將金屬或非金屬(溶質原子)沉積在基體金屬(溶劑原子)表麵上，通過擴散作用滲入到基體金屬的表麵內，改變表麵的化學組成及相結構，從而改變表麵的物理-化學性能，以滿足設計-製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。

　　這種工藝使材料表麵元素組成更多樣化，更符合使用要求，又稱表麵合金化。

　　滲金屬有以下特點：

　　(1)滲層-基體界麵化學成分呈連續梯度變化，因而表層和基體結合良好;

　　(2)其工藝過程可以不影響基體材料的結構，因而不影響其物理-力學性能;

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

　　滲層和其他塗層、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，滲層的表麵即基體材料的表麵，對被滲零件的幾何形狀和尺寸影響很小。滲金屬是滿足產品結構-性能對材料日益複雜、苛刻要求的有效手段之一。

　　滲金屬技術的發明應用始自19世紀末，至今已有一百多年的曆史。20世紀20年代以後應用日益廣泛，工藝技術不斷改進發展，所用方法有粉末法、氣體法，到20世紀50年代後有料漿法，但這些方法都要用鹵化物作活化劑。

　　工藝過程中分解揮發的鹵化物氣體對環境的汙染是一個嚴重的問題。

　　20世紀60年代以後，真空蒸發沉積技術應用日益廣泛，20世紀70年代以來，各種物理沉積技術迅速發展。因此，20世紀60、70年代有了真空蒸鍍滲鋁(二步法)並獲得應用，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)和專用設備相繼出現，不僅徹底消除了汙染，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)在基體材料(溶劑)表麵上的沉積，以及滲入元素向基體材料表層內的擴散，這是兩個獨立又相互關聯的過程，往往同時進行。沉積過程影響擴散過程，這兩個過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：化學和電化學沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、熱浸和熔燒等。也可以用熱噴塗技術，但很少。

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

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

　　熱浸和熔燒伴隨著有擴散，滲金屬可以一步完成。

　　化學和電化學沉積的過程，不伴隨擴散，滲金屬要兩步完成，但是熔鹽電解沉積的過程，溫度較高，伴隨著擴散。

　　初期的物理氣相沉積滲金屬，一般要有專門的擴散步驟，兩步完成。隨著物理氣相沉積技術的發展，20世紀60年代以後，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，完全實現沉積和擴散過程同時完成。

　　用物理氣相沉積滲金屬，可以方便地控製滲層的成分和結構。和化學氣相沉積比較，物理氣相沉積的最大優點是溫度易控製，速度快，很潔淨，對環境無汙染。

　　(2)擴散

　　基體材料上沉積了滲入元素構成的滲入元素-基體材料的係統處於非平衡狀態，一定條件下就要發生質量的遷移，向著平衡狀態變化，這種使係統中各成分趨向均勻分布的過程就是擴散。

　　①擴散定律

　　在兩個成分不同的金屬界麵上，單位時間內通過單位麵積的物質量J(擴散通量)與垂直於界麵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為擴散係數，單位為Cm2/s，負號表明擴散由高濃度向低濃度方向進行。C為元素的濃度，是位置的函數。在濃度梯度一定的條件下，擴散速度主要取決於擴散係數。

　　當擴散處於非平穩狀態，即擴散通量隨時間而變化時，擴散遵守擴散第二定律：

　　當D與濃度無關時，上式可表達為：

　　②基體合位中的擴散行為

　　滲入元素向基體合金中的擴散有三個途徑：表麵、晶界和晶內。一般情況擴散速度是表麵最快，晶界次之，晶內要慢得多。見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，產生新相。這種產生新相的擴散稱反應擴散。反應擴散形成的新相可借助溶質元素-溶劑元素二元係相圖判斷確定。

　　③影響擴散的因素

　　a.濃度梯度

　　擴散第一定律已經表明濃度梯度是擴散得以進行的前提，是擴散速度的決定性因素之一。從生產工藝角度考慮，濃度梯度決定於工藝過程中滲入元素的補充能力，對滲層成分、結構更具實際意義。

　　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-熱力學溫度。

　　上式表明，溫度越高，原子的能量越大，擴散係數越大，越容易遷移。

　　c.時間

　　假定金屬表麵滲入元素濃度恒定，擴散係數與濃度無關，滲層的深度與時間的關係如下：

　　X2 = Kt

　　式中

　　X-滲層深度;

　　K-係數;

　　t-時間。

　　即滲層深度(厚度)與時間的平方根或正比。在實踐中，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性較大有關。

　　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-區的矽、鋁等元素時，鋼中的碳被由表麵擠向中心，與此相反，當鋼內滲入能封閉γ-區的碳化物形成元素時，在鋼的表麵形成一層碳化物相。

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

　　可見在滲金屬過程中，互擴散是常常發生的。

　　基體合金的成分也影響滲層的厚度。凡能封閉γ-區並易於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。

　　有的元素如矽、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，但不如前者那麽激烈。其原因顯然是奧氏體穩定性有了增加，不易在表麵層形成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，其過程和結果取決於參與組合的各元素的性質和互相作用。

　　④基體合金表麵以外的擴散

　　滲金屬過程中，除在上述基體合金中發生的固態擴散以外，例如在粉末法滲金屬中，在基體合金表麵外發生氣態擴散。見圖2粉末法滲金屬氣態擴散和固態擴散示意圖。

　　這種氣態擴散先於固態擴散發生，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 粉末法滲金屬氣態擴散和固態擴散示意圖

　　當鋼在HCI或H2+HCl的氣體介質中滲金屬時，有脫碳發生。

　　鋼在粉末法滲金屬時，零件與金屬粉末接觸就會有脫碳發生。因此，在滲金屬中，在促成沉積-擴散產生的係統中，不僅有滲入元素向基體合金中的擴散，隻要條件具備，也有基體元素向表麵擴散，或與環境介質的反應。

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