扩散与化学热处理的关系.pdf

徐州工程学院机电系，江苏徐州221008；2.中国矿业大学材料科学与工程系，江苏徐州221008）摘要：对影响扩散的各种因素与化学热处理的关系进行简要归纳与讨论，指出在化学热处理中，当渗剂固定时，分解和吸收一般都不会成为控制性环节，而扩散将成为化学热处理渗速的决定性因素。关键词：扩散；渗碳中图分类号：TG111.6；TG156.文献标识码：A文章编号：0254-6051（2006）10-0069-03RelationshipBetweenDiffusionChemicalHeatTreatmentNIHong-xin，XIAXiao-ei，SHANLi-yun，NIZhen-yaoMechano-EectronicEngineering，XuzhouInstituteTechnoogy，XuzhouJiangsu221008，China；MateriasScienceEngineering，ChinaMiningUniversity，XuzhouJiangsu221008，China）Abstract：Thereationshipbetweeninfuencingfactorschemicaheattreatmentweresummarizeddis-cussed.chemicaheattreatment，decompositionkeypointswhenpen-etrantagentdiffusionpaysdecisiveroeprocessspeedchemicaheattreatment.Keywords：diffusion；carburizing作者简介：倪宏昕（1957.09—），男，河南堰师人，副教授，系主任，主要从事化学热处理研究及教学工作，已发表论文10篇，曾获得江苏省科技进步二等奖。

联系电话：****-*****3013013967007收稿日期：2006-04-25影响扩散的主要因素（1）温度温度愈高，原子活动能力愈大、扩散速度愈快，扩散系数与温度呈指数关系。例如在生产应用中把渗碳温度从930提高到1030，渗碳速度增倍。但渗碳温度提高，会使奥氏体晶粒粗大、零件畸变增加，而且设备使用寿命降低。所以只能在条件允许的情况下，尽量提高化学热处理温度以求达到加快渗速的目的。（2）压力在极高的压力下显示压力对软金属的扩散有作用，但由于金属原子间具有很强的结合力，可压缩性极小，所以说压力对金属的扩散基本没有影［3-4］，但都不是以减压来增大主渗元素的扩散系数为目的。（3）晶体结构因为体心立方晶格的致密度比面心立方晶格y-e的致密度小，因而所有元素在的扩散常数和激活能的计算结果可知，在各种温度下，碳在中的最大溶解度只有002wt%，溶碳量饱和后将立即形成是一个成分不变的化合物，不存在浓度梯度，碳不能通过渗碳体再向内继续扩散。也就是说，一旦钢的表面形成很薄的渗碳层，它就成为一个屏障，阻止碳向钢内渗入。（4）扩散元素浓度钢中碳含量对碳的扩散系数的影响如图1所示。当含碳量wt%以后，其扩散系数显著增大。

而渗碳钢的含碳量一般Reationshipbetweendiffusioncoefficientcarboncontent（5）第三元素（添加元素）碳化物形成元素Cr、W、Mo都降低碳在钢中的扩散系数，其中钨的作用比钼强两倍。例如加入3wt%Mo中的扩散系数降低一半。Mn在高温时增大碳中的扩散系数，但低于1100则降低碳的扩散系数。所以含有形成碳化物元素的合金钢渗碳速度较慢。不形成碳化物的元素Ni和Co可增加碳在y-e中的扩散系数，但Si则相反，会显著降低碳在的扩散系数，所以渗碳钢一般都不含Si。但原苏联20世纪60年代出现了含Si的渗碳钢，如12XH2C（12CrNiSi）等钢，文献［6］指出加Si后可减少渗碳后《金属热处理》2006年第31卷第10过共析层厚度，提高钢的力学性能，尤其对冲击疲劳强度有利。氮能增加碳在y-fe中的扩散系数，所以C-N共渗可以适当降低热处理温度，减少零件畸变，因此在齿轮处理中应用较多。Ti增加氮在O-fe中的扩散系数，各国相继出现了含钛渗氮钢，以求提高渗氮速度。（6）形变冷塑性变形使外加的部分能量储存在金属内，这种能量属自由能，对扩散非常有利。例如Ni在变形的铜中扩散系数可增加1000。

在不同变形条件下的O-黄铜中，锌的扩散系数可增加2倍。塑性变形对扩散虽有如此重大的作用，但在常用的化学热处理中并未得到真正应用。这是因为常用的化学热处理的温度高于铜的再结晶温度（450结晶时就把塑变储存的能量都使用了。由近年的试验结果可知，冷塑变后进行化学热处理仍有一些好处，如N-C共渗，未发生铁的再结晶，渗层脆性降低，强韧性效果十分明显。谷南驹对钢制自行车零件形变处理后液体N-C共渗，接触疲劳强度增加明显，但对渗层深度影响不大。对于再结晶温度高的高熔点金属，有望利用显著增大扩散系数的作用，进行某种特殊应用的化学热处理。例如形变后的钽在900渗碳时，渗速可增加数倍。（7）高能粒子辐照金属经高能粒子（质子、中子）轰击后，内部产生大量的空位和间隙原子，自由能升高，从而可以大大提高扩散系数。众所周知，金属中的空位和间隙原子是点缺陷，它与线缺陷位错不同，属于热力学稳定缺陷，在一定温度下，晶体中有一定数量的空位和间隙原子。辐照所造成的点缺陷过饱和状态，一旦加热到高温，将立即恢复到平衡的数量，起不到太大的促渗作用。晶体缺陷如空位、位错等均影响扩散过程，晶界亦然。晶界处晶格畸变大，原子处于高能量状态对扩散有利。

文献［6］的研究表明，碳在细晶粒金属钨中的扩散系数比在单晶钨中大3倍。但作为生产应用，晶粒粗细对化学热处理没有明显影响。例如文献［6］HPKL进行的C、N在奥氏体中的扩散试验表明粗细晶粒未显示多大差别。文献［6］中KCB进行渗氮试验（工艺为525作用，这可能和晶界面与体积之比太小有关。（9）相变相变时材料的塑性升高，强度降低，这种现象称为相变超塑性或叫相变弱化。既然相变对力学性能有这么大的影响，不难想像它可能对扩散也会产生作用。文献［10］中Gruzin研究CO、Cr在钢中扩散时发现，当马氏体向奥氏体转变时，这些元素在奥氏体中的扩散系数特别大。/.快速加热（高频或电阻加热）渗铬试验中发现，快速加热（短时间保温或不保温）比一般加热渗铬层深度可以增大好几倍，这是因快速加热使奥氏体形核率增大，而刚形成的奥氏体晶核活性大，从而加速了渗铬层的形成。（10）内应力弹性变形可使晶体中空位移动的激活能降低，所以不论是拉伸内应力或压缩内应力均有增大扩散系数的作用。循环热处理（反覆加热和冷却）能使处于弹性状态下的金属表面不断产生拉伸和压缩内应力。为了促进扩散，循环化学热处理有可能在耐热钢和高温合金的工件上得到应用，也有望应用于一般钢件的低温化学热处理，如碳钢200 时强度 保持不下降，500 仍保有1 左右的屈服强度。

（11）零件表面形状 试验中试样表面曲率对渗碳层深度的影响，渗碳工艺为920 X（5、7、10），固体法渗碳。由图2可知，在同样条件下，圆柱表面比圆孔表面渗碳层厚度 大，圆柱和圆孔直径愈小，渗层厚度差别愈大。例如 20 钢经10 固体渗碳后，!6mm 圆棒渗碳深层度可 mm，而内径!6mm 圆孔的表面，渗碳层深度只 mm。这主要是因为圆孔表面渗入元素呈放射方向扩散，而圆柱表面渗入元素向中心方向集中扩散。 试样表面曲率对渗碳层深度的影响fig. Suracecurvature carburizingdept （12）磁性转变 引用了一些科技工作者早期关于磁性转变对碳、氮在钢中扩散的 影响，如1957 creck对纯铁进行 766 固体渗碳后，渗碳层深度为018 mm，而 768 渗碳时，渗层就增至036 mm，即2 KOpietz进行氰化试验发 现，750 渗层厚度有一突出极大点。氮能降低钢的 磁性转变温度，750 正是该氮化层的居里点。1965 《金属热处理》2006年第31 卷第10 eIOBO进行纯铁的渗氮试验，均得到在居里点渗 氮时渗层最深的结论 。金属的磁性是由原子中运动着的电子磁矩决定的，磁性转变不影响晶体结构的 变化。

对磁性转变能影响扩散，现在尚无法解释。铁 的居里点为768 C，对渗碳来说温度太低，对渗氮又嫌 温度过高，虽然在此温度下扩散最快，但目前尚无法得 到实际应用。 （13）一种元素的扩散通量对另一种元素（主渗 元素）扩散通量的影响 1962 年文献［10］中 HageI曾指出：一种元素的扩散通量对 另一种元素（指主扩散元素）扩散通量变化的作用是 很小的。根据本文作者在不同条件下试验结果证明， 上述说法是不够全面的。某种元素的扩散通量对另一 种元素（指主渗元素）的扩散通量不但有作用，而且影 响非常显著和巨大 ［12］ 。例如渗碳后的钢再渗硼，可以 大大加快渗硼速度。这一现象并不是因为渗碳后钢的 ［6，13-15］。要寻求渗碳后渗硼速度快的原因，只能从 渗碳层的高碳组织与高碳钢的高碳组织之间的根本差 异着手。渗碳层组织的碳浓度由表及里呈梯度下降分 布。在渗硼过程中，碳原子也必然向内部扩散。正是 由于碳的扩散加速了硼的扩散。关于碳原子扩散促进 硼扩散的机理，文献［12］进行了初步探讨，指出预先 氮碳共渗亦可加快渗硼速度，更可贵的是预先氮碳共 渗还能够成倍增加渗金属（渗铬和渗钒）的速度。 扩散与化学热处理的关系化学热处理由分解、吸收和扩散三步进行，如原苏