单一元素纯金属渗层组织的研究

纯金属的渗层犹如基体金属与渗入元素在表层组成了一个二元合金，基体金属与渗入元素的二元相图可作为分析渗层组织的重要依据。

（1）渗入可形成无限固溶体的渗层组织 如果基体金属和渗入元素之间可以无限固溶，那么渗层由单相的二元固溶体组成，呈等轴状晶粒，渗入元素在固溶体中的浓度由表及里逐渐减少。渗入元素在表面所能达到的浓度主要取决于介质的活性、工艺参数和金属的表面状态等因素。

（2）渗入可形成固溶体并具有异晶转变相图元素的渗层组织 图15-4所示为A-B二元相图，基体金属为A，渗入元素为B。当在线2所示的温度扩散时，渗入元素B溶入基体金属中首先形成α固溶体。随着渗入元素B在表面的浓度增长到α＋γ的两相区时，从表面开始生成γ相，并沿扩散方向长大，长成与扩散方向一致的柱状晶。从扩散温度冷却到室温，γ相又发生相变重结晶γ→α，重结晶将破坏γ相的柱状晶形态，最后得到等轴的α晶粒。当在线5所示温度扩散时，渗入元素B溶入基体金属中首先形成γ固溶体，渗入元素浓度在表面增长，将发生γ→α的重结晶，表面形成α相的柱状晶。由于表面非同时形核，柱状晶的尺度将有差别，但都沿着扩散方向分布。从扩散温度再冷却到室温时，表面柱状α晶粒将不再发生相变重结晶而保留到室温。这种柱状晶很容易经腐蚀后在金相显微镜下观察到。

图15-4 渗入元素与基体金属形成固溶体并具有异晶转变的相图

(www.xing528.com)

图15-5 渗入元素与基体金属形成有限固溶体

（3）渗入可形成有限固溶体并有中间相相图时元素的渗层组织 图15-5所示为渗入元素B与基体金属A形成有限固溶体并有中间相的相图和渗层组织的关系。当温度为t时，α固溶体中B的最大固溶度为c₂；β固溶体中B的含量则由c₅变化到100％B。在α固溶体与β固溶体之间有一个中间相A_mB_n，此中间相在温度t时B的含量由c₃变化到c₄。如果介质的活性足够强，随着处理时间的延长，表面B元素的含量将逐次增高，渗层组织也将相应地发生变化，如图15-5b所示。经τ₄时间后获得的渗层组织如图15-5c所示。

从图15-5b中可以看出，当渗层中出现不同相区的分层时，渗入元素浓度分布曲线将在两个相区的交界处发生突变。这说明两相区之间界限分明，不存在两相共存的过渡区。需要指出的是，上述结论仅适用于单一渗入元素对纯金属进行化学热处理时所得渗层的情况。

根据以上分析可以认为：单一元素渗入纯金属时所得的渗层按其组织结构可以分为两大类：第一类是固溶体型渗层，这类渗层可能只有一个单相的固溶体相层，当渗入元素（B）与基体金属（A）组成无限固溶的二元相图，或虽组成有限固溶相图但表面B的含量并未超过其固溶度时，将形成这种渗层，如果（A）与（B）组成两端均为有限固溶体却又无化合物的二元相图时，则渗层分为两个分层，外层为含B量较高的β固溶体，内层为含B量较低的α固溶体；第二类是化合物型的渗层，这一类型的渗层常在化合物相层以内或以外存在一个固溶体的分层，虽然化合物相层一般不可能很厚，但对渗层的形成以及渗层的性能往往起到重要作用。