[科普中国]-热扩散技术

热扩散技术主要有替位式扩散和间隙式扩散两种。杂质通过替位式扩散的扩散速度慢、需要的扩散温度高，但是可精确控制p-n结的深度和掺杂浓度；Si中硼、磷等杂质的扩散就属于替位式扩散。杂质的间隙式扩散（如金在Si中的扩散）的扩散速度很快，扩散温度较低一些。

简介热扩散技术是一种从1988年起才得以应用的高温表面变质处理技术。采用这种技术可在钢、镍合金、钻合金及硬质合金等含碳材料(最低含碳量为0.3%)表面形成一层很薄的碳化层，使被处理材料表面得以显著硬化。经热扩散处理过的材料硬度高，并具有极好的抗磨损性和抗氧化性。使用这种技术可使饭金冲模、成形刀具、辊轧成形工具等的使用寿命提高30倍。

在热扩散处理过程中，将零件浸人到889~1056℃熔化状态下的盐浴中1~8h，这个温度范围适用于淬硬大多数牌号的低合金钢和工具钢。弥散在盐浴中的碳化成分与材料基体中所含的碳原子相结合，通过碳和氮的扩散，在材料基体表面上形成一层结构致密、无气孔的碳化层。该碳化层通过扩散而非涂覆冶金粘接在材料基体表面上。

在对零件进行热扩散处理之前，应对其进行预热处理以使其变形最小，然后将其在所用材料的奥氏体化温度下进行热扩散处理。热扩散处理完成之后，将零件放置在空气或盐浴中冷却，以淬硬基体材料。接着，对零件进行适当的回火处理。奥氏体化温度高于1056℃的钢应在真空或保护盐浴中进行后处理，这样可使基体材料在热扩散处理后具有足够的硬度。经热扩散处理后在表面形成了碳化钒层，其表面硬度的维氏硬度值可达3200~3800的，而大多数用作刀具的硬质合金的维氏硬度值一般在1800左右。1

扩散机理扩散原理： 当环境温度升高时，基底材料的原子在平衡格点附近振动，它们当中有的会获得足够的能量而离开平衡格点，成为处于填隙状态的原子，同时在原格点上产生空位。当临近的杂质原子或基质原子迁移到空位时，发生空位扩散，如果迁移原子是基质原子，则称为自扩散行为，若是迁移原子是杂质原子，则称为杂质的扩散行为。2

用于气体流量计算的热扩散技术涉及气体的流量计算通常采用的是机械式的测量手段，它是一种被动的流量检测方法。其缺点是过于机械，容易受磨损、破裂的影响，测量元件附近的密封处经常受腐蚀或高压影响而容易发生泄漏;高粘度和介质中的微粒可能造成元件的污损，所有这些都能产生较大的测量误差，不仅影响效率，而且造成严重的资源浪费。近年来，热扩散技术的发展使得气体的流量计算水平有了很大的提高，热扩散设计是结合了热动力技未和电子技术的可行的综合性方法，热扩散技术是一种固定式的测量手段，它是一种主动的流量检测技术，不仅克服了上述机械式的缺点，而且可精确测量气体的质量流量。美国FCI以最新热扩散技术生产的气体质量流量计可以形象地称为“装上后即可撒手不管”的技术。它拥有无可比拟的优点:

★所有元件均无活动部件，不致于因磨损、沉积、堵塞而发生故降；

★传感头可未用316不锈钢或更好的合金材杆，无需密封，不会发生腐蚀，也不必担心高粘度和介质中的微粒对元件的污损；

★可精确测量氢气、氯气、火炬气等单一组份或多组份气体的瞬时、累积质量流量；

★连接件适用范围广，可安装于1/8英寸到30英尺的各种管道；

★高量程比，量程调节能力最大可达1000:1；

★很宽的工作温度范围；

★对很危险的应用环境，可用NEMA7或EX的防爆封装；

★电子器件设计灵活，能在现场适应绝大部分处理要求；

★FCI的产品满足FM、CSA、CENELEC和CEMark等多种认证。FCI的热扩散技术还用于流量开关、液位/界面控制器。全系列的热扩散技术产品广泛应用于采油、炼油、化工、医药食品、造纸工业、环境保护、火电厂、污水处理厂、航天工业、核电站等生产环境。3

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学