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工藝技術(shù)│金屬表面滲入元素的原理
發(fā)布時(shí)間：2016-07-30
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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(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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)程中分解揮發(fā)的鹵化物氣體對(duì)環(huán)境的污染是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)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(lái)，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(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(nèi)的擴(kuò)散，這是兩個(gè)獨(dú)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(kuò)散過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程對(duì)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。
***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(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***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***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(guò)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(guò)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(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(jié)構(gòu)。和化學(xué)氣相沉積比較，物理氣相沉積的***大優(yōu)點(diǎn)是溫度易控制，速度快，很潔凈，對(duì)環(huán)境無(wú)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(guò)程就是擴(kuò)散。
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