3.8 渗金属
工模具表面渗金属的特点：渗层的形成主要靠加热扩散作用；渗层与基体金属的结合，一般是靠合金来结合的。因此，比电镀、化学镀等方法形成的镀层更牢固，渗层不易脱落，这是其他镀层方法难以媲美的。
渗层具有不同于基体金属的成分和组织，因而可以使工件表面得到某种特殊的性能，如抗高温氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能。
近年来，由于不断研究和发展，出现不少新工艺，不但使渗层质量和性能明显提高，而且进一步扩大了渗金属的应用范围，在国内外得到高度重视。
1.渗铝
将铝元素渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗铝。渗铝能提高工模具抗高温氧化与耐燃气腐蚀的能力。渗铝层在大气、硫化氢、二氧化硫、碱和海水等介质中，也具有良好的耐蚀性，已较广泛地应用于工业生产。渗铝方法有：粉末法、热浸渗铝法、气体法、热喷涂扩渗法、料浆法、高频感应加热法、电泳喷涂扩散法、真空蒸镀法等。
（1）粉末渗铝 渗铝介质与处理工艺见表3-38。通常用850～950℃×4～8h，可获得50～400μm的渗铝层。渗铝剂主要为Al（或Al-Fe）-NH4Cl-Al2O3型。在渗铝过程中发生如下反应：
在上述反应中，在钢铁表面析出的[Al]活性原子渗入工件，形成完全由铝铁化合物组成的渗铝层。
表3-38 几种渗铝方法、渗剂与处理工艺
（续）
渗铝温度、保温时间、与钢中合金元素对渗铝层厚度有明显的影响，根据工件要求，可以实现局部渗和防渗。渗铝剂中的活性含量随着使用次数的增加而降低。除部分渗入工件外，铝还会被氧化掉一部分，被工件带出损耗一部分。铝消耗程度主要取决于渗铝箱的密封性、渗铝温度和保温时间，反复使用时应注意适时补充新渗剂。
（2）热浸渗铝 将钢铁制件浸入熔融铝浴中并保温一定的时间，使铝（及其他附加元素）涂敷并渗入其表层，获得铝及铝合金层的工艺方法称为热浸渗铝，又称液体渗铝或热浸镀铝。
钢板、钢管、钢丝、加热炉炉底板与构件等制品渗铝，常采用热浸渗铝或热浸铝扩散，在工业上已得到广泛应用。
在热浸渗铝温度（670～730℃）下，有三种稳定的金属间化合物相：Fe2Al、Fe2Al5、FeAl3。铁铝相图上98.1%Al（质量分数），共晶点为635℃，在该温度下，铁在铝中的最大溶解度很小，仅为0.03%（质量分数）。
实践表明，钢铁材料热浸渗铝的化合层主要是Fe2Al5、FeAl3。实际上大多是Fe2Al5相，表层为α固溶体。渗层的形成，不仅与各相的热力学稳定性有关，而且与基材、铝液成分、渗铝时间、渗铝温度等因素有关。
渗铝层的性能主要取决于渗层厚度。渗层厚度增加，塑性明显降低。因此，热浸渗铝时，在保证钢基体与渗层间良好结合力的前提下，应当控制好渗层的厚度。
（3）气体渗铝 采用井式炉进行气体渗铝有两种方法，一种是向炉内通入铝的卤化物和氢气；另一种是将颗粒状渗铝剂放入炉罐中，同时通入气体或断续加入卤化铵，经化学反应产生卤化铝气体，与工件进行反应而渗铝。几种渗剂及处理工艺列于表3-38。铝的卤化物在低温时易凝固，需经常疏通排气管。
2.渗锌
在一定的温度下使活性锌原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗锌。渗锌能大大提高钢铁对大气、海水和苯、油等有机物的耐蚀性，并能改善对硫介质的耐蚀性，是钢件材料防腐的最经济的、使用最普通的方法。渗锌层在大气中形成Zn（OH）2·ZnO，ZnCO3·Zn（OH）2的致密膜，有防护作用，大大降低腐蚀速度。对钢铁材料来说，锌的电位为负，渗锌对钢铁起阳极保护作用。渗锌层与基体结合牢固，硬度、耐磨性和耐蚀性均有提高。
渗锌有粉末渗锌与热浸锌两种。粉末渗锌又分为包装法与滚动粉末法。
（1）粉末渗锌 粉末渗锌与热浸锌、电镀锌比较，其特点是：获得渗锌层均匀，能处理热浸锌难以处理的复杂件，且成品率高；工艺设备简单，生产灵活；渗层表面光洁，耐蚀性强，还有一定的耐磨性，不存在电镀锌氢脆的缺陷；耗锌量低，对环境无锌蒸汽污染。粉末渗锌渗剂组分及工艺见表3-39。
表3-39 粉末渗锌渗剂及工艺
渗锌剂组分可以在很大范围内变化，甚至可以不加卤化物渗剂，但渗速稍慢。通常粉末包装法渗锌的工作温度在340～440℃范围内，也有用500℃的。
滚动粉末渗锌法是将钢件和渗剂按一定比例装入滚动（或旋转）的炉罐中，加热滚动炉罐，实现“动态”下的扩散渗锌。此工艺的特点是：锌粉与工件接触充分，活性强；加热速度比粉末包装法快，渗锌时间缩短，渗层更均匀，耗锌量更少，且表面锌的浓度高；设备较贵，但劳动条件较好。
（2）热浸锌 将钢铁工件浸入锌浴中并保持一定的时间，使锌涂敷并渗入其表层的工艺方法称为热浸锌，又称热浸镀锌或热镀锌。
钢材的化学成分，甚至某些元素，如C、Si的存在形式，决定着钢铁制品是否适合热浸锌，而且对浸锌层的外观和性能有显著影响。当钢中的碳含量<0.25%（质量分数），磷含量<0.05%，锰含量<1.35%，硅含量<0.05%时，无论存在的形式是游离态或化合态，都可使用常规的浸锌工艺。
热浸锌的锌浴主要有Zn及5%Al、Zn-Ni等元素。单纯锌浴已基本不用，在锌浴中加入适量的Al、Mg、Si、Ti、Sn等元素，有利于提高浸镀层的耐蚀性（如加入Al、Mg），有利于改善外观（如加入Si）或提高镀层与基体的结合力（如加入Sn）。
工件在热浸锌之前，按工艺要求清洗干净，助镀剂通常采用氯化锌和氯化铵。热浸锌的工作温度通常在445～465℃（450℃最佳），当温度达到或超过480℃时，钢铁在锌里的溶解速度特别快，对工件和坩埚都有损害。
热浸时间一般为1～5min，用离心法或擦法去除工件上多余的锌。
热浸锌后，进行530～570℃×10～60min的扩散处理，以提高渗层的塑性和耐蚀性。
（3）真空渗锌 除了粉末渗锌、热浸锌外，还有真空渗锌法。后者也是由锌铁扩散反应形成的渗锌层。因此，真空渗锌层的组织、性能及应用范围与粉末渗锌基本一致。与粉末渗锌相比，真空渗锌具有以下优点：渗锌过程中锌的氧化损耗小，锌的利用率高；工艺稳定，渗层重复性好；渗层质量好，渗层表面无氧化。
3.渗钒
在一定的温度下使活性钒原子渗入工件表面层的化学热处理工艺称为渗钒。其主要特点是表面硬度很高，耐磨性好，有良好的耐蚀性，质量稳定，重复性好，可有效地提高工模具的寿命。渗钒方法有几种，目前以硼砂熔盐法应用较多。常用渗钒剂及工艺见表3-40。
表3-40 常用渗钒剂组分及处理工艺
（续）
工具钢渗钒后表面硬度为2290～2900HV，渗层厚度为20μm左右。渗钒后尚需淬火回火处理，对于淬火温度高于渗钒温度的材料（如Cr12MoV），可在渗钒以后继续升温至淬火温度，零保温淬火；而当淬火温度低于渗钒温度（如9SiCr）时，则在渗钒后空冷，继以细化晶粒正火，然后重新加热淬火。
4.渗钛
在一定的温度下使活性钛原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗钛。渗钛的目的是提高工件的耐蚀性、耐磨性和热稳定性。渗钛的方法有多种，渗钛工艺见表3-41。
表3-41 渗钛工艺
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5.渗硅
将硅元素渗入工件表层的化学热处理工艺称渗硅。渗硅工艺见表3-42。
渗硅可提高钢件的耐蚀性、抗高温氧化性，有的可改善减磨性，提高电工钢的导磁性。
表3-42 渗硅工艺
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