·264· 北京科技大学学报 1999年第3期 0.80 较大的差别，Ni,Cr,Fe元素的扩散系数大大高 十十十+一+ Ni/Ni+Cr+Mo+Nb 于Mo,Nb元素的扩散系数.元素扩散能力的排 0.60 列顺序为Cr>Ni>Fe>Mo>Nb. 盖040 3讨论 Cr/Ni+Cr+Mo+Nb 0.20 ◆ 石 双层辉光离子Ni-Cr-Mo-Nb多元共渗的渗 Mo/Ni+Cr+Mo+Nb 层表面的扩散系数为10ms数量级，大大高 0.00 89-e二2g3 Nb/Ni+Cr+布 -0.10LL 于普通渗金属方法的扩散系数10-1~10-9ms -10 0 20 40 60 数量级.在双层辉光离子渗金属过程中，由于工 离表面距离/m 件表面受到离子的轰击，造成渗层表面空位浓 图3不同渗层深度的合金元素比率（刚wa) 度显著提高，并在滲层表面向内形成浓度梯度， 素Ni,Cr,Mo,Nb的渗入曲线方程为： 大量的空位存在，大大降低了合金元素的扩散 w=63.29-0.01696X-0.004790X2- 激活能，使合金元素的扩散速度明显提高.合 0.0001106X: 金元素表面扩散系数的增大；使合金元素在表 wc=19.08-0.005474X+0.001216- 面层扩散速度增大，浓度梯度降低，有利于在渗 0.00006694: 层表面快速形成较厚的、变化平缓的表面合金 w=7.338-0.2069X+0.002745X- 层，提高表面耐腐蚀和耐磨损性能.渗层表面合 0.00001767X: 金含量和渗层深度取决于工艺参数，试验中主 M=2.386-0.08499X+0.001007X2- 要工艺参数源极电位、阴极电位、气压、极间距、 0.000003839X: 温度都是不变的，合金元素的源极供给量也是 wr.=7.9290.3009X+0.0004932X+ 稳定的.因而合金元素的表面扩散能力的差别， 0.0001920X, 是造成渗层表面含量和各合金元素含量之间比 其中，X渗层合金的深度值，m. 率随时间变化和各渗层合金元素比率随深度变 经检验，回归效果显著.由合金元素的回归 化的主要原因.Ni,Cr元素扩散系数高于Mo,Nb 方程确定d/dy和xy,再按如下公式求解扩 元素，因而Ni,Cr元素在渗层中扩散快于Mo, 散系数D: Nb元素，造成随深度增加Ni,Cr元素比率逐渐 D-等. 增加，Mo,Nb元素比率逐渐下降：而Mo,Nb元 渗层中合金元素Ni,Cr,Mo,Nb,Fe在不同 素在表面的富集，造成了Mo,Nb元素阴极溅射 深度的扩散系数见图4.结果表明：渗层表面合 量的增加，使其吸收量降低，因而随时间增加， 金元素Cr,Ni,Fe的扩散系数比渗层内部高1个 渗层表面Mo,Nb含量下降：但合金元素总含量 数量级.另外，几种合金元素的扩散系数也存在 随时间增加而增加，渗层厚度与时间的平方根 近似成线形关系， 100.0 4结论 Cr 10.0 Ni (I)双层辉光离子Ni-Cr-Mo-Nb多元共渗可 以在纯铁表面形成高合金含量的表面Ni-Cr Fe Mo-Nb合金层.合金元素在表面合金层中呈梯 1.0 Mo 度分布，而且表面梯度较小. Nb (2)双层辉光离子Ni-Cr-Mo-Nb多元共渗存 0.1 在两类成分离析现象： 0 20 40 6070 (a)渗层中合金元素存在离析现象.随时间 离表面距离μm 增加，渗层表面Ni含量增高，Cr含量略有增高， Mo,Nb含量降低，渗层表面合金总量增加，渗 图4合金元素在渗层不同深度的扩散系数. 2 6 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 1 3 9 9 9 0 . 8 0 0 . 6 0 N N i / i + M 什 C 十 o N b 较 大的差 别 , N i , C r , F e 元 素 的扩散系数大大 高 于 M。 , N b 元素的扩散系数 . 元 素扩散能力的排 列 顺 序为 C r > iN > eF > M o >N b . 0 . 4 0 C r N/ i月毛什M o 十 N b 0 . 2 0 0 一 0 芝哥五瑕叹招如 10 L 一 1 0 0 2 0 40 60 离表面距离 /脚 图 3 不 同 渗层深度的合金元素比率 (wl lw 公 素 N i , C r , M 。 , Nb 的渗入 曲线方程 为 : 叭 i = 6 3 . 2 9 一 0 . 0 16 9 6X ` 0 . 0 0 4 7 9 0 X 2 一 0 . 0 0 0 1 10 丘丫 , ; w cr = 1 9 . 0 8 一 0 . 0 0 5 4 7 4叉年0 . 0 0 1 2 16X 2一 0 . 0 0 0 0 6 6 9 4 万 〕 ; w M 。 二 7 . 3 3 8 一 0 . 2 0 6 9火年0 . 0 0 2 7 4 5矛一 0 . 0 0 0 0 1 7 6又丫 3 ; w 场 = 2 . 3 8 6 一 0 . 0 8 4 9 9X 十0 . 0 0 1 0 0 7 X 2一 0 . 0 0 0 0 0 3 8 3从丫 3 ; w F。 = 7 . 9 2 9 + 0 . 3 0 0 9天任0 . 0 0 0 4 9 3 ZX ? + 0 . 0 0 0 19 2 Q万 , , 其 中 , X 渗层合金 的深度 值 , 脚 . 经检验 , 回 归效果 显 著 . 由合金 元素 的回归 方程确定 面中 和 枷 , 再 按如下 公 式求解扩 散系数 D : 。 1 dx r , 2少 = 一下蕊二一 1 - - 1 X Q V 。 乙 I ay 夕” 渗层 中合金元 素 iN , C r , M O , Nb , eF 在 不 同 深度 的扩散系数见 图 4 . 结果表 明 : 渗层表面合 金 元素 C r , N i , eF 的 扩散 系数 比渗层 内部 高 1 个 数量级 . 另 外 , 几种合金元素 的扩散 系数 也 存在 10 0 . 0 ō l , 、李日 !一O x 、自 0 2 0 4 0 6 0 7 0 离表面距离 /脚 图 4 合金元素在渗层不同深度 的扩散系数 3 讨 论 双层 辉 光离子 N i 一 C r 一 M O . N b 多元 共渗 的渗 层表面 的扩 散系数 为 1 0 一 , m sz/ 数量级 , 大 大高 于 普通 渗金 属方法 的扩散 系数 10 一 ’ 。 一 1 0 一 , m =s/ 数量级 . 在双层 辉光离子渗金属过程 中 , 由于工 件表面受到 离子的轰击 , 造 成渗层表面 空位浓 度显著提 高 , 并在渗层表面 向内形成浓度梯度 , 大量的空位存在 , 大大降低 了合金元 素的扩散 激活能 41[ , 使合金元素 的扩 散速 度 明显提 高 . 合 金元素表面扩散系数的增大 ; 使合 金元素在表 面层扩散速度增大 , 浓度梯度 降低 , 有利于在 渗 层表 面快速形 成较厚的 、 变化平缓 的表面合金 层 , 提高表面耐腐蚀和 耐磨损性能 . 渗层 表面合 金含量和 渗层 深 度取决于 工 艺参数 , 试验 中主 要工艺 参数源极电位 、 阴极 电位 、 气压 、 极 间距 、 温 度都是 不 变 的 , 合金 元素的源极供给 量 也 是 稳定 的 . 因而 合金元素 的表面 扩 散 能力 的 差 别 , 是 造成 渗层 表面 含量 和 各 合 金元素 含 量之 间 比 率随时间变化和 各 渗层 合 金元素 比率随深 度变 化的主 要原 因 . N i , C r 元 素扩散系数高于 M o , Nb 元素 , 因而 N i , C r 元素在渗层 中扩 散快于 M o , N b 元素 , 造 成 随深度增加 N i , C r 元素 比率逐渐 增加 , M O , N b 元素 比率逐渐下 降 ; 而 M O , N b 元 素在表面 的富集 , 造 成 了 M O , N b 元素 阴极溅射 量 的增加 , 使其吸 收量 降低 , 因 而 随 时 间增加 , 渗层表面 M O , N b 含量 下 降 ; 但合金元 素总含量 随 时 间增 加 而增加 , 渗层厚度与 时 间 的平方 根 近似成线形关 系 . 4 结论 ( l) 双层辉 光离子 iN 一 rC 一 M o . N b 多元共渗可 以在 纯 铁 表面 形成 高合 金 含 量 的表 面 N i 一 C r - M 小N七 合金 层 . 合 金 元素在表面合金层 中呈 梯 度 分布 , 而 且 表面梯度较小 . (2 )双层 辉光 离子 iN 一 rC 一 M o . N b 多元共 渗存 在 两 类成分 离析现象 : a( ) 渗层 中合金元素存在 离析现象 . 随 时 间 增 加 , 渗层 表面 N i 含量增 高 , C r 含量略有增高 , M o , N b 含量 降低 , 渗层 表 面 合金 总量增加 , 渗