慧聰表面處理網訊：將金屬或非金屬（溶質原子）沉積在基體金屬（溶劑原子）表面上，通過擴散作用滲入到基體金屬的表面內，改變表面的化學組成及相結構，從而改變表面的物理-化學性能，以滿足設計-製造者和使用者對某些性能的要求，這就是滲金屬和滲其他元素的目的。這種工藝使材料表面元素組成更多樣化，更符合使用要求，又稱表面合金化。
滲金屬有以下特點：
(1)滲層-基體界面化學成分呈連續梯度變化，因而表層和基體結合良好；
(2)其工藝過程可以不影響基體材料的結構，因而不影響其物理-力學性能；
(3)滲層-基體材料的組合，實際上是一種複合材料，可以克服基體材料的某些缺點，得到更好的綜合性能。滲層和其他塗層、鍍層的主要區別是滲層由滲入元素在基體合金元素的基礎上組成，滲層的表面即基體材料的表面，對被滲零件的幾何形狀和尺寸影響很小。滲金屬是滿足產品結構-性能對材料日益複雜、苛刻要求的有效手段之一。
滲金屬技術的發明應用始自19世紀末，至今已有一百多年的歷史。20世紀20年代以後應用日益廣泛，工藝技術不斷改進發展，所用方法有粉末法、氣體法，到20世紀50年代後有料漿法，但這些方法都要用滷化物作活化劑。工藝過程中分解揮發的滷化物氣體對環境的汙染是一個嚴重的問題。20世紀60年代以後，真空蒸發沉積技術應用日益廣泛，20世紀70年代以來，各種物理沉積技術迅速發展。因此，20世紀60、70年代有了真空蒸鍍滲鋁（二步法）並獲得應用，20世紀80、90年代陰極電弧沉積滲金屬和陰極濺射沉積滲金屬工藝（一步法）和專用設備相繼出現，不僅徹底消除了汙染，而且使單元的或多元的滲金屬更加容易和方便。
滲金屬有兩個基本過程：滲入元素（溶質）在基體材料（溶劑）表面上的沉積，以及滲入元素向基體材料表層內的擴散，這是兩個獨立又相互關聯的過程，往往同時進行。沉積過程影響擴散過程，這兩個過程對滲層的形成和結構有決定性的作用。
沉積方法有：化學和電化學沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、熱浸和熔燒等。也可以用熱噴塗技術，但很少。
最早用以滲金屬的粉末法及隨後的氣體法、料漿法（擴散型），其沉積過程都是以化學氣相沉積為原理的。粉末法滲金屬可能是化學氣相沉積技術的最早應用。這三種方法使沉，積和擴散一次完成，實現了沉積和擴散的最佳結合。
熱浸和熔燒伴隨著有擴散，滲金屬可以一步完成。
化學和電化學沉積的過程，不伴隨擴散，滲金屬要兩步完成，但是熔鹽電解沉積的過程，溫度較高，伴隨著擴散。
初期的物理氣相沉積滲金屬，一般要有專門的擴散步驟，兩步完成。隨著物理氣相沉積技術的發展，20世紀60年代以後，已有可能沉積與擴散一步完成；陰極電弧沉積滲金屬和陰極濺射沉積滲金屬工藝的出現，完全實現沉積和擴散過程同時完成。
用物理氣相沉積滲金屬，可以方便地控制滲層的成分和結構。和化學氣相沉積比較，物理氣相沉積的最大優點是溫度易控制，速度快，很潔淨，對環境無汙染。
基體材料上沉積了滲入元素構成的滲入元素-基體材料的系統處於非平衡狀態，一定條件下就要發生質量的遷移，向著平衡狀態變化，這種使系統中各成分趨向均勻分布的過程就是擴散。
在兩個成分不同的金屬界面上，單位時間內通過單位面積的物質量J(擴散通量)與垂直於界面的軸方向上的濃度梯度成正比，即：
這就是擴散第一定律（費克第一定律）。其中D為擴散係數，單位為Cm2/s，負號表明擴散由高濃度向低濃度方向進行。C為元素的濃度，是位置的函數。在濃度梯度一定的條件下，擴散速度主要取決於擴散係數。
當擴散處於非平穩狀態，即擴散通量隨時間而變化時，擴散遵守擴散第二定律：
當D與濃度無關時，上式可表達為：
滲入元素向基體合金中的擴散有三個途徑：表面、晶界和晶內。一般情況擴散速度是表面最快，晶界次之，晶內要慢得多。見圖晶體內各種擴散的路徑。
圖1 晶體內各種擴散的路徑
滲入元素向基體材料中的擴散首先是溶入基體合金，形成固溶體。當濃度超出固溶極限時，產生新相。這種產生新相的擴散稱反應擴散。反應擴散形成的新相可藉助溶質元素-溶劑元素二元系相圖判斷確定。
擴散第一定律已經表明濃度梯度是擴散得以進行的前提，是擴散速度的決定性因素之一。從生產工藝角度考慮，濃度梯度決定於工藝過程中滲入元素的補充能力，對滲層成分、結構更具實際意義。
有了濃度梯度，溫度對擴散具有決定性的影響。溫度對擴散的影響可用下式表述：
式中
Do-擴散常數；
R-氣體常數；
E-擴散激活能；
T-熱力學溫度。
上式表明，溫度越高，原子的能量越大，擴散係數越大，越容易遷移。
假定金屬表面滲入元素濃度恆定，擴散係數與濃度無關，滲層的深度與時間的關係如下：
X2=Kt
式中
X-滲層深度；
K-係數；
t-時間。
即滲層深度（厚度）與時間的平方根或正比。在實踐中，上式表述了一般情況。
固溶體類型不同，其結晶結構不同，因而在其中的擴散速度也不同。例如，與鐵形成間隙固溶體的氮在α-鐵中的擴散速度比在γ-鐵中的大。類似的，與鐵形成置換固溶體的鉬在α-相中的擴散速度也比在γ-相中大。這與在體心立方晶格中原子的活動性較大有關。
基體合金的成分影響滲層的結構。當鋼內滲入能封閉γ-區的矽、鋁等元素時，鋼中的碳被由表面擠向中心，與此相反，當鋼內滲入能封閉γ-區的碳化物形成元素時，在鋼的表面形成一層碳化物相。如鋼中滲鉻時，形成(Cr、Fe)7C3碳化物層。在滲入過程中，碳不斷地由金屬內部向表面擴散，即向著與鉻相反的方向擴散。結果高碳鋼的表面碳化物層中碳含量可達5%～7%，而在滲鉻的擴散層下面總有一個貧碳區存在。可見在滲金屬過程中，互擴散是常常發生的。
基體合金的成分也影響滲層的厚度。凡能封閉γ-區並易於與碳形成碳化物的元素，在奧氏體內滲入的深度隨鋼中碳含量的增加而急劇減少。這類元素如鋁、鉬、鎢、鈦，它們與碳形成碳化物的親和力依次增大，對滲層厚度減小的作用也依次增大。有的元素如矽、鋁，與鐵能形成封閉的γ區，但不形成碳化物，隨鋼中碳含量增加，它們在奧氏體中形成的滲層厚度也減少，但不如前者那麼激烈。其原因顯然是奧氏體穩定性有了增加，不易在表面層形成α-固溶體。
總之，滲層的形成是滲入元素與基體材料的各元素的重新組合，其過程和結果取決於參與組合的各元素的性質和互相作用。
滲金屬過程中，除在上述基體合金中發生的固態擴散以外，例如在粉末法滲金屬中，在基體合金表面外發生氣態擴散。見圖2粉末法滲金屬氣態擴散和固態擴散示意圖。這種氣態擴散先於固態擴散發生，它的擴散速度決定滲入元素的補充能力，影響滲層的成分、結構。
圖2 粉末法滲金屬氣態擴散和固態擴散示意圖
當鋼在HCI或H2+HCl的氣體介質中滲金屬時，有脫碳發生。鋼在粉末法滲金屬時，零件與金屬粉末接觸就會有脫碳發生。因此，在滲金屬中，在促成沉積-擴散產生的系統中，不僅有滲入元素向基體合金中的擴散，只要條件具備，也有基體元素向表面擴散，或與環境介質的反應。
責任編輯：鄭必佳