外加电场对粉末法渗硼、渗铝的作用机理与应用研究

粉末法渗硼、渗铝等是一类十分有效而又较为易行的化学渗扩表面改性技术，对于提高许多金属零部件的耐磨损、抗腐蚀、抗高温氧化等能力具有重要作用。但现行技术存在处理温度较高、渗速较慢、能耗较大及渗剂利用率不高等缺点。本项目拟通过采用在粉末渗扩介质与被改性样品间施加电场，系统研究外加电场对粉末法渗硼、渗铝过程的作用机理，探索解决这些问题的新途径。主要研究内容包括：1）揭示电场类型、电场参数（包括电压、电流大小、直流电场方向与分布、交流电场频率等）在不同外热温度、渗剂组成条件下对渗扩层形成、生长的影响规律；2）运用电磁场及分子反应动力学等理论，研究电场对渗扩过程中渗剂反应影响的作用机理；3）研究电场对需渗入原子在渗剂中和需渗入样品表层与次表层扩散行为的影响。在这些研究内容上形成全面与清晰的认识，为改进现行技术与形成新的粉末法渗扩表面改性技术奠定基础。

粉末法渗硼、渗铝对于提高许多金属零部件的耐磨损、抗腐蚀、抗高温氧化等能力具有重要作用。针对现行技术存在处理温度较高、渗速较慢、能耗较大等缺点，本项目研究设计了一种新的增强粉末法渗硼、渗铝的技术与装置，通过在粉末渗扩介质与渗扩样上施加电场，进行电场增强粉末法渗硼、渗铝，系统研究电场对渗扩过程的影响规律与作用机理。.研究发现，当渗扩温度、电场电流、电压达到一定临界值时，电场才能对渗层形成起到有效的促进作用。电场增强渗扩可在较低炉温进行。电场增强渗硼中，硼在20钢和45钢中的平均扩散激活能显著低于常规渗硼中的。虽然直流电场和交流电场均能促进渗扩，且促进程度随电场强度增加而增加，但二者存在一些差异。直流电场对平板电极间不同位置试样及同一试样的不同部位的促渗作用不同；促渗作用主要表现于试样面向正极的面；从正极到负极，电场促渗作用逐渐增强。交流电场对位于平板电极间不同位置试样各表面的催渗作用均匀；增大交流电场频率可促进渗扩；电场频率还影响渗硼层下扩散区的组织及厚度。交、直流电场均会导致渗罐内温度升高，升幅随电场电流、频率增加而增加，随炉温降低而升高，并与渗剂组成有关。交流电场渗扩中渗剂反应程度和强度均高于常规渗扩的；在较高炉温时，交流电场对渗剂反应的影响主要与交流电场对渗剂的电磁作用有关，与交流电场对渗剂的加热作用关系不大；在较低炉温时，交流电场对渗剂的加热作用对渗剂间反应程度和强度的影响增加。.分析认为，电场对粉末法渗硼、渗铝的促渗，主要是通过对渗剂反应、活性硼/铝原子及含硼/铝的活性基团在渗扩介质中扩散、硼/铝原子在试样内扩散三方面的促进来实现。电场的电磁及热作用促进渗剂分子分解，加速渗剂反应。电场促进硼/铝原子及含硼/铝的活性基团在渗剂中扩散。直流电场使带正电的含硼/铝原子的粒子向负极定向运动，使负极的活性硼/铝原子或含硼/铝的活性基团浓度升高；直流电场通过电迁移使试样内的硼/铝向负极方向扩散，使负极试样及试样的面向正极侧渗层更深。交流电场的电磁搅拌作用促进渗罐内的扩散。两种电场均通过增加渗扩样中空位浓度来促进硼/铝在试样内的扩散，交流电场在试样中感生电流的“集肤效应”使试样表层产生更多空位，为硼/铝在试样内的扩散提供更多通道。.本项目对电场增强粉末法渗硼、渗铝特性与机理已形成较全面的认识，为改进现行技术与形成新的粉末法渗扩技术奠定了较好基础。