徐州工程學(xué)院機電系，江蘇徐州221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，江蘇徐州221008）摘要：對影響擴散的各種因素與化學(xué)熱處理的關(guān)系進行簡要歸納與討論，指出在化學(xué)熱處理中，當(dāng)滲劑固定時，分解和吸收一般都不會成為控制性環(huán)節(jié)，而擴散將成為化學(xué)熱處理滲速的決定性因素。關(guān)鍵詞：擴散；滲碳中圖分類號：TG111.6；TG156.文獻標(biāo)識碼：A文章編號：0254-6051（2006）10-0069-03RelationshipBetweenDiffusionChemicalHeatTreatmentNIHong-xin，XIAXiao-ei，SHANLi-yun，NIZhen-yaoMechano-EectronicEngineering，XuzhouInstituteTechnoogy，XuzhouJiangsu221008，China；MateriasScienceEngineering，ChinaMiningUniversity，XuzhouJiangsu221008，China）Abstract：Thereationshipbetweeninfuencingfactorschemicaheattreatmentweresummarizeddis-cussed.chemicaheattreatment，decompositionkeypointswhenpen-etrantagentdiffusionpaysdecisiveroeprocessspeedchemicaheattreatment.Keywords：diffusion；carburizing作者簡介：倪宏昕（1957.09—），男，河南堰師人，副教授，系主任，主要從事化學(xué)熱處理研究及教學(xué)工作，已發(fā)表論文10篇，曾獲得江蘇省科技進步二等獎。

聯(lián)系電話：****-*****3013013967007收稿日期：2006-04-25影響擴散的主要因素（1）溫度溫度愈高，原子活動能力愈大、擴散速度愈快，擴散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系。例如在生產(chǎn)應(yīng)用中把滲碳溫度從930提高到1030，滲碳速度增倍。但滲碳溫度提高，會使奧氏體晶粒粗大、零件畸變增加，而且設(shè)備使用壽命降低。所以只能在條件允許的情況下，盡量提高化學(xué)熱處理溫度以求達到加快滲速的目的。（2）壓力在極高的壓力下顯示壓力對軟金屬的擴散有作用，但由于金屬原子間具有很強的結(jié)合力，可壓縮性極小，所以說壓力對金屬的擴散基本沒有影［3-4］，但都不是以減壓來增大主滲元素的擴散系數(shù)為目的。（3）晶體結(jié)構(gòu)因為體心立方晶格的致密度比面心立方晶格y-e的致密度小，因而所有元素在的擴散常數(shù)和激活能的計算結(jié)果可知，在各種溫度下，碳在中的最大溶解度只有002wt%，溶碳量飽和后將立即形成是一個成分不變的化合物，不存在濃度梯度，碳不能通過滲碳體再向內(nèi)繼續(xù)擴散。也就是說，一旦鋼的表面形成很薄的滲碳層，它就成為一個屏障，阻止碳向鋼內(nèi)滲入。（4）擴散元素濃度鋼中碳含量對碳的擴散系數(shù)的影響如圖1所示。當(dāng)含碳量wt%以后，其擴散系數(shù)顯著增大。

而滲碳鋼的含碳量一般Reationshipbetweendiffusioncoefficientcarboncontent（5）第三元素（添加元素）碳化物形成元素Cr、W、Mo都降低碳在鋼中的擴散系數(shù)，其中鎢的作用比鉬強兩倍。例如加入3wt%Mo中的擴散系數(shù)降低一半。Mn在高溫時增大碳中的擴散系數(shù)，但低于1100則降低碳的擴散系數(shù)。所以含有形成碳化物元素的合金鋼滲碳速度較慢。不形成碳化物的元素Ni和Co可增加碳在y-e中的擴散系數(shù)，但Si則相反，會顯著降低碳在的擴散系數(shù)，所以滲碳鋼一般都不含Si。但原蘇聯(lián)20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了含Si的滲碳鋼，如12XH2C（12CrNiSi）等鋼，文獻［6］指出加Si后可減少滲碳后《金屬熱處理》2006年第31卷第10過共析層厚度，提高鋼的力學(xué)性能，尤其對沖擊疲勞強度有利。氮能增加碳在y-fe中的擴散系數(shù)，所以C-N共滲可以適當(dāng)降低熱處理溫度，減少零件畸變，因此在齒輪處理中應(yīng)用較多。Ti增加氮在O-fe中的擴散系數(shù)，各國相繼出現(xiàn)了含鈦滲氮鋼，以求提高滲氮速度。（6）形變冷塑性變形使外加的部分能量儲存在金屬內(nèi)，這種能量屬自由能，對擴散非常有利。例如Ni在變形的銅中擴散系數(shù)可增加1000。

在不同變形條件下的O-黃銅中，鋅的擴散系數(shù)可增加2倍。塑性變形對擴散雖有如此重大的作用，但在常用的化學(xué)熱處理中并未得到真正應(yīng)用。這是因為常用的化學(xué)熱處理的溫度高于銅的再結(jié)晶溫度（450結(jié)晶時就把塑變儲存的能量都使用了。由近年的試驗結(jié)果可知，冷塑變后進行化學(xué)熱處理仍有一些好處，如N-C共滲，未發(fā)生鐵的再結(jié)晶，滲層脆性降低，強韌性效果十分明顯。谷南駒對鋼制自行車零件形變處理后液體N-C共滲，接觸疲勞強度增加明顯，但對滲層深度影響不大。對于再結(jié)晶溫度高的高熔點金屬，有望利用顯著增大擴散系數(shù)的作用，進行某種特殊應(yīng)用的化學(xué)熱處理。例如形變后的鉭在900滲碳時，滲速可增加數(shù)倍。（7）高能粒子輻照金屬經(jīng)高能粒子（質(zhì)子、中子）轟擊后，內(nèi)部產(chǎn)生大量的空位和間隙原子，自由能升高，從而可以大大提高擴散系數(shù)。眾所周知，金屬中的空位和間隙原子是點缺陷，它與線缺陷位錯不同，屬于熱力學(xué)穩(wěn)定缺陷，在一定溫度下，晶體中有一定數(shù)量的空位和間隙原子。輻照所造成的點缺陷過飽和狀態(tài)，一旦加熱到高溫，將立即恢復(fù)到平衡的數(shù)量，起不到太大的促滲作用。晶體缺陷如空位、位錯等均影響擴散過程，晶界亦然。晶界處晶格畸變大，原子處于高能量狀態(tài)對擴散有利。

文獻［6］的研究表明，碳在細晶粒金屬鎢中的擴散系數(shù)比在單晶鎢中大3倍。但作為生產(chǎn)應(yīng)用，晶粒粗細對化學(xué)熱處理沒有明顯影響。例如文獻［6］HPKL進行的C、N在奧氏體中的擴散試驗表明粗細晶粒未顯示多大差別。文獻［6］中KCB進行滲氮試驗（工藝為525作用，這可能和晶界面與體積之比太小有關(guān)。（9）相變相變時材料的塑性升高，強度降低，這種現(xiàn)象稱為相變超塑性或叫相變?nèi)趸＜热幌嘧儗αW(xué)性能有這么大的影響，不難想像它可能對擴散也會產(chǎn)生作用。文獻［10］中Gruzin研究CO、Cr在鋼中擴散時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變時，這些元素在奧氏體中的擴散系數(shù)特別大。/.快速加熱（高頻或電阻加熱）滲鉻試驗中發(fā)現(xiàn)，快速加熱（短時間保溫或不保溫）比一般加熱滲鉻層深度可以增大好幾倍，這是因快速加熱使奧氏體形核率增大，而剛形成的奧氏體晶核活性大，從而加速了滲鉻層的形成。（10）內(nèi)應(yīng)力彈性變形可使晶體中空位移動的激活能降低，所以不論是拉伸內(nèi)應(yīng)力或壓縮內(nèi)應(yīng)力均有增大擴散系數(shù)的作用。循環(huán)熱處理（反覆加熱和冷卻）能使處于彈性狀態(tài)下的金屬表面不斷產(chǎn)生拉伸和壓縮內(nèi)應(yīng)力。為了促進擴散，循環(huán)化學(xué)熱處理有可能在耐熱鋼和高溫合金的工件上得到應(yīng)用，也有望應(yīng)用于一般鋼件的低溫化學(xué)熱處理，如碳鋼200 時強度 保持不下降，500 仍保有1 左右的屈服強度。

（11）零件表面形狀 試驗中試樣表面曲率對滲碳層深度的影響，滲碳工藝為920 X（5、7、10），固體法滲碳。由圖2可知，在同樣條件下，圓柱表面比圓孔表面滲碳層厚度 大，圓柱和圓孔直徑愈小，滲層厚度差別愈大。例如 20 鋼經(jīng)10 固體滲碳后，!6mm 圓棒滲碳深層度可 mm，而內(nèi)徑!6mm 圓孔的表面，滲碳層深度只 mm。這主要是因為圓孔表面滲入元素呈放射方向擴散，而圓柱表面滲入元素向中心方向集中擴散。 試樣表面曲率對滲碳層深度的影響fig. Suracecurvature carburizingdept （12）磁性轉(zhuǎn)變 引用了一些科技工作者早期關(guān)于磁性轉(zhuǎn)變對碳、氮在鋼中擴散的 影響，如1957 creck對純鐵進行 766 固體滲碳后，滲碳層深度為018 mm，而 768 滲碳時，滲層就增至036 mm，即2 KOpietz進行氰化試驗發(fā) 現(xiàn)，750 滲層厚度有一突出極大點。氮能降低鋼的 磁性轉(zhuǎn)變溫度，750 正是該氮化層的居里點。1965 《金屬熱處理》2006年第31 卷第10 eIOBO進行純鐵的滲氮試驗，均得到在居里點滲 氮時滲層最深的結(jié)論 。金屬的磁性是由原子中運動著的電子磁矩決定的，磁性轉(zhuǎn)變不影響晶體結(jié)構(gòu)的 變化。

對磁性轉(zhuǎn)變能影響擴散，現(xiàn)在尚無法解釋。鐵 的居里點為768 C，對滲碳來說溫度太低，對滲氮又嫌 溫度過高，雖然在此溫度下擴散最快，但目前尚無法得 到實際應(yīng)用。 （13）一種元素的擴散通量對另一種元素（主滲 元素）擴散通量的影響 1962 年文獻［10］中 HageI曾指出：一種元素的擴散通量對 另一種元素（指主擴散元素）擴散通量變化的作用是 很小的。根據(jù)本文作者在不同條件下試驗結(jié)果證明， 上述說法是不夠全面的。某種元素的擴散通量對另一 種元素（指主滲元素）的擴散通量不但有作用，而且影 響非常顯著和巨大 ［12］ 。例如滲碳后的鋼再滲硼，可以 大大加快滲硼速度。這一現(xiàn)象并不是因為滲碳后鋼的 ［6，13-15］。要尋求滲碳后滲硼速度快的原因，只能從 滲碳層的高碳組織與高碳鋼的高碳組織之間的根本差 異著手。滲碳層組織的碳濃度由表及里呈梯度下降分 布。在滲硼過程中，碳原子也必然向內(nèi)部擴散。正是 由于碳的擴散加速了硼的擴散。關(guān)于碳原子擴散促進 硼擴散的機理，文獻［12］進行了初步探討，指出預(yù)先 氮碳共滲亦可加快滲硼速度，更可貴的是預(yù)先氮碳共 滲還能夠成倍增加滲金屬（滲鉻和滲釩）的速度。 擴散與化學(xué)熱處理的關(guān)系化學(xué)熱處理由分解、吸收和擴散三步進行，如原蘇