渗碳处理技术

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1、渗碳处理技术渗碳硬化乃表面硬化法之一种，属于化学表面硬化法。渗碳者先于钢之表面 产生初生态之碳，而后使之渗入钢之表面层，逐渐扩散入内部。初生态之碳乃由 CO或CH4等气体分解而得。CO之来源或由含有CO之气体得之，或由固体渗 碳剂之反应而产生于渗碳容器内，或者由含有氰化物之盐浴得之。初生态之碳由 钢之表面扩散入内部时，钢之温度须增高至沃斯田铁化温层范围内，使初生态之 碳埂于扩散，盖沃斯田铁可溶解较多之 C而肥粒铁则溶解力极小，故渗碳温 度必须在Ac3要以上之温度。以便渗碳作用得以进行。再配合各种热处理法，使 得钢之去面生成高碳硬化心部低碳之低硬度层。使处理供具有表面硬而耐磨，心 部韧而耐冲击之

2、性质。一、渗碳处理之种类与特点:(一)渗碳法之种类渗碳法按使用之渗碳剂而可分为如下三大类:(1) 固体渗碳法：以木炭为主剂的渗碳法。(2) 液体渗碳法：以氰化钠(NaCN)为主剂之渗碳法。(3) 气体渗碳法：以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法。(二)渗碳法之比较(1) 固体渗碳法长处：(a) 设备费便宜，操作简单，不需高度技术。(b) 加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。(c) 大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利。(d) 适合多种少量生产。短处:(a) 渗碳深度及表面碳浓度不易正确调节，有过剩渗碳的倾向。处理件变形大。(b) 渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。(c) 作业环境不

3、良，作业人员多。(2) 液体渗碳法长处：(a) 适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。(b) 容易均热、急速加热，可直接淬火。(c) 适小件、薄渗碳层处理件。(d) 渗碳均匀，表面光辉状态。短处：(a) 不适于大形处理件的深渗碳。(b) 盐浴组成易变动，管理上麻烦。(c) 有毒、排气或公害问题应有对策。(d) 处理后，表面附着盐类不易洗净，易生锈。(e) 难以防止渗碳。有喷溅危险。(3) 气体渗碳法长处：(a) 适于大量生产。(b) 表面碳浓度可以调节。(c) 瓦斯流量、温度、时间容易自动化，容易管理。短处：(a) 设备费昂贵。(b) 处理量少时成本高。(c) 需要专门作业知识。二、固体渗碳

4、法:将表面渗碳钢作成的工件，连同渗碳剂装入渗碳箱而密闭，装入加热炉，加热成 沃斯田铁状态，使碳从钢表面侵入而扩散，处理一定时间后，连同渗碳箱冷却， 只取出渗碳处理工件，进行一次淬火、二次淬火、施行回火。此固体渗碳在渗碳法中历史最老，不适于连续处理大量工件，作业环境不良，已 有衰退倾向，不过炉及其它设备也较简单，多种少量的处理也较方便，不至于完 全绝迹。固体渗碳的渗碳机构以气体渗碳为基础，亦即箱内的固体渗碳剂与箱内空气中的 氧反应，成为二氧化碳(C02)，CO2再与碳反应，生成一氧化碳(CO)。CO在钢表面分解，析出碳C。2 CO =C+ CO2(3)C异于普通的碳，此种在钢表面分解的原子状碳（

5、atomic Carbon）即 称为活性碳或初生态碳（n asce nt Carb on）的活性强的碳，本讲义表成C； 另一方面，钢材表面副生的CO2再在固体渗碳剂表面依（2）式生成CO,依（3） 式分解而析出C，此反应连续反复进行，碳从钢材表面侵入扩散，而渗碳。前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。Fe + 2 CO = Fe - C + CO2渗碳用之碳素，如以渗碳性之强度顺序列之，可排如木炭、焦炭、石墨、骨炭。 通常使用木炭为主剂，再添加若干渗碳促进剂。一般以碱金属的碳酸盐为促进剂, 碳酸盐中的碳酸锂（LiCO3）、碳酸锶（Sr C03）、碳酸钾（K C03）、的促进 能大，但昂贵，工业上

6、采用碳酸钡（Ba CO3）、碳酸钠（Na2 CO3）为多。虽 促进能不如，但有耐久性，Na2 CO3快劣化，所以通常木炭加Ba CO32030%， 或再加10%以下的Na2 CO3为渗碳剂。固体渗碳处理程序下:先将处理工件去锈，脱脂以适当的间隔（2025血以上）排列于渗碳箱中, 周围填围渗碳剂，加盖以粘土封密装入如图五之电气炉，坑式炉也可用。加热保 持一定时间。在炉中经过所定后，在炉内徐冷或者由炉中拖出空冷，后进行热处理。渗碳钢的表面为高碳钢，心部为低碳钢，有必要施行适用各部份的硬化处理，一 般籍一次淬火将心部组织微细化，其次藉二次淬火将渗碳层硬化，最后藉回火使 硬化层的组织安定化。但依钢材的

7、种类及使用目的而有适当的热处理，镍铬钢、镍铬钼钢等的结晶 粒粗大化少，未必要一次淬火，渗碳后实施球状化退火者已达一次淬火的目的， 亦无此必要；一次淬火的淬火温度高，变形大，容易脆裂，要尽量避免；渗碳层 浅的小工件通常省略一次淬火。二次淬火后，施行回火，消除应力，赋予韧性、分解残留沃斯田铁，防止时效变 形，要求高硬度者在150C以下长时回火，忌讳时效变形者，可在稍高的180 200C回火。三、液体渗碳法:液体渗碳法为将工作件浸渍于盐浴中行渗碳之方法。因盐浴之淬火性良好， 因此可减少工作件之变形，并可使处理件加热均匀。升温迅速，操作简便，便于 多种少量的生产。尤其在同一炉，可同时处理不同渗碳深度的

8、处理件。液体渗碳是以氰化钠(NaCN)为主成分，所以同时能渗碳亦能氰化，所以 亦称为渗碳氮化(Carbonitriding),有时亦称为氰化法(Cyaniding)。处理 温度约以700C界，此温度以下以氮化为主，渗碳为辅，700C以上则渗碳为主， 氮化为辅，氮化之影响极低。一般工业上使用时，系以渗碳作用为主。液体渗碳法虽硬化层薄，但渗碳时间短，故内部应力较少，同时因C、N同 时惨入，所以耐磨性佳。液体渗碳反应是利用氰化物（NaCN）分解，先在浴面与空气中的氧、水分、 氧化碳反应变成氰酸盐。2 NaCN + 02 = 2 NaCNO（1）NaCN + CO2 = NaCNO + CO（2）氰酸

9、盐在高温分解生成CO或N。4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N（3）在较低温时反应如下：5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N（4）生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。Fe + 2 CO = Fe - C + CO2（5）般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠（Na2 C03）、氯化钡（Ba Cl2）、氯化 钠（Na Cl2）等，比起NaCN单盐，表面碳浓度低，扩散层增加，900C时的 碳浓度最高，这是由于钡盐的促进作用大，而且熔点变高，浴的粘性也增加，影 响渗碳作用。渗碳盐浴的容器通常使用软铁、镍铬钢、耐热钢，不过，氧化

10、侵蚀很激烈， 施行渗铝防锈法可延长寿命；容器形状宜是内容积大、表面积小、接触空气的面 少，蒸发挥散量也少，但是容器的上部与下部渗碳力不同，所以要注意盐浴搅拌。与渗碳处理的零件安装于适当的夹具，预热到200-500C后浸入盐中，尽 量防止盐浴温度降低及热变形。浴底堆积很多氧化物，处理品接触它时会变形，所以须预先调节夹具，使处理品 与浴底之间有充分的余裕。如前所述，NaCN会随熔融时间而劣化，渗碳能降低，所以作业中要定期分 析CN, CN不够时，添加指定的补给剂，保持渗碳能在前面所述的钢箔试验可 简易试出渗碳能，因NaCN有吸湿性，若将含有水分的补给剂投入加热浴中， 则会溅散，须利用炉的隔热壁干燥

11、。渗碳终了后可直接淬火，不过渗碳温度高时，可先浸入保持淬火温度的中性 盐浴中，然后淬火。表6-1为各种淬火方法之比较。回火系去除淬火时发生之残留应力。且将之部分之残留沃斯田铁变为麻田散 铁。温度过高则硬度会降低，一般以150200C为最适宜。表6-1液体渗碳后之淬火法旧方法新方法A法液体渗碳后冷却至室 温，然后再加热至 800 C淬火于水中。液体渗碳后淬火于 500600C之浴中，然后速即加热至800C淬火于水中。B法（高合金钢）液体渗碳后冷却至室 温，在650C作中间退 火，再加热至800C后 水冷。同上C法二次淬火法Case, Core 之调质硬化。液体渗碳后淬火于500600C之热浴中再

12、 加热至900C，然后再次 淬火于500600C之热 浴中，最后再次加热至800 C后水淬火之。四、气体渗碳法:气体渗碳，由于适合大量生产化，作业可以简化，质量管理容易算特点，目 前最普遍被采用。此法有变成气体(或称发生气体)及滴注式之两种。变成气体方式之方法是将碳化气体(C4H10, C3H8, ch4等)和空气相混合 后送入变成炉(Gas generator)，在炉内10001100C之高温下，使碳化 氢和空气反应而生成所谓变成气体(Converted Gas)，由变成炉所生成的气 体有各种称呼，本文方便上叫做变成气体。变成气体以CO、H2、N2,为主成份, 内含微量co2、h2o、ch4

13、,然后将此气体送进无外气泄入的加热炉内施行渗碳。 渗碳时，因所需的渗碳浓度不同，在变成气体内添加适当量的c4h10、c3h8、 ch4等以便调渗碳浓度。气体渗碳有关的反应如下所示:2CO =C+ CO2(1)CO + H2 =C+ H2O(2)CH4=C+ 2 H2(3)C2H6=C+ CH4+ H2(4)。3屯=C+ C2H6+ H2(5)此处析出的碳为活性碳C，此碳渗入钢中扩散而渗碳。高级碳化氢以式（4）、（5 ）的反应依序分解，成为低级碳化氢，最后成为 CH4,进行式（3）的分解，式（4）、（5）的分解速度比式（3）快。这些反应还会引起下示的副反应H2+ CO2 = CO + H2O（6

14、）CH4+ CO2= 2CO + 2 H2（7）CH4+ H2O = CO + 3 H2（8）以上为气体渗碳的基本反应。进行气体渗碳时，需要前述的气体变成炉、处理炉及其它附属设备，都属于 气密式炉体，炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。在变成炉变成的渗碳性气体，以对应于处理目的的气体组成或露点的气体导 入处理炉。此气体参与钢的渗碳，会副生CO2,减低渗碳性，为了从钢材表面除去co2, 有必要以某速度以上使渗碳性气体流动，调节气体流量，使炉内气体每1小时 置换510次，又为了防止炉外的氧化性气体混入，炉内压力要保持稍高于1 气体。取出、装入处理品之际，要实施火陷帘，防止空气混入，免得爆炸。渗碳终了后进

15、行淬火，不过渗碳温度当作淬火温度时太高的话，可降低气体 的碳位，降低炉温，成为淬火适温后淬冷。淬火用油若不适当，则即使在炉内为光辉状态，淬入油中时也会氧化着色， 达不到光辉处理的目的；淬火油阻害光辉性的因子有油的氧化、残留碳、硫量等 油的性状或直接与组成有关者，或微量的水分及空气混入的活，也会降低光辉度。气体渗碳后降低温度至800C以后直接淬火于水或油中，此时若使用麻淬火 之处理则可减少淬火变形，又气体渗碳后之组织，其表皮含碳浓度与芯部含碳量 之间有显著之差异，所以渗碳后须施以扩散退火(900950C)，此后在800C 淬火之，淬火后必须在150180C施以低温回火。渗碳后之热处理一般依渗碳温度而分为二种:(1)渗碳温度在钢件原含碳量之Ac3上方时，渗碳后中心部份之组织变成微 细，表皮则为粗大，此时热处理只须将表皮之粗大晶粒处理成微细晶粒即可，故 将渗碳后之钢件，加热至A稍上方(780C附近)淬火即可。(2)若渗碳温度在Ac3上方甚高温度处，则中心部晶粒亦成为粗大，此时须 经二次热