扩散层形成规律探究

1.扩散层的形成过程及扩散层组织

（1）单元渗扩 化学热处理后渗层的组织结构，主要取决于渗入元素与基体材料组成的二元合金相图的类型。当渗入元素在基体扩散过程中没有成分的突变，即形成连续固溶体，称为纯扩散；而渗入元素渗入基体金属后，在扩散温度下随着表面溶质浓度的增加伴随着新相（一般形成某种化合物）生成的扩散，称为反应扩散。反应扩散形成多相扩散层，它仅在有限固溶的合金体系中才可能发生。

（2）多元共渗 相对于单元渗扩，多元共渗过程要复杂得多。根据各元素间化学作用的特点，可将两种扩散元素和基体（三元系）分为四类。

1）在两种扩散元素和基体组成的三元系中，有一种扩散元素与另一扩散元素、基体金属都可形成成分范围很窄的化合物。该三元系中扩散元素之一多是C、N、B、Si等相对原子质量很小的非金属；第二种扩散元素为电子d层不满的过渡族金属，组成的三元系有Fe-Cr-B、Fe-Mo-B、Fe-W-B、Fe-Cr-C、Fe-Mo-C等。在第二种扩散元素不超过它在渗层中相应的溶解度时，渗层的相组成与单元素渗扩时相似。

2）两种扩散元素之间，以及两种扩散元素与基体金属之间可形成共价键或金属键化合物，其化合物的成分范围较宽，且形成的化合物没有第一种稳定。扩散层多为以金属为基或以一种扩散元素与基体金属形成的化合物为基的固溶体，有时也会形成多相混合物。该三元系有Fe-Cr-Ti、Fe-Cr-Al、Fe-Mn-Al等。

3）扩散元素与基体金属形成成分复杂的固溶体，此时，扩散层是以铁为基的多元固溶体。该三元系有Fe-Cr-Mo、Fe-W-V、Fe-Cr-Mn等。(www.xing528.com)

4）共渗元素之间不发生作用，共渗的结果完全取决于扩散元素与铁的相互作用。该三元系包括Fe-C-N、Fe-B-C、Fe-B-Al等。在这一类型中又有两种情况：一是共渗元素之间在介质中和扩散层内均不发生相互作用，如C、N、B作为一种扩散元素与另一种相对原子质量较大的非金属元素共存；二是两种共渗元素在介质中不发生作用，而在渗层中扩散时彼此相互影响，如Fe-C-N、Fe-B-C等。

2.温度和时间对扩散层深度的影响

根据温度与扩散系数之间的关系可知，原子的扩散速度随温度的升高急剧增大。为了提高生产率，总希望化学热处理过程能在较高的温度下进行。但在实际操作中，除考虑渗速之外，还必须考虑渗层的组织与性能、工件的心部组织与性能、设备及工装允许使用的温度范围等因素，处理温度不能无限升高。

当温度一定时，扩散时间越长，扩散层越深。但随着时间延长，渗层增加的速度变慢，即渗层深度的增加与扩散时间呈抛物线关系。渗碳温度及保温时间对渗层深度的影响如图1-15所示。