滲碳表面硬化處理法

1、滲碳表面硬化處理法滲碳硬化乃表面硬化法之一種， 屬于化學(xué)表面硬化法。 滲碳者先于鋼之表面 產(chǎn)生初生態(tài)之碳，而后使之滲入鋼之表面層， 逐漸擴散入內(nèi)部。 初生態(tài)之碳乃由 CO或CH4等氣體分解而得。CO之來源或由含有CO之氣體得之，或由固體滲碳劑 之反應(yīng)而產(chǎn)生于滲碳容器內(nèi)， 或者由含有氰化物之鹽浴得之。 初生態(tài)之碳由鋼之 表面擴散入內(nèi)部時， 鋼之溫度須增高至沃斯田鐵化溫層范圍內(nèi)， 使初生態(tài)之碳埂 于擴散，蓋沃斯田鐵可溶解較多之C而肥粒鐵則溶解力極小，故滲碳溫度必須在 Ac3 要以上之溫度。 以便滲碳作用得以進(jìn)行。再配合各種熱處理法，使得鋼 之去面生成高碳硬化心部低碳之低硬度層。 使處理供具有表面硬

2、而耐磨， 心部韌 而耐沖擊之性質(zhì)。一、 滲碳處理之種類與特點：( 一) 滲碳法之種類滲碳法按使用之滲碳劑而可分為如下三大類： (1) 固體滲 碳法：以木炭為主劑的滲碳法。(2)液體滲碳法：以氰化鈉(NaCN)為主劑之滲碳 法。 (3) 氣體滲碳法：以天然氣、丙烷、丁烷等氣體為主劑的滲碳法。( 二) 滲碳法之比較 (1) 固體滲碳法長處： (a) 設(shè)備費便宜，操作簡單， 不需高 度技術(shù)。 (b) 加熱用熱源，可用電氣、瓦斯、燃料油。 (c) 大小工件均適，尤其對 大形或需原滲碳層者有利。 (d) 適合多種少量生產(chǎn)。短處： (a) 滲碳深度及表面碳 濃度不易正確調(diào)節(jié)，有過剩滲碳的傾向。處理件變形大

3、。 (b) 滲碳終了時，不易 直接淬火，需再加熱。 (c) 作業(yè)環(huán)境不良，作業(yè)人員多。(2) 液體滲碳法長處： (a) 適中小量生產(chǎn)。設(shè)備費便宜。不需高度技術(shù)。 (b) 容易均熱、 急速加熱， 可直接淬火。 (c) 適小件、 薄滲碳層處理件。 (d) 滲碳均勻， 表面光輝狀態(tài)。短處： (a) 不適于大形處理件的深滲碳。 (b) 鹽浴組成易變動，管 理上麻煩。 (c) 有毒、排氣或公害問題應(yīng)有對策。 (d) 處理后，表面附著鹽類不易 洗凈，易生銹。 (e) 難以防止?jié)B碳。有噴濺危險。(3) 氣體滲碳法長處： (a) 適于大量生產(chǎn)。 (b) 表面碳濃度可以調(diào)節(jié)。 (c) 瓦斯 流量、溫度、時間容易

4、自動化，容易管理。短處： (a) 設(shè)備費昂貴。 (b) 處理量少 時成本高。 (c) 需要專門作業(yè)知識。二、 固體滲碳法：將表面滲碳鋼作成的工件， 連同滲碳劑裝入滲碳箱而密閉，裝入加熱爐，加 熱成沃斯田鐵狀態(tài)，使碳從鋼表面侵入而擴散， 處理一定時間后， 連同滲碳箱冷 卻，只取出滲碳處理工件，進(jìn)行一次淬火、二次淬火、施行回火。此固體滲碳在滲碳法中歷史最老， 不適于連續(xù)處理大量工件， 作業(yè)環(huán)境不良， 已有衰退傾向，不過爐及其它設(shè)備也較簡單， 多種少量的處理也較方便， 不至于 完全絕跡。 固體滲碳的滲碳機構(gòu)以氣體滲碳為基礎(chǔ)， 亦即箱內(nèi)的固體滲碳劑與箱 內(nèi)空氣中的氧反應(yīng)，成為二氧化碳(CO2)，CO2

5、再與碳反應(yīng)，生成一氧化碳(CO)。 C + O2 = CO2C + CO2 = 2 COCO鋼表面分解，析出碳C。2 CO = C+ CO2 C異于普通的碳，此種在鋼表面分解的原子狀碳 (atomic Carbon)即稱為 活性碳或初生態(tài)碳(nascent Carbon)的活性強的碳，本講義表成C；另一方面， 鋼材表面副生的CO2再在固體滲碳劑表面依式生成CO依式分解而析出 C，此反應(yīng)連續(xù)反復(fù)進(jìn)行，碳從鋼材表面侵入擴散，而滲碳。前述反應(yīng)與鐵(Fe)組合成滲碳反應(yīng)。Fe + 2 CO = Fe - C + CO2 滲碳用之碳素，如以滲碳性之強度順序列之，可排如木炭、焦炭、石墨、骨 炭。通常使用木

6、炭為主劑， 再添加若干滲碳促進(jìn)劑。 一般以堿金屬的碳酸鹽為促進(jìn)劑，碳酸鹽中的碳酸鋰 (LiCO3) 、碳酸鍶(Sr C03)碳酸鉀(K C03)的促進(jìn)能大，但昂貴，工業(yè)上采用碳酸鋇(Ba C03) 碳酸鈉(Na2 C03)為多。雖促進(jìn)能不如，但有耐久性， Na2 C03快劣化，所以通 常木炭加Ba C0320-30% 或再加10%以下的Na2 C03為滲碳劑。固體滲碳處理程序下：先將處理工件去銹，脫脂以適當(dāng)?shù)拈g隔 (2025伽以 上)排列于滲碳箱中，周圍填圍滲碳劑，加蓋以粘土封密裝入如圖五之電氣爐， 坑式爐也可用。加熱保持一定時間。在爐中經(jīng)過所定后， 在爐內(nèi)徐冷或者由爐中拖出空冷，后進(jìn)行熱處理

7、。滲碳 鋼的表面為高碳鋼，心部為低碳鋼， 有必要施行適用各部份的硬化處理， 一般籍 一次淬火將心部組織微細(xì)化， 其次藉二次淬火將滲碳層硬化， 最后藉回火使硬化 層的組織安定化。但依鋼材的種類及使用目的而有適當(dāng)?shù)臒崽幚恚?鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等的結(jié)晶 粒粗大化少，未必要一次淬火，滲碳后實施球狀化退火者已達(dá)一次淬火的目的， 亦無此必要；一次淬火的淬火溫度高，變形大，容易脆裂，要盡量避免；滲碳層 淺的小工件通常省略一次淬火。二次淬火后，施行回火，消除應(yīng)力，賦予韌性、 分解殘留沃斯田鐵，防止時效變形，要求高硬度者在150C以下長時回火，忌諱時效變形者，可在稍高的180200E回火。三、液體滲碳法：液體滲碳

8、法為將工作件浸漬于鹽浴中行滲碳之方法。因鹽浴之淬火性良好， 因此可減少工作件之變形，并可使處理件加熱均勻。升溫迅速，操作簡便，便于 多種少量的生產(chǎn)。尤其在同一爐，可同時處理不同滲碳深度的處理件。液體滲碳是以氰化鈉(NaCN)為主成分，所以同時能滲碳亦能氰化，所以亦稱 為滲碳氮化 (Carbonitriding) ，有時亦稱為氰化法 (Cyaniding) 。處理溫度約以 700r界，此溫度以下以氮化為主，滲碳為輔，700r以上則滲碳為主，氮化為輔， 氮化之影響極低。一般工業(yè)上使用時，系以滲碳作用為主。液體滲碳法雖硬化層薄，但滲碳時間短，故內(nèi)部應(yīng)力較少，同時因C、N同時慘入，所以耐磨性佳。液體滲

9、碳反應(yīng)是利用氰化物(NaCN)分解，先在浴面與空 氣中的氧、水分、二氧化碳反應(yīng)變成氰酸鹽。 2 NaCN + 02 = 2 NaCN0NaCN + C02 =NaCN0 + C0K酸鹽在高溫分解生成 CC或 N。4 NaCN0 = 2 NaCN0 + Na2 C03 + C0 +2 N在較低溫時反應(yīng)如下： 5 NaCN0 = 3 NaCN0 + Na2 C03 + C02 + 2N生成的C0及 N與Fe反應(yīng)而進(jìn)行滲碳及氮化。Fe + 2 C0= Fe - C + C02Fe + N = Fe - C 一般用的滲碳劑是在中添加碳酸鈉(Na2 CO3)氯化鋇(Ba Cl2)、氯化鈉(Na Cl2)

10、等，比起NaCN單鹽，表面碳濃度低，擴散層增加，900r時的碳濃度最高， 這是由于鋇鹽的促進(jìn)作用大，而且熔點變高，浴的粘性也增加，影響滲碳作用。滲碳鹽浴的容器通常使用軟鐵、鎳鉻鋼、耐熱鋼，不過，氧化侵蝕很激烈， 施行滲鋁防銹法可延長壽命；容器形狀宜是內(nèi)容積大、表面積小、接觸空氣的面 少，蒸發(fā)揮散量也少， 但是容器的上部與下部滲碳力不同， 所以要注意鹽浴攪拌。與滲碳處理的零件安裝于適當(dāng)?shù)膴A具，預(yù)熱到200500r后浸入鹽中，盡量防止鹽浴溫度降低及熱變形。浴底堆積很多氧化物，處理品接觸它時會變形， 所以須預(yù)先調(diào)節(jié)夾具，使處理品與浴底之間有充分的余裕。如前所述，NaCN會隨熔融時間而劣化，滲碳能降低

11、，所以作業(yè)中要定期分 析CN CN不夠時，添加指定的補給劑，保持滲碳能在前面所述的鋼箔試驗可簡 易試出滲碳能，因NaCN有吸濕性，若將含有水分的補給劑投入加熱浴中，則會 濺散，須利用爐的隔熱壁干燥。滲碳終了后可直接淬火，不過滲碳溫度高時，可 先浸入保持淬火溫度的中性鹽浴中，然后淬火。 下表為各種淬火方法之比較。 回 火系去除淬火時發(fā)生之殘留應(yīng)力。 且將之部分之殘留沃斯田鐵變?yōu)槁樘锷㈣F。 溫 度過高則硬度會降低，一般以150200C為最適宜。四、氣體滲碳法： 氣體滲碳，由于適合大量生產(chǎn)化，作業(yè)可以簡化，品質(zhì)管制容易算特點，目 前最普遍被采用。此法有變成氣體 (或稱發(fā)生氣體 )及滴注式之兩種。變成

12、氣體方式之方法是將碳化氣體(C4H10, C3H8 CH4等)和空氣相混合后 送入變成爐(Gas generator)，在爐內(nèi)10001100C之高溫下，使碳化氫和空氣 反應(yīng)而生成所謂變成氣體 (Converted Gas) ，由變成爐所生成的氣體有各種稱呼，本文方便上叫做變成氣體。變成氣 體以CO H2、N2,為主成份，內(nèi)含微量CO2 H2O CH4然后將此氣體送進(jìn)無外 氣泄入的加熱爐內(nèi)施行滲碳。滲碳時， 因所需的滲碳濃度不同， 在變成氣體內(nèi)添 加適當(dāng)量的C4H10 C3H8 CH4等以便調(diào)滲碳濃度。氣體滲碳有關(guān)的反應(yīng)如下所示：2CO =C+ CO2(1)CO + H2 = C+ H2O (

13、2)CH4 =C+ 2 H2 (3)C2H6 =C+ CH4 + H2 (4)C3H8 = C + C2H6 + H2 (5)此處析出的碳為活性碳C，此碳滲入鋼中擴散而滲碳。高級碳化氫以式 (4)(5) 的反應(yīng)依序分解， 成為低級碳化氫， 最后成為 CH4，進(jìn)行式 (3) 的分解，式 (4)(5) 的分解速度比式 (3) 快。這些反應(yīng)還會弓I起下示的畐I反應(yīng) H2 + CO2 = CO + H2O(6)CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2(7)CH4 + H2O = CO + 3 H2(8)以上為氣體滲碳的基本反應(yīng)。進(jìn)行氣體滲碳時， 需要前述的氣體變成爐 處理爐及其它附屬設(shè)備，都屬于

14、氣密式爐體，爐內(nèi)有風(fēng)扇使?jié)B碳及溫度均勻化。在變成爐變成的滲碳性氣體， 以對應(yīng)于處理目的的氣體組成或露點的氣體導(dǎo) 入處理爐。此氣體參與鋼的滲碳，會副生CO2減低滲碳性，為了從鋼材表面除去 CO2 有必要以某速度以上使?jié)B碳性氣體流動， 調(diào)節(jié)氣體流量， 使?fàn)t內(nèi)氣體每 1 小時置 換 510次，又為了防止?fàn)t外的氧化性氣體混入， 爐內(nèi)壓力要保持稍高于 1 氣體。取出、裝入處理品之際，要實施火陷簾，防止空氣混入，免得爆炸。滲碳終了后進(jìn)行淬火， 不過滲碳溫度當(dāng)作淬火溫度時太高的話， 可降低氣體 的碳位，降低爐溫，成為淬火適溫后淬冷。淬火用油若不適當(dāng)，則即使在爐內(nèi)為光輝狀態(tài)，淬入油中時也會氧化著色， 達(dá)不到光

15、輝處理的目的；淬火油阻害光輝性的因子有油的氧化、殘留碳、 硫量等 油的性狀或直接與組成有關(guān)者， 或微量的水分及空氣混入的活， 也會降低光輝度。 氣體滲碳后降低溫度至800r以后直接淬火于水或油中，此時若使用麻淬火之處 理則可減少淬火變形， 又氣體滲碳后之組織， 其表皮含碳濃度與芯部含碳量之間 有顯著之差異，所以滲碳后須施以擴散退火(900950r)，此后在800C淬火之， 淬火后必須在150180E施以低溫回火。滲碳后之熱處理一般依滲碳溫度而分為二種： (1) 滲碳溫度在鋼件原含碳量 之Ac3上方時，滲碳后中心部份之組織變成微細(xì)，表皮則為粗大，此時熱處理只 須將表皮之粗大晶粒處理成微細(xì)晶粒即可

16、，故將滲碳后之鋼件，加熱至 A1 稍上 方(780 r附近)淬火即可。(2) 若滲碳溫度在 Ac3 上方甚高溫度處，則中心部晶粒亦成為粗大，此時須 經(jīng)二次熱處理。 第 1 次淬火之目的在于使未被滲碳之心部組織微細(xì)化， 即加熱至 Ac3 上起沃斯田鐵變態(tài)，而結(jié)晶粒剛微細(xì)化時淬火之，故溫度較高。同時在此溫 度下，滲碳層之高碳部份的網(wǎng)狀雪明碳鐵可固熔于沃斯田鐵， 所以淬火后不再有 網(wǎng)狀雪明碳鐵存在。但是此淬火溫度， 作為滲碳層之淬火溫度未免過高， 必須再一次在較低之溫 度作第二次淬火。此溫度對于滲碳層而言，相當(dāng)于A1與Acm之間約760C附近,故經(jīng)第二次淬火之鏟，滲碳表面層為麻田散鐵，基地中有許多球狀碳化物存在， 故耐磨性高。回火系去除淬火時發(fā)生之殘留應(yīng)力， 且將一部份之殘留沃斯田鐵變?yōu)槁樘锷?鐵。溫度過高則硬度會降低，普通以150200 E為最適宜。若須較高之硬度時， 則宜在100170C回火，若須韌性時，則宜在 400C以上，Ac1以下回火之，則 得回火糙斑鐵組織。五、氣體滲碳氮化法： 氣體滲碳氮化時， 滲碳和滲氮作用同時行。 氣體滲碳用的氣體滲碳用的氣體 用來產(chǎn)生滲碳作用，而 N H3 氣體用產(chǎn)生滲氮作用。氣體滲碳氮化溫度為 704 900 r，其處理時間比氣體滲碳法短，得較薄的硬化層，所得滲碳氮化結(jié)果類似 于液體滲碳氮化所得者。處理層的硬化能， 比由滲碳所得的滲