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1、 5.2 钢的渗碳一、渗碳的目的、分类及应用1:定义：钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。2:目的：渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。3：分类：根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为 a）固体渗碳法、b)液体渗碳法及 c)气体渗碳法三种。a）固体渗碳法：固体渗碳法是把渗碳工件装入有固体渗剂的密封箱内(一般采用黄泥或耐火粘土密封)，在渗碳温度加热渗碳固体渗碳剂主要由一定大小的固体炭粒和起催渗作用的碳酸盐组成。常用渗剂成分
2、及其化学反应原理已如前所述.常用固体渗碳温度为900930。因为据铁碳状态图，只有在奥氏体区域，铁中碳的浓度才可能在很大范围内变动，碳的扩散才能在单相的奥氏中进行。900930这个温度恰好较渗碳钢的 Ac3点稍高，保证了上述条件的实现。扩散速度与温度的关系为温度愈高，扩散速度愈快。按理可以采取比上述更高的温度进行渗碳。但温度过高，奥氏体晶粒要发生长大，因而将降低渗碳件的机械性能。同时，温度过高，将降低加热炉及渗碳箱的寿命，也将(观看离子渗碳炉的动画演示）增加工件的挠曲变形。固体渗碳时，由于固体渗碳剂的导热系数很小，传热很慢，更由于渗碳箱尺寸往往又不相同，即使是尺寸相同，可是工件大小及装箱情况(
3、渗碳剂的密实度，工件间的距离等)也不全相同，因而渗碳加热时间对渗层深度的影响往往不能完全确定。在生产中常用试棒来检查其渗碳效果。一般规定渗碳试棒直径应大于 lOmm，长度应大于直径。固体渗碳时，渗碳温度、渗碳时间和渗层深度间的经验数据可在有关热处理手册中查到。但这些数据只能作为制订渗碳工艺时参考，实际生产时应通过试验进行修正。b)液体渗碳法：液体渗碳是在能析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。液体渗碳其优点是加热速度快，加热均匀，便于渗碳后直接淬火。缺点是多数盐浴有毒。渗碳盐浴一般由三部分组成。第一部分是加热介质，通常用 NaCl 和 BaCl2或 NaCl 和KCl 混合盐。第二部分是活性碳
4、原子提供物质，常用的是剧毒的 NaCN 或 KCN，我国有的地区采用“603 渗碳剂，其配方是粒度为 100目的木炭粉，5NaCl，10KCl，15Na2CO3和20(NH2)2CO，达到原料无毒，但反应产物仍有毒。第三部分是催渗剂，常用的是占盐浴总量530的碳酸盐(Na2CO3或 BaCO3)。c)气体渗碳法：气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法.渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体，如煤油、等直接滴入炉内汽化所得。二：滴注式可控气氛渗碳与吸热式气氛气体渗碳工艺原理1：滴注式可控气氛渗碳原理：滴注式可控气氛渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生得气体碳势较低，另一种液体
5、产生的气体碳势较高，作为富化气。改变两种气体的滴入比例，可使零件表面的含碳量控制在要求的范围内。2：吸热式渗碳气氛渗碳：用吸热式气氛进行渗碳时，往往用吸热式气氛加富化气的混合气进行渗碳。其碳势控制靠调节富化气的添加量来控制.(观看 Flash 演示）三：渗碳后的热处理：工件渗碳后，提供了表层高碳，心部低碳这样一种含碳量的工件。为了得到合乎理性的性能，尚需要进行适当的热处理。常见的渗碳后的热处理有以下几种。1）直接淬火：在工件渗碳后，预冷到一定温度，然后立即进行淬火冷却。这种方法一般适用于气体渗碳或液体渗碳。2）一次加热淬火：渗碳后缓冷，再次加热淬火。3）两次淬火：在渗碳缓冷后进行再次加热淬火。
6、第一次淬火温度在 Ac3以上，第二次淬火加热温度选择在高于渗碳层成分的 Ac1点温度（780820 度） 。不论采用哪种淬火方法，渗碳件的最终淬火后要经180220度的低温回火。四：真空渗碳： 真空渗碳和普通渗碳工艺参数如下图所示： 真空渗碳和普通渗碳相比具有以下优点：1）：渗碳时间显著缩短。 2）渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过度渗碳的危险。3）能直接使用天然气作渗碳剂，不需要气体发生炉。4）作业条件好，如排除了烟，热对环境的污染。五：渗碳后的组织和性能1:渗碳层的组织 在正常情况下，渗碳层在淬火后组织从表面到心部依次为：马氏体和残余奥氏体加碳化物马氏体加残余奥氏体马氏体心部组织。心部组织
7、在完全淬火情况下为低碳马氏体；淬火温度较低的为马氏体加游离铁素体；在淬透性较差的钢中，心部为曲氏体加铁素体。2：渗碳件的性能渗碳件的性能是渗层和心部的组织结构即及渗层深度与工件直径相对比例等因素的综合反应。1）渗碳层的组织结构 其组织结构包括渗碳层碳浓度分布曲线、基体组织、渗层中的第二相分布、数量和形状。一般希望渗层浓度梯度平缓。表面含碳量应控制在0.9左右。渗层中的残余奥氏体的量不宜超过30，2）心部组织对渗碳件性能的影响 合适的心部组织应为低碳马氏体。但在零件尺寸较大时，也允许为曲氏体或索氏体，根据零件来决定，但不允许有大块状或多量的铁素体。3）渗碳层与心部的匹配对渗碳件性能的影响 渗碳层
8、的深度越深，可以承载接触应力越大。六：渗碳缺陷及控制:缺陷主要有以下几种 :1:黑色组织：在含 Gr，Mn 及 Si 等合金元素的渗碳钢渗碳淬火后，在深渗层表面组织中出现沿晶界呈现断续网状的黑色组织。如下图5-22所示：钢渗碳淬火后在未经腐蚀的金相试样上看到的黑色组织预防黑色组织的办法是注意渗碳炉的密封性能，降低炉气中的含氧量一旦工件上出现黑色组织时，若其深度不超过0.02mm, 可以增加一道磨削工序，把其磨去，或进行表面喷丸处理。5-22 黑色组织 5-23 反常组织2 反常组织这种组织在前述过共析钢退火组织缺陷中已看到过。其特征是在先共析渗碳体周围出现铁索体层在渗碳件中，常在钢中含氧量较高
9、(如沸腾钢) 的固体渗碳时看到。图5-23为渗碳层中看到的反常组织。具有反常组织的钢经淬火后易出现软点。补救办法是，适当提高淬火温度或适当延长淬火加热的保温时间，使奥氏体均匀化，并采用较快的淬火冷却速度。3， 粗大网状碳化物组织形成原因可能是由于渗碳剂活性太大，渗碳阶段温度过高，扩散阶段温度过低及渗碳时间过长引起。预防补救的办法是分析其原因，采取相应措施，对已出现粗大网状碳化物的零件可以进行温度高于 ACcm 的高温淬火或正火。4 渗碳层深度不均匀成因很多，可能由于原材料中带状组织严重，也可能由于渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉气循环不均匀，零件表面有氧化膜或不干净，炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造成预防措施，应分析其具体原因，采取相应措施。5 表层贫碳或脱碳其成因是扩散期炉内气氛碳势过低，或高温出炉后在空气中缓冷时氧化脱碳，补救办法是在碳势较高的渗碳介质中进行补渗。在脱碳层小于002mm 情况下可以采用把其磨去或喷丸等办法进行补救。 6 表面腐蚀和氧化渗碳剂不纯，含杂质多，如硫或硫酸盐的含量高，液体渗碳后零件表面粘有残盐，均会引起腐蚀渗碳后零件出炉温度过高，等温盐浴或淬火加热盐浴脱氧不良，都可引起表面氧化，应仔细控制渗碳剂盐浴成分，并对零件表面及时清洗，
