热处理 离子化学热处理是最为先进的化学热处理技术。该技术是将工件置于低压容器内，利用低压气体放电将气体电离，在电场作用下，带电离子轰击工件表面，使其温度升高，利用热扩散实现原子渗的一种化学热处理方法。20世纪30年代，德国学者B.Berghous首先采用此工艺进行

29、了渗氮处理，并取得了第一个离子渗氮发明专利。目前，该技术已经可以用于任何金属和非金属元素，如碳、氮、硅、硼、硫等非金属元素以及铝、钒、钛、钨、钼等非金属元素。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,一、等离子体的物理概念 通常物质呈现三种状态，即固态、液态、气态。物质的状态是可以变化的，在一定温度和压力条件下固、液、气三态的相互转变早已为人们所熟知。,若采取某种手段，如加热、放电等，使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度达到一定数值时，物质状态便又出现新变化，这时的电离气体己不再是原来的气体了。而是由离子、电子和中性粒子组成的集合体（等离子体）。,6.4 等离子体表面处理,第

30、六章 表面改性技术,这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质聚集态。按聚集态的顺序，列为物质第四态。 鉴于无论部分电离还是完全电离，其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,这种电离气体与普通气体有着本质区别： 首先，它是一种既能导电而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电的中性； 其二，气体分子间并不存在静电磁力，而电离气体中的带电粒子间存在库仑力，由此导致带电粒子群的种种集体运动； 再者，作为一个带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配等。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,等离子体的产生：,产生

31、等离子体的方法很多，但其主要着重点是使中性粒子电离： (1) 利用电子碰撞法：在低压气体中，总存在有自然电子。这些自然电子在外加高压电场的作用下，被加速并获得足够的能量，与中性粒子发生碰撞并使之电离，电离所产生的电子也会被电场加速与其他中性粒子碰撞并使之电离。从而产生雪崩式电离形成等离子体。在离子渗氮、渗碳、渗硼等工艺中就是利用该方法获得等离子体的。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,等离子体的产生：,产生等离子体的方法很多，但其主要着重点是使中性粒子电离： (2) 利用粒子热运动法将中性气体加热到很高温度，使得分子和原子的热运动加剧，从而产生碰撞，使之离解为离子和电子。 (3)

32、 利用电磁波能量，如用光、X射线、射线等，使气体电离获得等离子体。 (4) 利用高能粒子的方法、如核聚变所用的方法获得等离子体。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,按照产生的形式，等离子体可以分为： (1) 天然等离子体 宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如恒星星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层等。太阳本身就是一个灼热的等离子体火球。 (2) 人工等离子体 如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。等离子体炬（焊接、新材料制备、消除污染）中的电弧放电等离子体。气体激光器及各种气体放电中的电离气体。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子轰击固体表面的物理、化

33、学现象,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,二、离子渗氮 离子氮化设备主要由真空氮化炉、抽真空系统、供气系统、电控系统、测温系统等组成。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,工艺原理 离子氮化是在密闭的真空炉内，将清洗后的被渗工件放置在阴极盘上（或吊挂在阴极挂具上）。将真空炉抽真空至一定的真空度（6Pa）后，充入一定流量的含氮气体，如氨气、氨热分解气或以一定比例混合的氮氢混合气，并将气压保持在1.331021.33103Pa左右，在阴极（工件）和阳极（真空室壳）之间施加4001000V左右的直流电压，将含氮气体电离成N+、H+和电子，并产生辉光放电现象。在高压电场作用下

34、，N+、H+在电场的作用下以很大的速度轰击工件表面，将动能转化为热能，把工件表面加热到所需渗氮温度，与此同时，氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成渗氮层。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,常用离子氮化工艺参数范围： 氮化温度450-650； 气压1.331021.33103Pa； 放电电压400800V； 电流密度0.55mA/cm2；氮化时间根据工件的材质、氮化温度以及要求的渗氮层深度，为十分钟几十小时。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子对工件表面的轰击作用： （1）将工件表面的Fe、C、O原子打出，破坏了金属表面的氧化膜。 (2) 激发了工件表面的二次电子

35、发射。 (3) 在工件表面形成5-10m的厚的位错层。,图3-1 离子氮化原理图3,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,氮的渗入机理： J.Klbel的溅射和沉积理论： 在离子轰击作用下，从阴极表面溅射出铁原子，与阴极附近的活性氮原子结合形成FeN, 由于背散射效应，一部分FeN又沉积到工件表面，在离子轰击和热激活的作用下，氮化铁发生分解： FeN Fe2N + N Fe2N Fe3N + N Fe3N Fe4N + N,图3-1 离子氮化原理图3,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,氮的渗入机理： (2)M.Hudis的分子离子化理论 (3) Tibbetts的中性氮

36、原子轰击理论 (4) 徐冰冲的碰撞离析理论,图3-1 离子氮化原理图3,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子氮化和气体氮化的优点： 1渗氮速度快。获得相同的氮化层厚度，离子氮化的保温时间仅为气体氮化的1/3-1/5。 2省电、省气，节约能源。采用离子轰击作用加热工件，无需外加热源，节省电能。离子渗氮的气压低，渗氮过程中进气量小，如采用氨气作为工作气体时，氨气用量仅为气体渗氮的1/5-1/10。 3氮化层结构可控。采用氮氢混合气作为工作气体时，通过有效控制氮氢含量比，可以控制氮化层的成分及组织结构，获得脆性小的单相层或韧性较好的单相化合物层或仅有扩散层。气体渗氮很难达到这一点。,

37、6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子氮化和气体氮化相比的优点： 4非渗氮面屏蔽方法简单。在不需渗氮部分可采用机械屏蔽，如覆盖一层铁皮，无需采用气体渗氮中镀锡或镀铜的方法，屏蔽方法简单方便。 5对不锈钢不用去钝化膜处理。对不锈钢制品，不用象气体渗氮那样在渗氮前对工件进行喷沙或酸洗除去致密的氧化模， 可以在渗氮开始的阴极溅射作用下除去钝化膜。简化工序，节省劳动力。 6无公害，工作环境好。与气体渗氮和盐浴渗氮不同，离子氮化的最大特点是不使用造成公害的物质，仅使用少量的氨气或氮气、氢气，对环境无危害。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,三离子渗碳 离子渗碳与离子氮化一样，

38、也是在真空状态下，以工件为阴极，真空室壳为阳极，在阴极与阳极之间施以直流电压，将渗碳气体电离，产生辉光放电。在电场作用下碳离子轰击工件表面，把工件表面加热并被表面吸收然后向内部扩散。 与离子氮化不同的是，离子渗碳需要900以上的高温，仅靠离子轰击加热很难达到如此高的温度，因此，在离子渗碳炉内通常要附加一个热源（如采用炉内电阻辐射加热）。此外，离子渗碳还要附设一套真空淬火设备，以便渗碳后及时进行淬火。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子渗碳介质： 离子渗碳采用的渗碳介质为甲烷CH4或丙烷C3H8。由于直接将甲烷或丙烷通入炉内渗碳时易产生炭黑，特别是丙烷，一般多以氢气或氩气作为载

39、气，以1：10(体积比)将甲烷或丙烷稀释后作为渗碳介质。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子渗碳的特点： 1. 渗碳效率高。在等离子体放电空间，碳原子及碳离子的活性大，供碳能力高，离子渗碳效率高达55%，而真空渗碳效率为20%，一般气体渗碳效率为1020%。 2渗速快。离子渗碳时高的供碳能力以及离子轰击对碳原子扩散的促进作用加快了渗碳速度，离子渗碳的速度比气体渗碳快1/2-2/3。 3. 表面状态好，渗层质量高。离子渗碳时工件在真空中加热，气体中不含O2和H2O，所以经离子渗碳的零件表面不氧化，无炭黑附着，更不出现内氧化等缺陷，渗碳层致密性好，表面清洁光亮。,6.4 等离子体

40、表面处理,第六章 表面改性技术,离子渗碳的特点： 4渗碳量容易控制。通过调节渗碳气体流量和气体中甲烷或丙烷的分压可以精确控制表面渗碳量。 5零件变形小。由于离子渗碳供碳能力高，渗速快，高温停留时间短，渗碳后零件变形小。 6离子渗碳件具有较常规渗碳件更高的耐磨性和疲劳强度。 7省能，无公害。离子渗碳渗速高，渗碳时间短，降低了电的消耗，成本比真空渗碳每公斤降低33%。离子渗碳气压仅为真空渗碳的百分之一，减少了甲烷、丙烷的用量，废气排除少，对环境无污染。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子氮碳共渗： 离子氮碳共渗是在离子渗氮的温度下对基体表面进行的以渗入氮原子为主，碳原子为辅的一种

41、化学热处理工艺，又称软氮化。由于碳的存在可促进渗氮速度，离子氮碳共渗在较短的时间内可获得与离子渗氮相近的性能。在离子化学热处理中，离子氮碳共渗是仅次于离子渗氮而获得广泛应用的热处理工艺，常用于提高齿轮、轴、活塞环、阀片、模具、刀具等产品的表面耐磨性能。 离子氮碳共渗通常以氨气或氮氢混合气为渗氮介质，以乙醇（C2H5OH）、丙酮（CH3COCH3）、甲烷CH4或丙烷C3H8为渗碳介质。工艺参数为温度560600，时间14h。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子碳氮共渗： 离子碳氮共渗是在低于离子渗碳的温度下（780880）对基体表面进行的以渗入碳原子为主，氮原子为辅的一种化学热

42、处理工艺。离子碳氮共渗介质主要有供碳剂（甲烷、丙烷或丙酮）、供氮剂（氮气或氨气）、以及起还原和稀释作用的氢气。氮气的体积分数一般为30以上，氨气的体积分数一般为14。 离子碳氮共渗层具有比渗碳层更高的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性；处理温度低，晶粒不易长大，变形倾向小；碳氮共渗层比渗氮层具有较高的抗压强度和较低的脆性碳氮共渗后，共渗表层含碳量为0.7%1.0%，含氮量为0.15%0.5%。由于碳氮共渗温度比渗碳温度低，共渗后就可直接淬火，然后再低温回火。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子碳氮共渗： 碳氮共渗适用于基体具有良好韧性，而表面硬度高、耐磨性要求好的模具零件。塑料模

43、、陶瓷模中的凸模、凹模和型芯等型腔部位零件以及冲裁模的凸模和凹模等零件，其中有些适合采用碳氮共渗处理。如45钢制切边模，820碳氮共渗4小时，淬火并180回火，表面硬度970HV，使用寿命可达16000件，与Cr12MoV 钢制的同样模具经类似处理后的使用寿命相等。柴油机壳体拉深凹模采用球墨铸铁QT600-3制造，气体碳氮共渗后，凹模表面硬度为760850HV，并有石墨存在，因而既有良好的耐磨性，又有良好的润滑及减摩擦作用，可使模具的粘着磨损减少到最低程度，从而可大大提高模具的寿命。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子渗硫 离子渗硫是在等离子场中对基体表面进行渗硫的一种化学热

44、处理工艺。将经强化处理后的工件放在离子渗氮炉内，通入含硫介质（CS2、H2S）或用加热方法将硫磺升华而获得的含硫气氛，接通阴极（工件）和阳极间的直流电源，当放电电压大于500V时，电离出C+、S+、H+，发出灰白色的辉光，在150300即可进行离子渗硫1。 由于硫原子半径很大，在-Fe中的溶解度仅为0.02%，且硫在低温下扩散十分困难，因此离子渗硫后几乎没有扩散层，主要形成的是硫化亚铁FeS的化合物层。FeS为六方点阵结构，质软、呈多微孔的鳞片状、剪切抗力低、易滑移，在工件表面可起到减摩、抗咬合的作用。离子渗硫处理温度低，因而不影响工件原有硬度，不产生变形。,6.4 等离子体表面处理,第六章

45、表面改性技术,离子渗硫 离子渗硫是在等离子场中对基体表面进行渗硫的一种化学热处理工艺。将经强化处理后的工件放在离子渗氮炉内，通入含硫介质（CS2、H2S）或用加热方法将硫磺升华而获得的含硫气氛，接通阴极（工件）和阳极间的直流电源，当放电电压大于500V时，电离出C+、S+、H+，发出灰白色的辉光，在150300即可进行离子渗硫。 由于硫原子半径很大，在-Fe中的溶解度仅为0.02%，且硫在低温下扩散十分困难，因此离子渗硫后几乎没有扩散层，主要形成的是硫化亚铁FeS的化合物层。FeS为六方点阵结构，质软、呈多微孔的鳞片状、剪切抗力低、易滑移，在工件表面可起到减摩、抗咬合的作用。离子渗硫处理温度低

46、，因而不影响工件原有硬度，不产生变形。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,离子渗硫 许多模具，如拉深、挤压模等常在干摩擦的条件下工作，因此要求具有较小的摩擦系数。渗硫可以在钢铁材料表面生成很薄的薄膜，以降低摩擦系数，提高抗咬合性能。 经渗硫以后的模具材料，表面硬度可以达70100HV，渗层具有良好的减摩性和抗咬合能力。如用Cr12钢制M8螺帽模具，经固体渗硼处理后寿命为2500030000次；在渗硼的基础上进行离子渗硫处理，寿命达到100000次，而且克服了粘模的现象；而采用常规淬火、回火工艺，使用寿命只有3000多次。用Cr12钢制照相机后盖板模具，在未渗硫时冲压78个零件后就

47、要发生粘模和拉伤零件的现象，经渗硫后的模具在冲压1500个零件后未发生粘模现象。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,双层辉光离子渗金属技术： 在离子氮化设备的真空容器中，设置一源极。在源极和阳极之间及工件与阳极之间各设一个可控直流电源。当真空室充入一定的氩气后，接通电源，在源极与阳极之间、工件与阳极之间产生两组辉光放电现象（即双层辉光放电现象）。利用辉光放电所产生的氩离子轰击源极，使欲渗合金元素由源极表面被溅射出来，通过空间输运到达工件表面并被工件表面吸附，在高温下向内部扩散形成具有特殊物理化学性能的合金层。,四离子渗金属,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,双层辉光离子渗金属技术应用：,四离子渗金属,在可导电材料表面形成具有特殊物理化学性能的合金层。例如在普通碳钢表面形成高速钢、不锈钢和镍基合金等。在钛及钛合金表面形成各种耐磨、耐蚀、抗高温氧化的合金层等。,6.4 等离子体表面处理,第六章 表面改性技术,四离子渗金属,双层辉光离子渗金属技术具有节约贵金属，节省能源、无公害，并可大面积处理及表面合金成份可控等显著优点。已成功地应用于手用锯条，机用锯条，大型钢板，化工用阀门及液体泵，钢窗附件以及汽车排气阀等。是一项有广阔应用前景的表面工程技术。,