渗入元素向工件内部扩散的原因与控制方法

表面吸附及界面反应的结果使渗入元素在工件表面的浓度增高，于是在工件表面与心部之间出现了浓度差，促使渗入元素的原子不断向工件的纵深迁移。为了区别于工件表面以外介质中的外扩散，将这种扩散称为内扩散，习惯上称为扩散。当渗入元素的数量超过其在基体中的溶解度极限时，将发生反应扩散，形成新相。

（1）扩散过程的宏观规律 在化学热处理中，渗入元素可与基体形成间隙固溶体或置换固溶体。渗入元素的原子在工件基体内部扩散的宏观规律可以用菲克定律来描述，菲克第一定律的方程为

式中 J——扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向z的单位面积的扩散物质量；

D——扩散系数；

c——体积浓度。

式（15-1）中的负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。

菲克第一定律可直接用于处理稳态扩散问题，此时浓度分布不随时间而变化。然而在化学热处理中，浓度分布是随时间而变化的，属于非稳态扩散，可用菲克第二定律来处理。

当扩散系数D与浓度c无关时，菲克第二定律的数学表达式（一维）为

当工件近似平面，渗入元素在表面的浓度c_s保持恒定，且工件的原始成分为c₀时，化学热处理可按半无限长棒的扩散过程来处理，获得第二方程的高斯误差函数解

式中——高斯误差函数；

c（x，t）——经时间t后距表面为x处的浓度。

从式（15-3）可以看出：当浓度c（x，t）一定时，可以导出扩散层厚度（x）与扩散时间（t）之间关系的方程

x²＝KDt （15-4）

式（15-4）说明在工件表面浓度保持恒定的条件下，扩散层厚度与时间的平方根成正比，称为抛物线规律。抛物线规律会由于工件表面浓度不固定而被破坏（例如在周围介质活性很大时，c_s可增加），因此扩散层厚度与时间的关系除了上述抛物线规律外，还有直线关系和对数关系。(www.xing528.com)

将扩散系数与温度的关系式D代入式（15-4），则有

当时间t为一定值时

式中 K——化学反应平衡常数；

K′——与化学反应平衡常数有关的常数。

式（15-6）说明，扩散层厚度与温度呈指数关系。可见，当温度升高时，扩散层厚度呈指数增长。因此，在制订热处理工艺时，为了缩短工艺周期、降低成本，在不损害产品质量和降低设备使用寿命的前提下，应尽可能选择高的工艺温度。

渗层的形成速度通常用渗入元素在基体中的扩散系数来表征。因此，凡是影响扩散系数的因素均影响渗层形成速度。例如，钢在快速加热（感应加热或电接触加热）要比在普通炉内加热达到同样温度下的渗速快几倍；又如，在工件尖角处的表面浓度、渗层深度与其他部位不同等。

（2）反应扩散 渗入元素渗入工件基体后，随着其在表面浓度的增加，伴随着形成新相的扩散称为反应扩散。反应扩散新相形成的过程有两种情形，一种是在扩散温度下金属表面与介质组分直接发生化学反应而形成化合物，而新相的形成是反应元素相互间化学键力作用的结果，它可以较快地在金属表面形成极薄的化合物层，该化合物层将活性原子与工件基体隔开，新相长大使活性原子扩散通过所形成的化合物层；另一种情形是渗入元素首先要达到在固溶体中的极限溶解度，然后再形成新的化合物相，该相在相图中与饱和的固溶体处于平衡状态。

在化学热处理中，能否发生反应扩散可根据渗入元素和基体的相图来判断。图15-2所示为A-B二元相图，当扩散温度为t时，B渗入A内并形成α固溶体。随着时间的延长，扩散层厚度逐渐增大，渗层表面B的含量连续提高。当扩散时间为τ₁时，渗层的厚度达到O₁，表面含B的浓度达到O_a，即表层α固溶体达到饱和平衡浓度。当炉气中活性B原子的浓度高（＞O_a），吸收B原子的速度大于其扩散速度时，渗层表面B的浓度会大于O_a并达到O_b，则在渗层的表面会形成β固溶体。此后，随着B原子的不断被吸收，β固溶体表面的B浓度还会不断提高，此时在扩散层内的相和B元素的浓度变化如图15-3所示。

图15-2 A-B二元相图

图15-3 扩散层中的相和B元素浓度的变化

反应扩散的基本特征之一是反应扩散时在两个相区内都存在浓度梯度，高浓度新相是在低浓度相达到饱和浓度之后才能形成的，在相界面上浓度突变，界面处各相的浓度对应于相图中相的平衡浓度。反应扩散的另一个特征是在二元系扩散过程中，在扩散层中不会出现两相区。