钢铁表面渗金属工艺及效果分析

时间：2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：通过表层渗入金属原子，改变工件表层的化学成分，从而改善其表面耐磨性和耐蚀性，提高其服役寿命。钢铁表面渗金属工艺包括渗钒、渗铝、渗钛等。图5-12~图5-17为模具钢表面在不同工艺下渗钒后的组织形貌。表面渗钒层连续、均匀而致密。由于渗剂中钒含量不足，导致表面渗钒层组织不致密；同时，硼元素向钢铁内部扩散，形成铁硼化合物。

钢铁表面渗金属工艺及效果分析

渗金属是在一定温度和介质条件下，使一种或多种金属原子渗入金属工件表层的化学热处理工艺。通过表层渗入金属原子，改变工件表层的化学成分，从而改善其表面耐磨性和耐蚀性，提高其服役寿命。钢铁表面渗金属工艺包括渗钒、渗铝、渗钛等。

渗钒是将工件置于能产生活性钒原子的盐浴中，在一定温度下保温适当的时间，使钒渗入工件表面并形成碳化钒的化学热处理过程。在一定温度下，将金属工件放在含有钒元素的渗剂中，渗剂热分解所产生的活性钒原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层形成VC，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。与渗非金属原子C、N、B相比，V原子的直径大，以空位扩散为主要机制的扩散激活能高，一般须在较高温度下进行，扩散速率低，因此渗层浅。渗钒后金属具有较高的抗高温氧化能力和耐蚀性，能分别适应不同的环境介质。

渗金属的方法主要有固体法（如粉末包装法、膏剂涂渗法等）、液体法（如熔盐浸渍法、熔盐电解法、热浸法等）和气体法。钒可单独渗入，也可几种共渗，还可与其他工艺（如电镀、喷涂等）配合进行复合渗，如铬铝共渗、铬铝硅共渗、钴（镍、铁）铬铝钒共渗、镀钽后的铬铝共渗、镀铂（钴）渗铝、渗层夹嵌陶瓷、铝-稀土共渗等。

渗钒是热扩散法（Thermal Diffusion，TD）盐浴渗金属技术的一种，具有理论成熟，工艺稳定，处理效果好和价格低廉的特点。该工艺所形成的覆层在常温下具有良好的稳定性，具有优异的抗磨损能力，在冷作模具和零件的表面强化中应用效果良好。TD法盐浴渗钒获得的覆层与基体结合力强于物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）等方法获得的结合力，覆层耐磨性能优异。不过，由于TD法渗钒的温度高，处理过程中的变形是个不容忽视的问题。图5-12~图5-17为模具钢表面在不同工艺下渗钒后的组织形貌。

渗铝是一种使金属铝原子渗入金属工件表层的化学热处理工艺。钢铁和镍基、钴基等合金渗铝后，能提高抗高温氧化能力，提高在硫化氢、含硫和氧化钒的高温燃气介质中的耐蚀性。因此渗铝广泛应用于化工、冶金、建筑部门使用的管道、容器，能节约大量不锈钢和耐热钢。渗铝的方法很多，冶金工业中主要采用热浸、静电喷涂或电泳沉积后再进行热扩散的方法，大量生产渗铝钢板、钢管、钢丝等。低碳钢工件渗铝后可在780℃下长期工作。18-8型不锈钢和铬不锈钢渗铝后，在594℃硫化氢气氛中，耐腐蚀能力比未渗铝的大大增加。760℃时在含铅燃料燃烧产物的腐蚀下工作的汽车排气阀，或是在900℃下工作的燃气轮机叶片，渗铝后的耐蚀性都有明显增加。

渗铝过程中，铝和铁会发生相互扩散，从而形成包含以下七部分的渗层：渗层表面主要成分是FeAl₂和少量的Fe₂Al₅及FeAl₃。这层的铝含量为45%（质量分数）左右（此层仅在热浸渗铝层中存在，在固体粉末包埋的渗铝层中一般不存在）。第二层主要成分是FeAl、这层铝含量为32%（质量分数）左右。第三层主要成分是Al₄C₃相，灰色棒状。第四层主要成分是Fe₃Al，这层铝含量在14%（质量分数）以下。第五层Al在α-Fe中的固溶体，铝含量在10%（质量分数）以下。第六层为贫碳区。第七层为富碳区。渗铝层分为以上七层仅为理论上的表述，在实际上有些层可能不存在，有些即使存在，层间也没有明显界限。图5-18即为灰铸铁表面渗铝后的组织，图5-19是球墨铸铁表面镀铬后的组织。