将金属或非金属(溶质原子)沉积在基体金属(溶剂原子)表面上

，通过扩散作用渗入到基体金属的表面内
，改变表面的化学组成及相结构
，从而改变表面的物理-化学性能，以满足设计-制造者和使用者对某些性能的要求，这就是渗金属和渗其他元素的目的
。

　　这种工艺使材料表面元素组成更多样化


，更符合使用要求，又称表面合金化。

　　渗金属有以下特点
：

　　(1)渗层-基体界面化学成分呈连续梯度变化，因而表层和基体结合良好;

　　(2)其工艺过程可以不影响基体材料的结构，因而不影响其物理-力学性能;

　　(3)渗层-基体材料的组合
，实际上是一种复合材料
，可以克服基体材料的某些缺点
，得到更好的综合性能


。

　　渗层和其他涂层、镀层的主要区别是渗层由渗入元素在基体合金元素的基础上组成，渗层的表面即基体材料的表面
，对被渗零件的几何形状和尺寸影响很小


。渗金属是满足产品结构-性能对材料日益复杂、苛刻要求的有效手段之一




。

　　渗金属技术的发明应用始自19世纪末


，至今已有一百多年的历史。20世纪20年代以后应用日益广泛，工艺技术不断改进发展
，所用方法有粉末法




、气体法

，到20世纪50年代后有料浆法，但这些方法都要用卤化物作活化剂

。

　　工艺过程中分解挥发的卤化物气体对环境的污染是一个严重的问题。

　　20世纪60年代以后，真空蒸发沉积技术应用日益广泛
，20世纪70年代以来
，各种物理沉积技术迅速发展





。因此


，20世纪60、70年代有了真空蒸镀渗铝(二步法)并获得应用




，20世纪80

、90年代阴极电弧沉积渗金属和阴极溅射沉积渗金属工艺(一步法)和专用设备相继出现，不仅彻底消除了污染
，而且使单元的或多元的渗金属更加容易和方便



。

　　渗金属有两个基本过程：渗入元素(溶质)在基体材料(溶剂)表面上的沉积
，以及渗入元素向基体材料表层内的扩散，这是两个独立又相互关联的过程
，往往同时进行

。沉积过程影响扩散过程



，这两个过程对渗层的形成和结构有决定性的作用
。

　　(1)沉积

　　沉积方法有：化学和电化学沉积
、化学气相沉积、物理气相沉积
、热浸和熔烧等

。也可以用热喷涂技术
，但很少


。

　　最早用以渗金属的粉末法及随后的气体法






、料浆法(扩散型)

，其沉积过程都是以化学气相沉积为原理的。

　　粉末法渗金属可能是化学气相沉积技术的最早应用

。这三种方法使沉， 积和扩散一次完成
，实现了沉积和扩散的最佳结合



。

　　热浸和熔烧伴随着有扩散，渗金属可以一步完成
。

　　化学和电化学沉积的过程，不伴随扩散

，渗金属要两步完成
，但是熔盐电解沉积的过程



，温度较高
，伴随着扩散
。

　　初期的物理气相沉积渗金属




，一般要有专门的扩散步骤，两步完成

。随着物理气相沉积技术的发展，20世纪60年代以后，已有可能沉积与扩散一步完成;阴极电弧沉积渗金属和阴极溅射沉积渗金属工艺的出现，完全实现沉积和扩散过程同时完成



。

　　用物理气相沉积渗金属，可以方便地控制渗层的成分和结构

。和化学气相沉积比较
，物理气相沉积的最大优点是温度易控制
，速度快


，很洁净
，对环境无污染。

　　(2)扩散

　　基体材料上沉积了渗入元素构成的渗入元素-基体材料的系统处于非平衡状态，一定条件下就要发生质量的迁移，向着平衡状态变化，这种使系统中各成分趋向均匀分布的过程就是扩散

。

　　①扩散定律

　　在两个成分不同的金属界面上


，单位时间内通过单位面积的物质量J(扩散通量)与垂直于界面的轴方向上的浓度梯度

　　成正比
，即

：

　　这就是扩散第一定律(费克第一定律)
。其中D为扩散系数
，单位为Cm2/s





，负号表明扩散由高浓度向低浓度方向进行
。C为元素的浓度，是位置的函数

。在浓度梯度一定的条件下，扩散速度主要取决于扩散系数

。

　　当扩散处于非平稳状态

，即扩散通量随时间而变化时，扩散遵守扩散第二定律：

　　当D与浓度无关时
，上式可表达为
：

　　②基体合位中的扩散行为

　　渗入元素向基体合金中的扩散有三个途径

：表面



、晶界和晶内

。一般情况扩散速度是表面最快，晶界次之，晶内要慢得多

。见图晶体内各种扩散的路径
。

　　图1 晶体内各种扩散的路径

　　渗入元素向基体材料中的扩散首先是溶入基体合金，形成固溶体
。当浓度超出固溶极限时
，产生新相。这种产生新相的扩散称反应扩散







。反应扩散形成的新相可借助溶质元素-溶剂元素二元系相图判断确定
。

　　③影响扩散的因素

　　a.浓度梯度

　　扩散第一定律已经表明浓度梯度是扩散得以进行的前提
，是扩散速度的决定性因素之一。从生产工艺角度考虑

，浓度梯度决定于工艺过程中渗入元素的补充能力






，对渗层成分




、结构更具实际意义

。

　　b.温度

　　有了浓度梯度



，温度对扩散具有决定性的影响

。温度对扩散的影响可用下式表述
：

　　式中

　　Do-扩散常数;

　　R-气体常数;

　　E-扩散激活能;

　　T-热力学温度
。

　　上式表明


，温度越高

，原子的能量越大




，扩散系数越大
，越容易迁移

。

　　c.时间

　　假定金属表面渗入元素浓度恒定





，扩散系数与浓度无关
，渗层的深度与时间的关系如下
：

　　X2 = Kt

　　式中

　　X-渗层深度;

　　K-系数;

　　t-时间


。

　　即渗层深度(厚度)与时间的平方根或正比。在实践中



，上式表述了一般情况
。

　　d.固溶体类型

　　固溶体类型不同
，其结晶结构不同
，因而在其中的扩散速度也不同
。

　　例如，与铁形成间隙固溶体的氮在α-铁中的扩散速度比在γ-铁中的大。类似的
，与铁形成置换固溶体的钼在α-相中的扩散速度也比在γ-相中大
。这与在体心立方晶格中原子的活动性较大有关
。

　　e.基体合金的成分

　　基体合金的成分影响渗层的结构
。当钢内渗入能封闭γ-区的硅
、铝等元素时，钢中的碳被由表面挤向中心，与此相反
，当钢内渗入能封闭γ-区的碳化物形成元素时，在钢的表面形成一层碳化物相
。

　　如钢中渗铬时，形成(Cr、Fe)7C3碳化物层
。在渗入过程中


，碳不断地由金属内部向表面扩散



，即向着与铬相反的方向扩散


。结果高碳钢的表面碳化物层中碳含量可达5%～7%，而在渗铬的扩散层下面总有一个贫碳区存在
。

　　可见在渗金属过程中，互扩散是常常发生的
。

　　基体合金的成分也影响渗层的厚度。凡能封闭γ-区并易于与碳形成碳化物的元素
，在奥氏体内渗入的深度随钢中碳含量的增加而急剧减少
。这类元素如铝


、钼
、钨


、钛，它们与碳形成碳化物的亲和力依次增大，对渗层厚度减小的作用也依次增大



。

　　有的元素如硅


、铝，与铁能形成封闭的γ区
，但不形成碳化物，随钢中碳含量增加
，它们在奥氏体中形成的渗层厚度也减少，但不如前者那么激烈。其原因显然是奥氏体稳定性有了增加
，不易在表面层形成α-固溶体
。

　　总之，渗层的形成是渗入元素与基体材料的各元素的重新组合
，其过程和结果取决于参与组合的各元素的性质和互相作用
。

　　④基体合金表面以外的扩散

　　渗金属过程中





，除在上述基体合金中发生的固态扩散以外
，例如在粉末法渗金属中，在基体合金表面外发生气态扩散
。见图2粉末法渗金属气态扩散和固态扩散示意图
。

　　这种气态扩散先于固态扩散发生

，它的扩散速度决定渗入元素的补充能力
，影响渗层的成分、结构
。

　　图2 粉末法渗金属气态扩散和固态扩散示意图

　　当钢在HCI或H2+HCl的气体介质中渗金属时
，有脱碳发生。

　　钢在粉末法渗金属时，零件与金属粉末接触就会有脱碳发生

。因此


，在渗金属中
，在促成沉积-扩散产生的系统中

，不仅有渗入元素向基体合金中的扩散，只要条件具备



，也有基体元素向表面扩散，或与环境介质的反应。

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