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| 金屬表面沉積原理分析 |
| 發(fā)布時(shí)間：2014-10-07 瀏覽： 次 |
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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，通過擴(kuò)散作用滲入到基體金屬的表面內(nèi)，改變表面的化學(xué)組成及相結(jié)構(gòu)，從而改變表面的物理-化學(xué)性能，以滿足設(shè)計(jì)-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(xù)梯度變化，因而表層和基體結(jié)合良好; (2)其工藝過程可以不影響基體材料的結(jié)構(gòu)，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(fù)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(qū)別是滲層由滲入元素在基體合金元素的基礎(chǔ)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。滲金屬是滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)-性能對材料日益復(fù)雜、苛刻要求的有效手段之一。 滲金屬技術(shù)的發(fā)明應(yīng)用始自19世紀(jì)末，至今已有一百多年的歷史。20世紀(jì)20年代以后應(yīng)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(jì)50年代后有料漿法，但這些方法都要用鹵化物作活化劑。 工藝過程中分解揮發(fā)的鹵化物氣體對環(huán)境的污染是一個嚴(yán)重的問題。 20世紀(jì)60年代以后，真空蒸發(fā)沉積技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，20世紀(jì)70年代以來，各種物理沉積技術(shù)迅速發(fā)展。因此，20世紀(jì)60、70年代有了真空蒸鍍滲鋁(二步法)并獲得應(yīng)用，20世紀(jì)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)和專用設(shè)備相繼出現(xiàn)，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。 滲金屬有兩個基本過程：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(nèi)的擴(kuò)散，這是兩個獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的過程，往往同時(shí)進(jìn)行。沉積過程影響擴(kuò)散過程，這兩個過程對滲層的形成和結(jié)構(gòu)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(kuò)散型)，其沉積過程都是以化學(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(yīng)用。這三種方法使沉， 積和擴(kuò)散一次完成，實(shí)現(xiàn)了沉積和擴(kuò)散的最佳結(jié)合。 熱浸和熔燒伴隨著有擴(kuò)散，滲金屬可以一步完成。 化學(xué)和電化學(xué)沉積的過程，不伴隨擴(kuò)散，滲金屬要兩步完成，但是熔鹽電解沉積的過程，溫度較高，伴隨著擴(kuò)散。 初期的物理氣相沉積滲金屬，一般要有專門的擴(kuò)散步驟，兩步完成。隨著物理氣相沉積技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代以后，已有可能沉積與擴(kuò)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(xiàn)，完全實(shí)現(xiàn)沉積和擴(kuò)散過程同時(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(jié)構(gòu)。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)境無污染。 (2)擴(kuò)散 基體材料上沉積了滲入元素構(gòu)成的滲入元素-基體材料的系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)，一定條件下就要發(fā)生質(zhì)量的遷移，向著平衡狀態(tài)變化，這種使系統(tǒng)中各成分趨向均勻分布的過程就是擴(kuò)散。 ①擴(kuò)散定律 在兩個成分不同的金屬界面上，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量J(擴(kuò)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(kuò)散第一定律(費(fèi)克第一定律)。其中D為擴(kuò)散系數(shù)，單位為Cm2/s，負(fù)號表明擴(kuò)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(shù)。在濃度梯度一定的條件下，擴(kuò)散速度主要取決于擴(kuò)散系數(shù)。 當(dāng)擴(kuò)散處于非平穩(wěn)狀態(tài)，即擴(kuò)散通量隨時(shí)間而變化時(shí)，擴(kuò)散遵守?cái)U(kuò)散第二定律：  當(dāng)D與濃度無關(guān)時(shí)，上式可表達(dá)為：  ?、诨w合位中的擴(kuò)散行為 滲入元素向基體合金中的擴(kuò)散有三個途徑：表面、晶界和晶內(nèi)。一般情況擴(kuò)散速度是表面最快，晶界次之，晶內(nèi)要慢得多。見圖晶體內(nèi)各種擴(kuò)散的路徑。  圖1 晶體內(nèi)各種擴(kuò)散的路徑 滲入元素向基體材料中的擴(kuò)散首先是溶入基體合金，形成固溶體。當(dāng)濃度超出固溶極限時(shí)，產(chǎn)生新相。這種產(chǎn)生新相的擴(kuò)散稱反應(yīng)擴(kuò)散。反應(yīng)擴(kuò)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(kuò)散的因素 a.濃度梯度 擴(kuò)散第一定律已經(jīng)表明濃度梯度是擴(kuò)散得以進(jìn)行的前提，是擴(kuò)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程中滲入元素的補(bǔ)充能力，對滲層成分、結(jié)構(gòu)更具實(shí)際意義。 b.溫度 有了濃度梯度，溫度對擴(kuò)散具有決定性的影響。溫度對擴(kuò)散的影響可用下式表述：  式中 Do-擴(kuò)散常數(shù); R-氣體常數(shù); E-擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)與濃度無關(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(shù); 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.固溶體類型 固溶體類型不同，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同，因而在其中的擴(kuò)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(kuò)散速度比在γ-鐵中的大。類似的，與鐵形成置換固溶體的鉬在α-相中的擴(kuò)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(jié)構(gòu)。當(dāng)鋼內(nèi)滲入能封閉γ-區(qū)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(dāng)鋼內(nèi)滲入能封閉γ-區(qū)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。在滲入過程中，碳不斷地由金屬內(nèi)部向表面擴(kuò)散，即向著與鉻相反的方向擴(kuò)散。結(jié)果高碳鋼的表面碳化物層中碳含量可達(dá)5%～7%，而在滲鉻的擴(kuò)散層下面總有一個貧碳區(qū)存在。 可見在滲金屬過程中，互擴(kuò)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(qū)并易于與碳形成碳化物的元素，在奧氏體內(nèi)滲入的深度隨鋼中碳含量的增加而急劇減少。這類元素如鋁、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(qū)，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(wěn)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，其過程和結(jié)果取決于參與組合的各元素的性質(zhì)和互相作用。 ④基體合金表面以外的擴(kuò)散 滲金屬過程中，除在上述基體合金中發(fā)生的固態(tài)擴(kuò)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(kuò)散。見圖2粉末法滲金屬氣態(tài)擴(kuò)散和固態(tài)擴(kuò)散示意圖。 這種氣態(tài)擴(kuò)散先于固態(tài)擴(kuò)散發(fā)生，它的擴(kuò)散速度決定滲入元素的補(bǔ)充能力，影響滲層的成分、結(jié)構(gòu)。  圖2 粉末法滲金屬氣態(tài)擴(kuò)散和固態(tài)擴(kuò)散示意圖 當(dāng)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有脫碳發(fā)生。因此，在滲金屬中，在促成沉積-擴(kuò)散產(chǎn)生的系統(tǒng)中，不僅有滲入元素向基體合金中的擴(kuò)散，只要條件具備，也有基體元素向表面擴(kuò)散，或與環(huán)境介質(zhì)的反應(yīng)。 本文由愛加真空(http://www.evillurksmovie.com)收集整理，僅供參考! |
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