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　　將金屬或非金屬(溶質(zhì)原子)沉積在基體金屬(溶劑原子)表面上，通過(guò)擴散作用滲入到基體金屬的表面內，改變表面的化學(xué)組成及相結構，從而改變表面的物理-化學(xué)性能，以滿(mǎn)足設計-制造者和使用者對某些性能的要求，這就是滲金屬和滲其他元素的目的。

　　這種工藝使材料表面元素組成更多樣化，更符合使用要求，又稱(chēng)表面合金化。

　　滲金屬有以下特點(diǎn)：

　　(1)滲層-基體界面化學(xué)成分呈連續梯度變化，因而表層和基體結合良好;

　　(2)其工藝過(guò)程可以不影響基體材料的結構，因而不影響其物理-力學(xué)性能;

　　(3)滲層-基體材料的組合，實(shí)際上是一種復合材料，可以克服基體材料的某些缺點(diǎn)，得到更好的綜合性能。

　　滲層和其他涂層、鍍層的主要區別是滲層由滲入元素在基體合金元素的基礎上組成，滲層的表面即基體材料的表面，對被滲零件的幾何形狀和尺寸影響很小。滲金屬是滿(mǎn)足產(chǎn)品結構-性能對材料日益復雜、苛刻要求的有效手段之一。

　　滲金屬技術(shù)的發(fā)明應用始自19世紀末，至今已有一百多年的歷史。20世紀20年代以后應用日益廣泛，工藝技術(shù)不斷改進(jìn)發(fā)展，所用方法有粉末法、氣體法，到20世紀50年代后有料漿法，但這些方法都要用鹵化物作活化劑。

　　工藝過(guò)程中分解揮發(fā)的鹵化物氣體對環(huán)境的污染是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。

　　20世紀60年代以后，真空蒸發(fā)沉積技術(shù)應用日益廣泛，20世紀70年代以來(lái)，各種物理沉積技術(shù)迅速發(fā)展。因此，20世紀60、70年代有了真空蒸鍍滲鋁(二步法)并獲得應用，20世紀80、90年代陰極電弧沉積滲金屬和陰極濺射沉積滲金屬工藝(一步法)和專(zhuān)用設備相繼出現，不僅徹底消除了污染，而且使單元的或多元的滲金屬更加容易和方便。

　　滲金屬有兩個(gè)基本過(guò)程：滲入元素(溶質(zhì))在基體材料(溶劑)表面上的沉積，以及滲入元素向基體材料表層內的擴散，這是兩個(gè)獨立又相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程，往往同時(shí)進(jìn)行。沉積過(guò)程影響擴散過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程對滲層的形成和結構有決定性的作用。

　　(1)沉積

　　沉積方法有：化學(xué)和電化學(xué)沉積、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、熱浸和熔燒等。也可以用熱噴涂技術(shù)，但很少。

　　最早用以滲金屬的粉末法及隨后的氣體法、料漿法(擴散型)，其沉積過(guò)程都是以化學(xué)氣相沉積為原理的。

　　粉末法滲金屬可能是化學(xué)氣相沉積技術(shù)的最早應用。這三種方法使沉， 積和擴散一次完成，實(shí)現了沉積和擴散的最佳結合。

　　熱浸和熔燒伴隨著(zhù)有擴散，滲金屬可以一步完成。

　　化學(xué)和電化學(xué)沉積的過(guò)程，不伴隨擴散，滲金屬要兩步完成，但是熔鹽電解沉積的過(guò)程，溫度較高，伴隨著(zhù)擴散。

　　初期的物理氣相沉積滲金屬，一般要有專(zhuān)門(mén)的擴散步驟，兩步完成。隨著(zhù)物理氣相沉積技術(shù)的發(fā)展，20世紀60年代以后，已有可能沉積與擴散一步完成;陰極電弧沉積滲金屬和陰極濺射沉積滲金屬工藝的出現，完全實(shí)現沉積和擴散過(guò)程同時(shí)完成。

　　用物理氣相沉積滲金屬，可以方便地控制滲層的成分和結構。和化學(xué)氣相沉積比較，物理氣相沉積的最大優(yōu)點(diǎn)是溫度易控制，速度快，很潔凈，對環(huán)境無(wú)污染。

　　(2)擴散

　　基體材料上沉積了滲入元素構成的滲入元素-基體材料的系統處于非平衡狀態(tài)，一定條件下就要發(fā)生質(zhì)量的遷移，向著(zhù)平衡狀態(tài)變化，這種使系統中各成分趨向均勻分布的過(guò)程就是擴散。

　?、贁U散定律

　　在兩個(gè)成分不同的金屬界面上，單位時(shí)間內通過(guò)單位面積的物質(zhì)量J(擴散通量)與垂直于界面的軸方向上的濃度梯度

　　成正比，即：

　　這就是擴散第一定律(費克第一定律)。其中D為擴散系數，單位為Cm2/s，負號表明擴散由高濃度向低濃度方向進(jìn)行。C為元素的濃度，是位置的函數。在濃度梯度一定的條件下，擴散速度主要取決于擴散系數。

　　當擴散處于非平穩狀態(tài)，即擴散通量隨時(shí)間而變化時(shí)，擴散遵守擴散第二定律：

　　當D與濃度無(wú)關(guān)時(shí)，上式可表達為：

　?、诨w合位中的擴散行為

　　滲入元素向基體合金中的擴散有三個(gè)途徑：表面、晶界和晶內。一般情況擴散速度是表面最快，晶界次之，晶內要慢得多。見(jiàn)圖晶體內各種擴散的路徑。

　　圖1 晶體內各種擴散的路徑

　　滲入元素向基體材料中的擴散首先是溶入基體合金，形成固溶體。當濃度超出固溶極限時(shí)，產(chǎn)生新相。這種產(chǎn)生新相的擴散稱(chēng)反應擴散。反應擴散形成的新相可借助溶質(zhì)元素-溶劑元素二元系相圖判斷確定。

　?、塾绊憯U散的因素

　　a.濃度梯度

　　擴散第一定律已經(jīng)表明濃度梯度是擴散得以進(jìn)行的前提，是擴散速度的決定性因素之一。從生產(chǎn)工藝角度考慮，濃度梯度決定于工藝過(guò)程中滲入元素的補充能力，對滲層成分、結構更具實(shí)際意義。

　　b.溫度

　　有了濃度梯度，溫度對擴散具有決定性的影響。溫度對擴散的影響可用下式表述：

　　式中

　　Do-擴散常數;

　　R-氣體常數;

　　E-擴散激活能;

　　T-熱力學(xué)溫度。

　　上式表明，溫度越高，原子的能量越大，擴散系數越大，越容易遷移。

　　c.時(shí)間

　　假定金屬表面滲入元素濃度恒定，擴散系數與濃度無(wú)關(guān)，滲層的深度與時(shí)間的關(guān)系如下：

　　X2 = Kt

　　式中

　　X-滲層深度;

　　K-系數;

　　t-時(shí)間。

　　即滲層深度(厚度)與時(shí)間的平方根或正比。在實(shí)踐中，上式表述了一般情況。

　　d.固溶體類(lèi)型

　　固溶體類(lèi)型不同，其結晶結構不同，因而在其中的擴散速度也不同。

　　例如，與鐵形成間隙固溶體的氮在α-鐵中的擴散速度比在γ-鐵中的大。類(lèi)似的，與鐵形成置換固溶體的鉬在α-相中的擴散速度也比在γ-相中大。這與在體心立方晶格中原子的活動(dòng)性較大有關(guān)。

　　e.基體合金的成分

　　基體合金的成分影響滲層的結構。當鋼內滲入能封閉γ-區的硅、鋁等元素時(shí)，鋼中的碳被由表面擠向中心，與此相反，當鋼內滲入能封閉γ-區的碳化物形成元素時(shí)，在鋼的表面形成一層碳化物相。

　　如鋼中滲鉻時(shí)，形成(Cr、Fe)7C3碳化物層。在滲入過(guò)程中，碳不斷地由金屬內部向表面擴散，即向著(zhù)與鉻相反的方向擴散。結果高碳鋼的表面碳化物層中碳含量可達5%～7%，而在滲鉻的擴散層下面總有一個(gè)貧碳區存在。

　　可見(jiàn)在滲金屬過(guò)程中，互擴散是常常發(fā)生的。

　　基體合金的成分也影響滲層的厚度。凡能封閉γ-區并易于與碳形成碳化物的元素，在奧氏體內滲入的深度隨鋼中碳含量的增加而急劇減少。這類(lèi)元素如鋁、鉬、鎢、鈦，它們與碳形成碳化物的親和力依次增大，對滲層厚度減小的作用也依次增大。

　　有的元素如硅、鋁，與鐵能形成封閉的γ區，但不形成碳化物，隨鋼中碳含量增加，它們在奧氏體中形成的滲層厚度也減少，但不如前者那么激烈。其原因顯然是奧氏體穩定性有了增加，不易在表面層形成α-固溶體。

　　總之，滲層的形成是滲入元素與基體材料的各元素的重新組合，其過(guò)程和結果取決于參與組合的各元素的性質(zhì)和互相作用。

　?、芑w合金表面以外的擴散

　　滲金屬過(guò)程中，除在上述基體合金中發(fā)生的固態(tài)擴散以外，例如在粉末法滲金屬中，在基體合金表面外發(fā)生氣態(tài)擴散。見(jiàn)圖2粉末法滲金屬氣態(tài)擴散和固態(tài)擴散示意圖。

　　這種氣態(tài)擴散先于固態(tài)擴散發(fā)生，它的擴散速度決定滲入元素的補充能力，影響滲層的成分、結構。

　　圖2 粉末法滲金屬氣態(tài)擴散和固態(tài)擴散示意圖

　　當鋼在HCI或H2+HCl的氣體介質(zhì)中滲金屬時(shí)，有脫碳發(fā)生。

　　鋼在粉末法滲金屬時(shí)，零件與金屬粉末接觸就會(huì )有脫碳發(fā)生。因此，在滲金屬中，在促成沉積-擴散產(chǎn)生的系統中，不僅有滲入元素向基體合金中的擴散，只要條件具備，也有基體元素向表面擴散，或與環(huán)境介質(zhì)的反應。

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