金属表面处理：热渗镀.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 热渗镀技术,6.1,概述及方法,定义,:,用加热扩散的方法把一种或几种元素渗入基体金属的表面，形成一扩散合金层，这种方法叫,渗镀,。所形成的镀层叫做渗镀层（简称渗层）或扩散渗镀层。,热渗镀材料的选择范围很宽，渗入不同元素可得到不同组织和性能的表面（如耐蚀，耐磨，耐氧化等）。,热渗镀的特点是：镀层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得镀层（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，镀层不宜脱落。,热渗镀方法很多，以与工件相接触的介质来分：有固渗、液渗和气渗，它们都属于直接渗镀方法；也可以联用其他涂层方法，可分为：电泳渗、膏剂渗、喷镀渗、电镀渗、化学镀渗和真空渗等,6.1.1,固渗法,1.,粉末包渗法,粉末包渗法是固渗中最普通的方法，也是历史最为悠久的渗镀法，至今国内外仍以此法的应用为最多。,这种方法很简单，就是把工件埋入装有欲渗金属粉末、防粘结粉末和活性剂的混合物（粉末渗剂）的容器中，然后密封容器高温加热即可。,在粉末包渗法中，一般都要在粉末中加入防粘结剂（如,Al,2,O,3,）和活化剂，这主要是为了避免烧结使得表面难以清理。活化剂一般为卤化物，如,NH,4,Cl,，,NH,4,Br,等。,以,NH,4,Cl,为例来看看其原理：,设,A,表示二价基体金属，,B,欲渗二价金属，则在加热时容器中会发生下列反应：,NH,4,Cl-NH,3,HCl,2NH,3,-N,2,3H,2,2HCl+B-BCl,2,+H,2,卤化物分解生成的,N,2,和,H,2,会排除容器内的空气，造成还原气氛，,HCl,和,B,反应生成,BCl,2,。,随着加热的进行，,BCl,2,气化，与基体金属反应，生成活性原子,B,BCl,2,+A-ACl,2,+B,活性金属原子,B,随后扩散进入基体金属的表面，与基体形成表面合金镀层。,优点是：设备简单，操作容易，适用于形状复杂的工件的渗镀。缺点是：尺寸和数量受限制，效率低，处理温度高，时间长，基体强度有所降低，并且粉尘使得劳动条件恶化。,2.,流化床法,将工件放于带有固体渗剂的流化床内，然后加热，同时通入卤气和运载气体（,H,2,，,Ar,），使之与流体粒子反应产生欲渗金属的活性原子渗入工件。,优点：传热性好，渗速快，渗层质量好，有利于机械化和自动化。缺点：设备成本高，运转费用高。,6.1.2,液渗法,1.,热浸法,（热镀）,将工件直接浸入某一液态金属中，经较短时间即形成合金镀层。当浸渍时间极短时，所形成的镀层只是附着层而不是扩散层，因而与基体金属结合不牢固，因此一般在热浸镀后还要加热使镀层进行扩散，以形成合金层。,优点：设备简单，容易操作，生产效率高。缺点：镀层厚度不易均匀，只适于渗镀熔点较低的金属。,2.,熔烧法,把渗镀金属或合金粉末加粘结剂后制成料浆，再将料浆均匀涂覆于工件表面，干燥后在惰性气体或真空环境中以稍高于料浆配方熔点的温度加热烧结，通过液固相扩散而形成合金镀层。,优点：与热浸法比，渗层成分及厚度均较均匀，并且热传递性好，渗速快。,3.,盐浴法,在金属盐熔融液中加入,V,Nb,Cr,Ti,Ta,等铁合金粉末，然后把含有较高的,C,，,N,的钢件浸入，在,800,1250C,的温度下，经过,0.5,10,个小时的时间后，可在金属表面形成一层极硬的金属的碳氮化合物薄层，使工件表面具有较高的耐磨性。,6.1.3,气渗法,首先把工件加热到渗剂原子在基体中能产生显著扩散的温度，然后把含有欲渗镀金属卤化物（,BCl,2,）的氢气通入，气体与基体接触时，工件表面的金属,A,和氢本身与,BCl,2,反应生成活性原子,B,渗入工件表面。,BCl,2,+A-ACl,2,+B,BCl,2,+H,2,-2HCl+B,实现气渗工艺的具体方法很多，大致可分为两大类：一类是渗镀金属同工件在同一空间：用,HCl,气体先流过被加热了的欲镀金属产生金属氯化物气体，随后使该气体流经金属表面，置换出活性原子,B,进行渗镀；另一类是渗镀金属同工件不在同一空间，用,H,2,做载体把欲渗金属的卤化物运载到工件表面。,6.1.4,复合渗（联用其他涂层方法）,1.,电泳渗,：先用电泳镀的方法做成镀层，然后加热扩散形成表面合金层。电泳镀是一种较新的电镀方法，将要镀金属微粒用溶剂做成悬浮液，加入充电剂使其形成带电粒子，在直流电场作用下这些粒子就向液体中带异号电荷的工件运动，并在工件表面上放电、沉积。电泳镀的优点是渗层厚度均匀，外观光洁，工艺简便，生产率高。,2.,喷镀渗,：用热喷涂的方法先把欲渗金属喷到工件表面上，然后进行扩散，从而达到渗镀的目的。该法改善了热喷涂涂层的质量。,3.,电镀渗：,把电镀后工件加热扩散，使原电镀层为冶金结合，这种方法不仅提高了原镀层的质量，新的表面合金层还具有新的性能。,4.,化学镀渗,:,先用化学镀的方法制得镀层，然后加热扩散获得合金层，化学镀渗可以给任何形状的工件制取镀层，如细长管子的内壁也可进行镀渗。,5.,真空镀渗,:,真空镀渗是先用真空蒸发镀或真空溅射方法制成镀层，然后加热扩散制得镀层。该法所制成的渗层均匀而致密，适合于小工件；但加工成本高，目前只用于某些特殊零件。,6.1.5,离子轰击渗镀法,离子轰击渗镀法是利用物质的第四态,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。但是该法除离子氮化已经成熟，包括渗碳在内的离子渗金属尚在开发之中。,6.2,渗镀原理,6.2.1,渗层形成的条件,由于渗层是基体金属原子和渗入元素原子相互扩散而形成的合金层，所以渗层形成条件是：,渗层形成条件示意图,渗入元素与基体金属必须能形成固溶体或金属间化合物渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触。保持一定的温度，即保证一定的渗镀速度。生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。,1.,渗入元素与基体金属形成固溶体或金属化合物的条件,渗入元素与基体金属形成固溶体或金属化合物的主要条件就是,:,原子相对尺寸：金属学中学过“原子尺寸因素原则”，即当溶质和溶剂金属原子直径差值：,以,（,d,溶质,d,溶剂,）,/d,溶剂,100,表示,超过,14,15,时，固溶度不会大。在渗镀方面，一般以,15,16,作为形成渗镀层的上限，它也适用于形成金属间化合物。当然，这只是对铁基固溶体而言，对不同金属为基的固溶体来说，其上限值也有所不同，如对于难熔金属为,8,10,，而对低熔点金属则可放宽到,20,以上。,化学亲和力：两种金属的化学亲和力愈大，它们愈易形成金属间化合物，而不利于形成固溶体。只有当两种金属的化学亲和力小时，才易形成固溶体。但当二者的负电性之差不至于形成化合物时，其适当差异并不一定对固溶体起限制作用，相反有时还能对固溶体的形成起促进作用。,点阵类型：当渗入金属与基体点阵类型相同时，容易取得大的固溶度。如当渗入金属与基体点阵类型相同时，并且原子直径差小于,8,时则能形成连续固溶体。,相对原子价：其影响主要体现在电子浓度方面，当形成固溶体时，溶剂金属的电子浓度不超过一定的数值，（如对面心立方的一价金属来说，这个极限值是,1.36,，对体心立方的一价金属来说，这个极限值为,1.48,），若电子浓度大到极限值时，继续渗解就不可能。,以上四个因素不是同等重要的，对固溶度的影响有时是一致的，相辅相成的，有时则是相反的。然而，总是其中一、两个因素起决定性作用，是控制因素。因此，在设计渗层成分、组织时必须全面考虑这些因素，分析其影响程度。,2.,通过化学反应提供活性原子的热力学条件,置换反应：,A,BCl,2,-ACl,2,B(6-1),还原反应：,BCl,2,H,2,-2HCl,B (6-2),热分解反应：,BCl,2,-Cl,2,B (6-3),置换反应：,A,BCl,2,-ACl,2,B (6-1),式,(6-1),可看作是下列两个生成金属氯化物反应之差,:,A,Cl,2,-ACl,2,(6-4),B,Cl,2,-BCl,2,(6-5),式,(6-2),、,(6-3),两反应的平衡常数分别为,KP,A,P,ACl,2,/a,A,P,Cl,2,(6-6),KP,B,P,BCl,2,/a,B,P,Cl,2,(6-7),其中：,P-,气体分压,A-,固体的活度,置换反应,(6-1),式的平衡常数为：,KP,置换,a,B,P,ACl,2,/a,A,P,ACl,2,KP,A/KP,B (6-8),或两边取对数,KP,置换,KP,A,KP,B(6-9),即置换反应的平衡常数的对数值，恰好是该两金属同氯气反应的平衡常数的对数值之差。,假定,aA,aB,，则,(6-8),式可变为,KP,，置换,P,ACl,2,/P,BCl,2,KP,A/KP,B(6-10),若,KP,A,KP,B,1,即,P,，置换,1,，则从式中可知：,KP,A,为,KP,B,的,1/10,反应的,K-T,的曲线,从式,(6-10),看，也就是说,P,ACl,2,是,P,BCl,2,的,1/10,，这就意味着有约有,10,的氯化物蒸气,BCl2,转变成了渗剂金属,B,。同理,:,若,KP,A,KP,B,2,时，则表明约有,1,的氯化物蒸气,BCl,2,转变成渗剂金属,B.,一般认为：要使渗镀所得的渗层具有实用价值，,1,的转变量是最低限，即,KP,A,KP,B,的差不能小于,2,，否则转变量就太小，也就没有什么实用价值了。,例如：,1000,附近，比较生成,CrCl,2,和,FeCl,2,的,K,T,曲线，可以看出，两曲线是比较接近的，但,KP,Fe,KP,Cr2,，,这说明反应,Fe,CrCl,2,-FeCl,2,Cr,是能进行的。也就是说利用置换反应在,FE,上渗,Cr,从热力学上讲是可行的。,我们再将,SiCl,2,和,SnCl,2,这二条曲线分别同,FeCl,2,曲线相比较，他们更加接近，所以在铁基上渗硅，渗,Sn,应当能更有效地进行，转变量也更多。试验也证明了这一点。,同理我们可以看出，在,Ni,或,Mo,上渗,Cr,用置换反应则是不可能的。,还原反应,:,同理，对于还原反应,BCl,2,H,2,-2HCl,B (6-2),可看成是下列两个反应之差：,B,Cl,2,-BCl,2,(6-11),H,2,Cl,2,-2HCl (6-12),而,KP,H,2,P,2HC,l/P,H,2,P,Cl,2,(6-13),所以：,KP,，还原,aB,P,2HCl,/P,BCl,2,P,H,2,KP,H,2,/KP,B(6-14),或：,K,，,P,还原,KP,H,2,KP,B(6-15),若氢是在大气压下，则,PH,2,1,，如果没有置换反应发生，则,AB1,，所以,式,(6-14),可写成,KP,，还原,P,2HCl,/P,BCl,2,KP,H,2,/KP,B(6-16),同样,要想通过还原反应进行渗镀所得到的渗层具有实用价值，,1,的转变量也是其最低限，这时,K,，,P,还原,KP,H,2,KP,B,2,所以，,KP,H,2,KP,B,的差值不得小于,2,，当其差值为,1,时，则表明有,10,的,BCl,2,转化成了活性原子,B,渗入金属。,在,K,T,曲线中,1000,附近，,CrCl,2,曲线与,HCl,曲线接近，其,KP,还原的差值不小于,2,，说明依靠还原反应渗,Cr,是可能的，这时基体金属不参与此活性反应。同理可知，不仅在,Fe,上，而且在,Ni,和,Mo,（利用置换反应不能渗,Cr,的金属）上也能通过还原反应渗,Cr,，这主要是由于基体金属不参与提供渗剂原子的化学反应的结果。,热分解反应,金属氯化物的标准生成自由能，在通常的渗镀温度（,850,1100,）下都是负值，这说明所生成的氯化物是稳定的，要使他们热分解几乎是不可能的，所以，只依靠金属氯化物的分解反应生成活性原子来进行渗镀实际上是不可能的。,由上述讨论可知，在一定的温度条件下，常常不只是一种类型的化学反应发生，如在,Fe,上渗,Cr,，则置换反应和还原反应都能发生，而在,Ni,或,Mo,上渗,Cr,，则置换反应是不可能的。,需要强调一下：以上讨论的仅仅是根据系统自由能变化值和化学反应平衡常数来判断某种提供活性能原子的化学反应能否发生及其发生条件，但这远不是渗镀的全部条件，化学反应能否发生及随后的扩散条件能否满足等等，都要影响渗层的形成,6.2.2,热渗镀的基本过程,渗层形成的基本过程包括：,产生渗剂金属的活性原子并供给基体金属表面。,渗剂金属的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属吸收。吸收过程包括活性原子溶入基体金属中，形成表面固溶体层或金属间化合物层，即最初的渗层。,随着渗剂金属原子的继续吸附和吸收，已溶入的渗剂金属原子在渗镀的高温下向基体金属内部扩散，同时，基体金属原子也向渗层里面扩散，从而使渗层增厚，即渗层成长过程。,6.2.3,渗层组织特征,渗镀后所形成的渗层，其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，用渗剂金属原子饱和基体金属时，所获得渗层一般不会出现两相共存区，渗层的浓度分布往往是阶梯跳跃式分布，并且有相互毗邻单相区所构成。,有无限固溶相图的渗层组织：如果渗入元素与基体金属能形成一个无限固溶的二元相图，则渗层组织只是单相的二元固溶体组织，但由表及里，浓度是不一样的。,有限固溶并有中间化合物相图的渗层组织：,6.2.4,热渗镀速度,在渗镀的三个基本过程中，最值得注意的是进行最慢的那个步骤，或者说控制步骤，它决定了热渗镀的速度。实践证明：热渗镀过程的速度经常是由第一个步骤的速度或第三个步骤的速度所决定。一般来说，在渗镀的最初阶段是由第一个步骤，即产生渗剂活性原子的步骤来控制整个渗速的；当渗层具有一定厚度后，渗镀速度就改由第三个步骤，即原子的扩散过程来控制了，而第二个步骤，原子的吸附一般是较快的，它对渗镀速度影响不大。,影响渗镀速度的因素有：,1.,渗镀速度受化学反应速度控制的阶段,反应物浓度：增加渗剂中反应物的含量，可以加快它们的化学反应速度，使渗剂活性原子浓度增大，从而加速渗镀的过程。但过多增加活性原子，则会使基体金属表面很快饱和，那些来不及被基体金属吸收的活性原子就互相结合，沉积在基体表面上形成沉积层，反而阻碍了渗镀过程的顺利进行，使渗速下降。,温度：温度对化学反应速度的影响特别显著。温度升高，反应速度加快，活性原子浓度增加，使渗镀速度升高。,活性剂：又称触媒。对反应速度的影响也很大，一般能提高渗速。如钢基体中渗,Cr,时，往往在渗剂中加入少量活性剂,NH,4,Cl,，以靠其分解出的,HCl,气体将钢表面氧化膜还原，从而使表面活化，达到加速渗镀过程的目的。,2.,渗镀速度受扩散速度控制的阶段,对渗镀过程的速度经常起控制作用的因素还是扩散速度。就是说，除渗镀初始阶段的短暂时间外，渗镀的大部分过程都是受扩散控制的，其含义包括由渗剂活性原子向渗层内的扩散和基体金属原子通过渗层向外的扩散。因此，研究扩散速度及其主要影响因素对于了解渗镀速度是非常重要的。,渗入金属元素的原子在基体金属内部扩散的宏观规律，可用著名的,Fick,的两个定律。,对一维的稳态扩散过程（浓度及浓度梯度不随时间而变）可以用著名的,Fick,第一定律表示：,J,-,Ddc/dx,其中：,J-,扩散通量（,G/cm,2,s,）,D-,扩散系数（,cm,2,/s,）,dc/,dx,-,浓度梯度,第一定律表明：渗入金属元素在单位时间内通过垂至于,x,轴平面上单位面积的物质量,J,与该物质在,x,方向上的浓度梯度,dc/,dx,成正比。,而实际情况一般是非稳态过程，对于这种情况,扩散过程可用,Fick,第二定律来描述。,对一维来说，,Fick,第二定律可写为：,由扩散方程我们可以看出，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,几个主要的影响因素为：,温度：扩散系数,D,与温度之间的关系为：,D,D0EXP(-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（如在其它条件相同的前提下，体心立方的扩散系数要比面心立方大），此外，晶体结构的对称性越差，越易产生扩散的各向异性，降低扩散速度。,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：基体中的合金元素对渗入元素的扩散影响很大，有的促进扩散，有的阻碍扩散，甚至还影响到扩散方向。,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，表层与基体内部间的浓度差愈大，浓度梯度愈大，故使扩散速度增大，涂层增厚。,6.2.5,多元共渗的特点,多元共渗：指同时或顺序渗入两种或两种以上元素的渗镀过程。如：,CN,共渗，,Cr-Al,共渗，,CNB,三元共渗等。由于多元共渗时渗入元素不止一种，所以他们之间在渗入时就可能相互影响，从而使多元共渗与单元共渗有一些不同的性质。,1.,多元共渗对渗剂活性的影响,渗镀时，各渗入元素由于在渗剂粉末内有直接接触，更重要的是在气相中相互发生作用的结果，会影响到实际上用于扩散的活性原子的数量及其活性。一般规律是：,当各渗入元素靠各自的化学反应来产生其活性原子时，一组元的加入会相应的减少活化态的另一组元的含量。,当各渗入元素之间能形成化合物或置换性固溶体时，会不同程度的影响渗剂的活性。,当渗剂所含各元素之间形成固溶体或溶解度较大的金属间化合物时，渗剂中各成分的活性并不变化，扩散层的浓度依渗剂中各元素含量不同而平滑的改变。,当渗剂中增加扩散速度较大的元素的含量时，扩散层深度也逐渐增加。,当渗剂所含各元素之间形成在渗镀温度下稳定的化合物或固溶度很小的金属间化合物时，渗剂的活性显著下降，在二元渗剂中，随着一组元浓度增加，就会减小另一组元原子的活性，从而使扩散层的深度减薄。,当渗剂中两个渗入元素比例恰好符合化学化合物的成分时，则扩散层完全不形成或很薄,.,2.,多元共渗时活性原子吸附速度的影响,多元共渗时，金属表面对活性原子的吸附量取决于温度、气相介质中渗剂金属的分压、平衡常数及欲渗元素之间的化学亲和力，也与基体合金、气体介质向金属表面输运原子的速度和反应产物从表面逸散的速度有关。其中最重要的是气相介质中渗剂金属的分压。一般来说：在一定温度下，渗剂金属分压越高，则吸附量越大。任一组元加入渗剂中，在增加其吸附量的同时会减小另一组元的吸附。因此，通过改变渗剂中的成分，就可改变气相介质中各组元的分压，从而控制某些元素的渗镀速度。,3.,多元共渗对扩散速度的影响,在多元共渗时，由于渗入元素不止一种，某一组元除受本组元的浓度梯度影响外，还受其他组元浓度梯度的影响。,如对二元共渗，渗入元素,1,和,2,的扩散速率可表示为：,其中：,C1,、,C2,分别为两种元素的浓度，,D1,1,和,D2,2,分别为渗入元素,1,和,2,在各自浓度梯度作用下的扩散系数，,D1,2,和,D2,1,分别为渗入一种元素在另一种元素的浓度梯度作用下的扩散系数。,所以在二元共渗中，渗剂中活性较小的组元的扩散速度，将随着活性较大的组元的含量增加而加快。,4.,多元共渗时渗层的化学成分,多元共渗时其渗层的化学成分、相组成都与单一元素渗镀时不一样，渗层的相组成不仅取决于渗剂的成分，也受基体的化学成分和渗镀工艺的影响。,6.3,热渗镀,Al,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。,现在，渗铝主要用来提高钢铁，镍基和钴基高温合金的抗氧化性能，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。,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：铝粉或铝铁合金粉（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）。,渗镀原理为：,2NH4CL-2HCL,N2,3H2,6HCL,2AL-2ALCL3,3H2,FE,ALCL3-FECL3,AL,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。,表,6,1,钢铁常用的渗铝剂配方,序号,渗铝剂组成（）,铁合金粉,铝粉,氧化铝粉（高岭土或白粘土）,氯化铵,1,60,39,39.5,0.5,1,2,99.0,99.5,0.5,1,3,50,49,49.5,0.5,1,4,15,85,0.5,2.,热浸渗铝,（热镀铝和液体浸铝）,热浸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。,这种方法主要用于镀铝钢板、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,左右。,由于热镀铝时，液态,AL,和钢材表面反应激烈，合金层较厚，而铁铝合金层硬而脆，不利于镀铝产品的加工成型，在液态,AL,中加入一定量的,SI,，因为,SI,可降低镀铝温度，提高铝液的流动性，可显著的降低合金层厚度，生成的合金层是,FE-AL-SI,三元化合物，呈平坦的条带状组织，硬度也有所下降，从而改善了镀层性能。,热浸渗铝层的形成和组织特征,钢材热镀铝时，当液态铝与,FE,接触时,液态的,AL,和固态的铁在界面上发生一系列的物理和化学反应。首先，液态,AL,在钢板表面发生浸润和漫流，接着发生铁原子的溶解和铝原子的吸附，形成,FEAL3,相化合物，接着发生,AL,FE,扩散，使,FEAL3,相层厚度增加，此时，由于浓度起伏，在,FEAL3,表面上出现了浓度相当于,FE2AL5,化合物的微小区域，当熔体中铝原子进入,FEAL3,层继续向内扩散时，则形成,FE2AL5,相，该相从,FEAL3,相表面开始并使,FE2AL5,相沿扩散方向不断扩大成柱状晶。最后，当钢板离开,AL,液时，合金层上面粘附了一层液态,AL,。所以，最后渗层基本可分为两层：最外层为富铝层，成分基本上同铝液；次层是,AL,，,FE,合金层，主要是金属化合物,FE2AL5,相，还有少量的,FEAL3,相，,FE2AL5,相呈舌状伸入钢中。,影响合金层厚度的因素,由于,FE2AL5,相质硬而脆，因此合金层越厚，则热浸渗铝层的附着力越低，同时镀层也随之变得硬而脆，所以要控制合金层的厚度，尽可能抑制,FE2AL5,相的生长，一般把其控制在渗层的,1/10,范围内为好。主要影响因素 铝液温度越高，合金层生长越快，浸渗时间越长，合金层愈厚，铝液及钢中的一些合金元素，也会影响镀层的性能。,3.,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，或是将工件浸入料浆中，使其粘附在工件表面上，在,120,以下进行烘干，再加热至,1000,左右，保温,1,3,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,800,1000,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.,其他渗铝法：,电泳渗铝：先用电泳法将,AL,粉牢固而均匀的沉积在工件表面上，然后再进行加热扩散，使,AL,渗入表层形成合金层。,电解法渗铝：在坩锅中盛金属,AL,上面放,1,：,1,（分子比）,NACL,KCL,混合盐，另加少量的冰晶石，坩锅和铝作阳极，工件作阴极。在惰性气氛保护下，加热使盐熔化，然后通以电流，使铝离子向带有异种电荷的工件表面运动，在工件表面放电，沉积，并立即渗入工件内形成表面合金层。该法渗铝层厚度取决于加热温度，电解时间，电流密度。,快速电加热渗铝法：将电流直接通过零件和渗铝剂或用高频感应将零件加热，使其表面形成渗铝层。目前有三种工艺：,A.,高频电流加热热喷涂之后的工件；,B.,在渗铝气氛中用高频电流加热工件；,C.,在活性膏剂中用高频感应加热工件。,优点：可使渗铝周期大大缩短；可通过控制加热速度来改变渗层中的铝含量，相成分和渗铝层承受变形的能力和疲劳性能，从而改善渗铝层质量；可连续对很长的管，板，带材进行渗铝，实现自动化。,6.4,热渗镀锌,热镀锌时世界各国公认的一种经济实惠的材料保护工艺。热镀锌层的形成要经历如下过程：,铁基表面被锌液溶解形成铁锌合金相层；合金层中的锌原子进一步向基体扩散，形成锌铁固溶体；合金层表面包络着一薄锌层。,6.4.1,热渗镀锌的方法,1.,干法热镀锌,将预处理后表面清洁的钢材首先放在单独的溶剂槽内进行溶剂处理，烘干，然后将带有干燥溶剂层的钢材浸入到熔融,ZN,液中进行热镀，这时，在熔融,ZN,和钢基体表面之间发生浸润，溶解，化学反应和扩散过程，并在钢基体表面形成合金层。,溶剂处理的目的是去除工件表面上残存的铁盐，将预处理后新生成的绣层溶解，活化钢材表面，降低熔融金属表面张力，提高锌液的浸润能力，增加镀层的结合力。,干法热镀锌镀液中加入一定量的,AL,（,0.1,0.2,），可使最初的镀层表面发亮，同时也减少了锌锅表面锌的氧化，还可改善镀层质量。,2.,氧化还原法热镀锌,先使钢材通过炉温为,440,460,的氧化性气氛的预热炉，然后再将钢材送进还原性气氛的炉中，在此，钢材表面上的氧化铁皮还原，并把钢材加热到规定的温度，接着再将钢材浸入约,440,460,温度的,ZN,液中进行镀,ZN,。,该法取消了钢板的碱洗、酸洗和溶剂处理等表面预处理，改善了操作环境，而且钢材在镀锌之前就具有一定的温度，减少了锌锅本身的热应力，提高了其使用寿命，而且缩短了镀,ZN,时间，降低了锌耗，改善了镀层质量。,但是，随着汽车工业和家电工业对热镀锌产品质量的要求不断提高，在现代热镀锌生产线上，又普遍采用预清洗，以去除钢板表面的油垢和氧化物。,6.4.2,热镀锌层的结构及影响因素,1.,热镀锌层的结构,上面有,，,1,单相区，按照前边所学可知，热浸镀,Zn,在钢基体表面上形成的合金层主要由,，,1,相组成，,图中的,相是镀锌层的面层，它实际上是,Zn,镀液的成分（,Fe,小于,0.028%,），具有密排六方晶粒，塑性较好。,2.,影响因素,钢基成分及镀液成分对镀层的影响：用于热镀锌的钢材通常为低碳钢，但对一些特殊用途，则采用中碳或高碳钢。,表,6,2,钢基体化学成分对镀锌层特性的影响,元素,对镀锌层特性的影响,碳,碳含量愈高，铁与锌反应愈剧烈，铁损失愈大，合金层中,相和,1,相生长速度也就愈快。镀层变脆，塑性下降。,硅,硅含量对合金层厚度有重要影响：,硅含量,0.06%,0.08%(,重量），合金层厚度最大；硅含量,0.12%,0.25%,（重量），合金层厚度正常；硅含量,0.25%,（重量），合金层厚度急剧增大。,硅含量对镀层结构的影响：,硅含量,0.25%,（重量），形成附着性差的合金层。,铜,铜含量过高,0.3%,（重量）,，在扎制时易产生网状裂纹，影响锌层表面质量；铜能提高镀锌层的大气腐蚀性。,磷,磷含量过高,0.15%,（重量）,，能加速,相和,1,相的生长，,相变薄，甚至会出现灰斑。,同样，镀液中的一些元素，也会对镀,ZN,层有影响。有些元素是为了改善镀层质量或加工性能而人为加入的，而有一些则是不可避免的。如,FE,是最有害的元素，,ZN,液中含有微量的铁就大幅度降低了锌液对钢板的浸润能力，使锌液流动性降低，镀层厚度增加，增加,ZN,层的脆性。,表,6,3,锌液化学成分对镀锌层特性的影响,元素,对镀锌层特性的影响,铅,铅在锌液中的溶解量为,1.2%(450,下,),；铅能降低锌的熔点、粘度，可延长锌层凝固时间，形成大锌花；铅能改善锌对钢基体的浸润性，提高锌层的附着性。,铝,铝含量,0.01%,0.02%,（重量），可提高镀锌层的光泽性；铝含量,0.10%,0.15%,（重量），可形成,FE,3,AL,5,合金层，从而可抑制铁锌反应，降低合金层厚度（达,40,以上）；铝含量,0.2%,（重量），可完全消除,相和,1,相，合金层仅由,相和,相的共晶组织构成，因而镀锌层的塑性可大大提高。,铁,铁在锌液中的溶解量为,0.02%,（,450,下）；铁能增大锌液的粘度，降低锌液对钢基体的浸润性；铁对镀锌层的塑性、外观及耐蚀性均不利。,镉,镉含量,0.1%,0.5%,（重量），可增大锌层表面的锌花；镉含量,0.5%,（重量）,合金层厚度及脆性增大。,铜,铜含量,0.8%,1.0%,（重量），可改善镀锌层的耐蚀性；铜含量,1.0%,（重量），合金层急剧长大，镀锌层塑性和附着性下降；铜能增加锌渣，影响镀锌层的外观质量。,锑,锑含量,0.05%,（重量,),可提高镀锌层的耐蚀性；锑能提高镀锌层的光泽性和形成大锌花。,锡,锡少量加入锌液中可形成美丽光亮的大锌花镀层。,锌液温度和浸镀时间对镀层影响,由于镀,ZN,温度变化，钢基和,ZN,液的反应速度和生成的合金层结构将发生较大的变化。镀,ZN,工作者根据对工业纯铁与铁饱和锌液反应的研究结果，将镀锌分为三个温度范围，在每个温度范围内，铁损（指与锌反应形成合金层的铁和铁渣中的铁的总量）随渗镀时间的变化规律是：,A.,低温抛物线范围（,430,490,）：,M,AT1/2,生成的合金层连续而致密。,B.,直线范围（,490,530,）：,M,BT,生成的合金层不连续，是破碎的。,C.,高温抛物线范围（,530,以上）：,M,AT1/2,镀层质量很差。,其中，,M,铁损，,A,、,B,、,A,常数，,T,时间,实际生产中，理想的镀,ZN,温度一般在,4505,，正常的镀,ZN,温度范围是,430,460,，而且锌液中添加有合金元素，合金层很薄。,ZN,液温度太低，,ZN,耗量大，而且镀层质量也不好，,ZN,液温度太高，达到或超过,480,会引起合金层的快速生长，使镀层的附着力降低；,镀锌层的厚度，若无气刀控制，则取决于从,ZN,液中的抽出速度和,ZN,液温度，而与镀,ZN,时间无关，一般,ZN,层厚度随抽出速度增加而增加，速度过高，带出的,ZN,液来不及滴尽，会使镀层凹凸不平，速度过低则使纯,ZN,层太薄甚至消失，塑性降低。,6.4.3,镀锌层的性能,渗锌是钢铁材料防蚀的一种最经济和最普遍的方法，他对在大气中使用的钢材的防腐蚀效果是十分显著的,.,它对钢铁的保护作用主要有两个方面,:,隔离作用：,ZN,在大气中容易生成一层致密、坚固、耐腐蚀的保护层，既减少了,ZN,的腐蚀，又将,FE,与外界隔绝。,电化学保护作用：,ZN,的电极电位比,FE,负，,ZN,作为牺牲阳极保护了,FE,。,此外，渗锌层的硬度较电镀层为高，具有一定耐磨性，可用于在摩擦条件下工作的某些零部件。,