文献综述评分表国内外渗镍工艺的研究现状及发展趋势（河北联合大学冶金与能源学院10轧1班）摘要：渗金属是热扩渗技术的一种，它是利用渗入金属原子在金属基体表面的吸附、扩散而形成含有渗入金属的合金层。

金属材料表面渗镍元素可以大幅度提高其表面硬度、耐腐蚀性和抗高温氧化性，对于提高产品质量和节约自然资源十分有意义。

本文综述了渗镍技术的原理、方法、发展现状等，详细介绍了渗镍技术在离子、合金化合物、钢材中等的具体应用现状及特点。

关键词：离子渗镍；合金渗镍层；渗层微观组织1引言渗镍是热扩渗技术的一种，它是利用渗入的镍原子在金属基体表面的吸附、扩散而形成含有渗入镍的合金层。

由于金属元素种类之多、金属元素与镍元素之间的相互作用具有复杂和多样性，因此渗镍所能得到的合金层的种类和性能是极其丰富的。

选择合适的金属基体元素，往往可以获得性能非常特殊的表面合金层，如高的表面硬度、耐磨性和抗蚀性或抗高温氧化性。

目前我国的渗镍技术发展前景很好。

2渗镍的原理及方法2.1热扩渗理论渗层形成的条件:首要条件是渗入元素必须能够同基体金属形成固溶体或化合物;其次是渗入元素与基体金属必须保持直接的紧密接触;再次是还要有一定的渗入速度，这就要求具备一定的扩散温度;最后，对于靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺，生成活性原子的化学反应必须满足热力学条件。

渗层形成的过程:第一步，产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。

第二步，渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收。

吸收过程包括活性原子渗入基体金属中，形成表面固溶体或化合物，即最初的渗层，建立热扩渗所必须的浓度梯度。

第三步，基体表面继续吸附和吸收渗剂活性原子，最初渗层中的渗剂原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，渗层逐渐增厚。

2.2渗金属方法目前材料表面渗金属的方法，可归纳为如下几类:（1）固体法粉末法是固体法中最普通的方法，应用的也最多。

此法简单易行，但时间长、损耗大，成分控制困难，劳动条件差，只适用于单件小批量生产。

后来发展的快速加热(利用感应加热或电接触加热)气固化学热处理大大缩短了其工艺周期。

（2）液体法目前世界上采用较新的液体渗入技术是盐浴法，它的广泛应用归功于TD法的推广。

TD法是1969年由日本丰田研究所开发的，是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行扩散表面硬化处理的总称，实际应用最广的是熔盐浸镀法。

液体法具有工艺简单，加热均匀、生产周期短等特点。

（3）气体法它是将含有渗入金属卤化物的气体与工件在高温下作用，使欲渗金属渗入工件中。

此法速度快，渗层质量好，但存在气体易爆、有毒、有腐蚀性等问题。

（4）离子渗金属这是一种比较好的渗金属方法，它渗速快、渗层组织容易控制且无污染[1]。

2.3渗金属技术特点（1）渗层-基体界面化学成分呈连续梯度变化，因而表层和基体结合良好。

（2）其工艺过程可以不影响基体材料的结构，因而不影响其基体材料的物理-力学性能。

（3）渗层-基体材料的结合，实际上是一种复合材料，可以克服基体材料的某些缺点，得到更好的综合性能。

渗层和涂层、镀层的主要区别是渗层由渗入元素在基体元素的基础上组成的合金，渗层的表面即基体材料的表面，对被渗零件的几何形状和尺寸影响很小[2]。

3渗镍在工业纯铁离子应用3.1渗层组织及成分分析3.1.1渗层组织特点离子渗Ni层组织大致由两部分组成,即表面的白亮层及其以下的树枝状结构层,如图1所示。

白亮层的抗蚀性极强,4%的硝酸乙醇溶液不能将其细节腐蚀出来,而树枝状组织形态却显得非常清楚。

不同的工艺条件对白亮层的形貌没有影响,其树枝状却随渗Ni温度的不同而异。

其规律为:随着渗Ni温度的下降树枝枝条变细且更加密集;当渗Ni温度为700℃时,白亮层以下看不到明显的树枝组织。

此外,不论树枝粗细,其根部均与白亮层连为一体,可见树枝是白亮层向基体延伸的一种方式。

图1 渗Ni层组织x3003.1.2渗层成分分析图2为渗层中Ni的浓度分布曲线,其中图2a为加热温度900℃,保温5h,源极电压800V,阴极电压450V,气压28Pa条件下的试验结果;图2b为加热温度800℃,保温3h,源极电压800V,阴极电压450V,气压30Pa条件下的试验结果。

由图可见,尽管工艺参数不同,渗层中Ni的浓度分布特点是已知的,即在白亮层中Ni浓度较高,与源极材料成分相接近,而且在白亮层内由表向里Ni的浓度梯度很小,而在树枝状区浓度梯度很大。

图2 渗层Ni浓度分布曲线3.1.3渗层形成机理探讨关于白亮层的形成,根据组织及成分分析结果,可以认为,其过程主要由Fe、Ni原子在试样表面沉积外延生长及向内扩散所控制。

由于多重空心阴极溅射源对试样表面的原子供给非常充裕,表面沉积的Ni原子数量比扩散进入基体的多,多余的Fe、Ni原子在表面的沉积便形成成分与源极材料相接近的Fe-Ni合金相层。

但是其具体形成过程因温度不同而异,当温度高于Ac3点时,Fe、Ni原子在表面沉积后,一部分向基体扩散,其余部分便沿着表面晶格向外生长,白亮层与基体间只有成分差别而没有明显的层基界面。

在原子沉积形成渗层的同时,Ni原子向基体扩散,基体中的Fe原子也向白亮层中扩散,从而形成白亮层与基体中的Ni浓度的分布特点。

当渗Ni温度低于Ac3点,且表面Ni含量高于其在相中的平衡浓度时,白亮层的形成是以Fe-Ni合金相在相表面形核长大的方式进行的。

此时渗层与基体之间有明显的界面。

3.2影响渗层厚度的因素3.2.1加热温度及保温时间的影响图3是在其它工艺条件不变的情况下,渗层厚度与加热温度的关系曲线。

由图3可见,随着加热温度的升高,总的渗层厚度迅速增加。

渗层厚度的增加主要表现在树枝状组织层,而白亮层厚度变化不大。

图4是在其它工艺参数不变的条件下,渗层厚度与保温时间的关系曲线。

由图4可见,渗层厚度随保温时间的延长而增加,其中白亮层厚度的增长速度与时间成线性关系[3]。

图3 渗层厚度与加热温度的关系图4 渗层厚度与保温时间的关系3.3离子渗镍工艺的研究通过实验可以得出T8钢试样在不同渗镍温度下用金相法测得的渗层厚度，见表1,随着渗镍温度的升高,其白色层(纯Ni层)和扩散层增加均较快。

图5是45钢920℃渗镍1h的金相照片。

可明显看出渗层由表面白色层和次内层的高碳层所组成。

表面白色层为纯镍层,次内层含碳量明显高于基体,这是因为镍是非碳化物形成元素,随着镍渗入,把碳挤向内层,故在渗镍层内侧有一富碳区,称之扩散层。

表1 T8钢不同渗镍温度下的渗层厚度渗镍温度/℃1000 920 860 780白色层/μm72.34 57.60 33.42 12.24 扩散层/μm150.48 158.35 127.30 76.76 总渗层/μm223.18 215.95 160.72 89.00图5 45钢渗镍1h金相照片x250920℃x1h利用双阴极离子轰击炉的辅电源的阴极作为用欲渗金属母材进行离子渗金属,与国外报道的欲渗金属的卤化物电离后的金属离子作为离子源的方法相比较,其不污染环境。

用固体纯金属作为欲渗金属母材,由于在真空条件下,金属的熔点明显降低,如在1.33×10-2Pa时铬的熔点降至1040℃,锰的熔点为825℃。

它们的蒸汽压相应提高了,加上离子轰击的作用,金属离子或中性原子较容易从欲渗金属的母材中飞出,参与渗入反应,达到离子渗金属的目的。

只要更换作为辅电源阴极板的材料,可实现不同的离子渗金属[4]。

4渗镍在合金中的应用4．1放电气压对渗层镍含量及渗层厚度的影响图6为渗层表面最高镍含量随气压的变化曲线。

可看出20Pa时渗层镍含量很少，当气压从20Pa升至30Pa时，渗层镍含量显著增加；但当气压从30Pa升至50Pa时，渗层镍含量随之降低。

产生这种现象的原因在于气压太高，背散射强，即活性原子在向阴极传输的过程中由于碰撞返回的概率增大；气压太低，等离子体密度小。

源极溅射出的有效原子数就少。

这都会对渗层镍含量及厚度产生影响。

因此认为本研究的最佳气压为30Pa，此时渗层镍含量最高。

图6 深层表面最高镍含量虽气压变化曲线4．2最佳气压下渗层成分分布图7为30Pa下合金元素镍沿渗层深度的浓度分布。

可看出渗层表面的最高Ni浓度可达95％。

合金元素镍在渗层中基本呈梯度分布。

曲线在从表面到大约20μm处存在一个陡降区，之后缓慢下降。

当炉体内产生辉光时。

试样与源极之间产生不等电位空心阴极效应，高能量的带电粒子轰击源极和试样表面时，在试样表层形成一个镍的高浓度密集区，且在试样表层形成大量的空位和缺陷，促进镍向基体扩散，形成浓度的梯度分布。

图7 渗层成分曲线4．3最佳气压下试样渗镍后的显微组织图8为30Pa下TC4渗镍后的截面显微组织。

对照图7的渗层成分曲线可看出，镍含量随渗层深度的增加而平缓下降。

整个渗层都是由连续均匀的扩散层组成，扩散层由树枝状组织构成。

图9为TC4基体截面显微组织。

对比图8与图9可看出，由于处理温度不是很高，显微组织与未渗镍前相比并无太大变化，仍为等轴晶组织。

图8 渗层截面显微组织图9 TC4基体截面显微组织4．4渗层显微硬度分布图10为30Pa下TC4渗镍后的硬度分布曲线。

整个曲线呈梯度下降趋势，与渗层成分曲线相对应。

渗层表面硬度达621HV，相对于基体的287HV提高了一倍多[5]。

图10 硬度曲线5钨表面双辉等离子渗镍组织及机理5.1物相分析图11为钨表面双辉渗镍层的XRD图谱,结果表明改性层主要物相为Ni,W及中间相NiW和Ni4W。

中间相的存在说明在双辉等离子渗Ni的过程中Ni与W 发生了界面反应。

图11 钨表面双辉渗镍合金层的XRD图谱5.2微观组织及成分分析图12为纯W渗Ni后的改性层横截面SEM形貌。

从上至下依次分别为沉积层、渗层和基体。

沉积层由纯Ni组成,颜色为深灰色,平均厚度约为19μm;渗层呈银灰色,厚度约为2～3μm;渗层与沉积层界面明显,没有发现明显的裂纹、孔洞等缺陷。

渗层与基体无明显界面,改性层组织致密,与基体W实现了冶金结合。

图12 纯W渗Ni后的改性层SEM形貌对渗层进行定量EDAX元素分析,如图13所示。

图13 图12中A区域成分分析Ni元素原子百分比含量为4.7%,远大于900℃下W-Ni二元共晶相图Ni在W 中的固溶度(0.03%),如图14所示。

图14 W-Ni二元相图结合XRD分析,推断渗层成分为W(Ni)固溶体及少量中间相NiW和Ni4W。

W(Ni)固溶体的形成是由于辉光放电过程中等离子体轰击工件表面,使得基体表面晶体空位浓度增加,空位在一定深度范围内向基体内部扩散,形成空位梯度层。

表面层的空位可以容纳更多的Ni原子,从而使基体表面对Ni元素的溶解度有可能超过合金状态图中的溶解度。

900℃下少量中间相的生成是由于在离子轰击作用的非平衡状态下,活性原子所带能量高于平衡状态下原子能量,更易于与基体原子发生反应。