金属渗透技术及其应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：渗金属是采用加热扩散，使一种金属或多种金属渗入工件表面，形成表面合金层的方法，分为直接扩散法和涂层渗法两种。铝铁合金中铝的质量分数一般应高于50%。此外，氧化铝在配料前必须经1150～1200℃保温4h处理，避免渗剂与工件产生粘结和氧化现象。图2-43 保温时间与渗铝层深度的关系1—900℃2—1000℃注：渗剂成分为99.5%铝铜铁合金粉+0.5%NH4Cl。新箱首次使用时，为避免内壁吸收铬原子造成的影响，应减少工件装入量或先进行一次预渗铬处理。

渗金属是采用加热扩散，使一种金属或多种金属渗入工件表面，形成表面合金层的方法，分为直接扩散法和涂层渗法两种。

下面主要介绍固体渗铝、固体粉末渗铬、固体渗钒。

1.固体渗铝

固体渗铝剂一般由三部分组成：①供铝剂，是提供铝原子的原料，主要采用铝粉、铝铁合金或铝铜铁合金粉。粉剂的粒度一般应在70～100目。工件表面要求比较光滑时，粒度要更细些。铝铁合金中铝的质量分数一般应高于50%。②催渗剂（活化剂），主要采用卤化物，如氯化铵、氟化钠、氟化氢钾和氟化铝等。催渗剂用量可根据渗铝件具体要求而定，通常加入的质量分数为0.5%～4%；③填充剂，是起稀释和防止粘结作用的原料。主要采用氧化铝（A1₂O₃）、高岭土或白粘土等。

渗铝剂的配制方法为：供铝剂经过仔细粉碎过筛，然后掺入规定数量的活化剂和填充剂，用混料筒或机械搅拌机搅拌数小时，经化验法鉴定混合均匀度。配制好的渗铝剂一般应在4h内使用；否则，应封装在聚乙烯袋内，以免受潮。所有的添加剂在混合前均应烘干。为了获得满意的效果，铝铁合金粉在混合前可进行焙烧处理，即在其中掺入氯化铵（质量分数为1%～2%），混匀后装箱，于950～1050℃保温2～4h后出炉空冷。焙烧处理可以活化表面。此外，氧化铝在配料前必须经1150～1200℃保温4h处理，避免渗剂与工件产生粘结和氧化现象。

固体渗铝的主要工序是：工件表面清理→装箱→渗铝→均匀化退火。实际工艺操作工程如下：

（1）装箱渗铝工件的装箱方法和工件在箱中的位置情况，与固体渗碳和渗硼时大致相同。装有露出箱体的随炉试样，检测渗铝效果或决定出炉时间。渗铝剂使用后铝的贫乏程度和应补充的新渗剂量见表2-27。

表2-27 渗铝剂使用后铝的贫乏程度和应补充的新渗剂量

①均按比例补充NH₄Cl。

（2）渗铝温度的选择一般常用的渗铝温度为850～1050℃。温度低，则渗铝速度慢，渗铝层深度浅，铝含量高，脆性大；温度太高，则工件晶粒急剧长大，力学性能明显变坏，还给操作和设备带来许多困难。

对于薄壁工件，为防止其被渗透、变形和表面产生裂纹，选择低于950℃渗铝；若工件厚度小于1.5mm时，通常只能低于900℃渗铝；大型和不易变形的渗铝工件采用1050℃渗铝。

加热温度与渗铝层深度的关系见图2-42。

3）渗铝时间的确定渗铝时间一般根据渗层深度要求、渗铝剂成分和渗铝温度而定。保温时间与渗铝层深度的关系见图2-43。

图2-42 加热温度与渗铝层深度的关系

注：渗剂成分（质量分数）为99.5%铝铜铁合金粉+0.5%NH₄Cl，保温6h。

图2-43 保温时间与渗铝层深度的关系1—900℃2—1000℃

注：渗剂成分（质量分数）为99.5%铝铜铁合金粉+0.5%NH₄Cl。

（4）冷却渗铝工件应随炉冷却，箱体内工件实际温度达到150℃以下再开箱，避免表面颜色不美观。对于高温合金，外观应呈玫瑰红色，允许小范围的浅蓝色和少量白斑，但不允许有局部绿色出现。

（5）渗铝后处理渗铝后表面铝含量很高，其质量分数可达40%～50%，使渗层很脆。为了减小脆性，降低表面铝含量，渗铝工件还要进行一次均匀化退火。退火温度一般等于或稍高于渗铝温度，约为950～1050℃。保温4～6h。经均匀化退火后渗铝层深度有明显增加。均匀化退火应在保护气氛（氢气或氩气）或真空中进行。均匀化退火前应将表面清洗干净。退火最好冷到150℃以下再出炉。一些在不太高温度下使用的重要工件，为细化其心部晶粒，退火后最好再进行一次短时间正火，一般在870～890℃，保温15～60min。薄壁工件在退火或正火时，应防止铝扩散到整个截面，而使工件变脆。这类工件的正火温度一般为650～750℃，保温时间为30～60min。常用粉末渗铝剂成分和工艺参数见表2-28。

表2-28 常用粉末渗铝剂成分和工艺参数

2.固体粉末渗铬

固体粉末渗铬法也称包装法，国外又称D.A.L法。这种方法的实质是将工件埋入由供铬剂（铬粉或铬铁粉等）、催渗剂（卤化物等）和填充剂（Al₂O₃或SiO₂等）组成的渗铬剂中，放在高温的密封容器中发生反应，形成富铬的渗层。常用的固体粉末渗铬剂成分和工艺条件见表2-29。

表2-29 常用固体粉末渗铬剂成分和工艺参数

供铬剂和填充剂的粒度应控制在100～200目。填充剂要经过高温焙烧脱水。渗剂烘干后应立刻装箱使用或密封保存。

渗铬剂配制好后，在装箱前应经150～200℃烘烤。

由于工艺消耗，渗铬剂铬含量降低，一般重复使用4～5次后，应补加20%新渗剂，卤化铵按渗剂总量及配比追加。

对粉末冶金工件，为了防止卤化物沿空隙渗入表层，不便清洗，造成腐蚀，可以采用不含卤化物的渗剂。其工艺方法是，在粉末件压制成形后，将工件埋入渗铬剂进行烧结处理，同时完成表面渗铬。例如，用7×10⁸Pa的压力将铁粉压制成工件，然后埋入成分（质量分数）为铬粉55%和三氧化二铝45%的渗剂中，在氢气保护下于1200℃处理2h，可获得110μm厚的渗层。

固体渗铬的主要工序是：表面活化处理→装箱→渗铬→清理。

（1）渗铬箱渗铬箱用耐热钢制作，连续焊缝，密封必须绝对可靠，要严格防止渗铬时和随后冷却时外界气体接触渗铬剂和工件。渗铬箱可以用水玻璃加耐火泥或低熔点硅酸盐密封，亦可将渗铬罐焊牢引出导管通保护气体。

新箱首次使用时，为避免内壁吸收铬原子造成的影响，应减少工件装入量或先进行一次预渗铬处理。

（2）活化处理装箱前工件必须进行活化处理。活化方法一般采用硝酸或盐酸浸泡，然后用清水和沸水先后冲洗干净，再在热风中吹干。这可大大增加表面活性，加快渗铬速度。有些材料（如高温合金）在渗铬前为避免制造过程中表面脱碳所带来的影响，需要对工件表面进行增碳处理：（910±10）℃×20min。渗碳前后均应清理工件表面。

（3）渗铬温度和保温时间可根据工件材料和要求的渗层深度等因素确定。通常，w（C）在0.3%以下的低碳钢和低合金钢的渗铬温度采用950～1100℃，中碳钢、高碳合金钢、合金铸铁[w（C）<1.5%]和可锻铸铁采用900～1000℃，高碳钢和普通铸铁采用800～950℃。渗铬温度和时间对渗层深度的影响见图2-44。

图2-44 渗铬温度和时间对渗层深度的影响

a）温度的影响（6h） b）时间的影响（1050℃）

（4）冷却渗铬后应随炉冷却到200℃以下，再置于空气中冷却。

（5）渗铬后清理由于渗剂粘结，会使工件表面平面度有所变化，故必须进行清理。可用三角形的陶瓷磨料加水在滚筒中滚磨抛光数分钟。表面干净光滑后，用水汽枪喷洗或在流动冷水中清洗后再行吹干或烘干。

（6）渗铬后处理为了提高工件心部强度，改善其力学性能，在渗铬后常进行正火、淬火、回火等处理。这些处理对渗铬层没有影响。

渗铬件尺寸的胀大量约渗铬层厚度的1/3。渗铬后尽量避免磨削加工，可进行抛光、研磨。

心部强度要求不高时，对于低碳钢渗铬件、渗铬钢带等渗后不必进行热处理。

（7）渗铬层的硬度w（C）为0.25%的碳钢，渗铬后表面硬度为1300～1600HV，而w（C）为1.0%～1.2%的碳钢，渗铬后表面硬度为1750～1800HV。由于碳化铬具有高硬度，耐磨系数也较低，因此耐磨性能优良。

3.固体渗钒

渗钒在生产中用来提高工模具性能，减少材料消耗，提高生产率和节约能源。常用渗钒剂成分和工艺参数见表2-30。

表2-30 常用固体粉末渗钒剂配方和工艺参数

注：所得渗层深度是1Cr18Ni10Ti钢经1050℃×3h处理后的结果。

在渗钒处理过程中尺寸胀大，与渗层深度有关，一般可以合理地调整加工余量来补偿。精密工件不宜渗钒。

w（C）大于0.4%的碳钢和w（C）小于0.3%的合金钢，原则上适用于渗钒。碳化物层塑性很小，使用过程中基体材料即使产生少量塑性变形，都会使碳化物层产生显微裂纹。为此，基体材料要选择淬透性好的材料。

碳化物型渗层的表面粗糙度与处理前变化不大。由于渗层只有5～20μm，难加工，因此处理前必须加工到要求的表面粗糙度，渗后只能进行抛光。

渗钒后要进行淬火、回火等强化处理。工件淬火温度高于渗钒温度的，可在渗后继续升温后淬火；淬火温度低于渗钒温度的，应在渗钒后空冷，随之进行细化晶粒（或球化）退火，然后再加热淬火。加热应在中性盐浴中进行，以免降低渗钒层性能。钢件经渗钒后，渗层由白亮层（VC）和黑色的过渡层（α+VC）组成。碳化物层的厚度随钢中w（C）增至0.47%，先是增加，而后减小。碳化物层有极高的硬度，一般均超过2000HV，并且渗层中有很高的残留压应力，因而渗钒层有极好的耐磨性。此外，渗钒层还有较好的耐介质腐蚀性能和耐空气腐蚀性能。不过，渗钒前后钢件在900～1100℃的热稳定性是相同的，在37%（质量分数）HCl中的耐蚀性也没有提高。

金属渗透技术及其应用

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