滲碳工藝培訓(xùn)

滲碳工藝

講師：時(shí)間：主要內(nèi)容滲碳的目的和應(yīng)用范圍31滲碳的基本過(guò)程2滲碳方法3滲碳層成分、組織和厚度4滲碳后的熱處理5相關(guān)字母定義6一、滲碳的目的和應(yīng)用范圍定義滲碳：將鋼件置于具有足夠碳勢(shì)的介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫，使其表層形成一個(gè)富碳層的熱處理工藝。碳勢(shì)：純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時(shí)的表面含碳量。

主要目的：是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，同時(shí)保持心部具有一定強(qiáng)度和良好的塑性與韌性。

應(yīng)用范圍：在機(jī)器制造業(yè)中，有許多重要零件，如汽車變速箱齒輪、活塞銷、摩擦片等。可以滲碳的鋼一般是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%-0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。經(jīng)滲碳的機(jī)車從動(dòng)齒輪滲碳屬于化學(xué)熱處理的一種常用的化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮（俗稱氮化）、碳氮共滲（俗稱氰化和軟氮化）等?；瘜W(xué)熱處理過(guò)程包括分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程。以氣體滲碳為例：于沃斯田鐵化溫度下，由一氧化碳(CO)或甲烷(CH4)氣體分解得到的碳(C)，滲入鋼鐵(Fe)表面，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間逐漸擴(kuò)散向內(nèi)層。反應(yīng)式如下：2CO+γFe→Fe【C】（活性碳）+CO2或CH4+γFe→Fe【C】（活性碳）

+2H2

滲碳過(guò)程中，若二氧化碳(CO2)或氫(H2)濃度過(guò)高，則反應(yīng)向左(←)，變成脫碳，欲繼續(xù)滲碳，則要增加CO或CH4的濃度。⑴介質(zhì)(滲劑)的分解:

分解的同時(shí)釋放出活性原子。⑵工件表面的吸收:

碳原子與鋼中某些元素形成化合物。⑶碳原子向內(nèi)部擴(kuò)散。

氮化擴(kuò)散層二、滲碳的基本過(guò)程氣體滲碳法示意圖根據(jù)滲碳劑的不同，滲碳方法可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。⑴氣體滲碳法將工件放入密封爐內(nèi)，在高溫滲碳?xì)夥罩袧B碳。氣體滲碳，由于適合大量生產(chǎn)化，作業(yè)可以簡(jiǎn)化，品質(zhì)管制容易算特點(diǎn)，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（Gasgenerator），在爐內(nèi)1000～1100℃之高溫下，使碳化氫和空氣反應(yīng)而生成所謂變成氣體（ConvertedGas），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(wú)外氣泄入的加熱爐內(nèi)施行滲碳。滲碳時(shí)，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。滲碳劑：氣體(煤氣、液化氣等)或有機(jī)液體(煤油、甲醇等)。三、滲碳方法滲碳反應(yīng)式

氣體滲碳有關(guān)的反應(yīng)如下所示：2CO=〔C〕+CO2

（1）CO+H2=〔C〕+H2O（2）CH4=〔C〕+2H2

（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(kuò)散而滲碳。

高級(jí)碳化氫以式（4）、（5）的反應(yīng)依序分解，成為低級(jí)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(huì)引起下示的副反應(yīng)H2+CO2=CO+H2O（6）CH4+CO2=2CO+2H2

（7）CH4+H2O=CO+3H2

（8）

以上為氣體滲碳的基本反應(yīng)。前述反應(yīng)與鐵（Fe）組合成滲碳反應(yīng)。2CO+γFe→Fe【C】（活性碳）+CO2或CH4+γFe→Fe【C】（活性碳）

+2H2優(yōu)點(diǎn):質(zhì)量好,效率高；缺點(diǎn):滲層成分與深度不易控制⑵固體滲碳法

固體滲碳是將工件置于填滿木炭(90%左右)和促進(jìn)劑(BaCO3、CaCO3或Na2CO3等)(10%左右)的固體滲碳箱內(nèi)進(jìn)行的滲碳方法

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(kuò)散，處理一定時(shí)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，不適於連續(xù)處理大量工件，作業(yè)環(huán)境不良，已有衰退傾向，不過(guò)爐及其他設(shè)備也較簡(jiǎn)單，多種少量的處理也較方便，不至於完全絕跡。

滲碳劑：木炭為主，另一部分為促進(jìn)劑（碳酸鋇BaCO3:碳酸鈉Na2CO3約4：1)圖1固體滲碳箱

1—滲碳劑2—工件3—箱體4～6mm

鐵板4—泥封5—試棒?10mm

6—蓋：鐵板厚6～8mm滲碳反應(yīng)式固體滲碳的滲碳機(jī)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再與碳反應(yīng)，生成一氧化碳（CO）。C+O2=CO2

（1）C+CO2=2CO（2）CO在鋼表面分解，析出碳〔C〕。2CO=〔C〕+CO2

（3）

〔C〕異於普通的碳，此種在鋼表面分解的原子狀碳（atomicCarbon）即稱為活性碳或初生態(tài)碳（nascentCarbon）的活性強(qiáng)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（2）式生成CO，依（3）式分解而析出〔C〕，此反應(yīng)連續(xù)反覆進(jìn)行，碳從鋼材表面侵入擴(kuò)散，而滲碳。

前述反應(yīng)與鐵（Fe）組合成滲碳反應(yīng)。Fe+2CO={Fe-C}+CO2

（4）優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：滲速慢，勞動(dòng)條件差⑶液體滲碳法

液體滲碳是以氰化鈉（NaCN）為主成分，所以同時(shí)能滲碳亦能氰化，所以亦稱為滲碳氮化（Carbonitriding），有時(shí)亦稱為氰化法（Cyaniding）。處理溫度約以700℃界，此溫度以下以氮化為主，滲碳為輔，700℃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(shí)，系以滲碳作用為主。液體滲碳法雖硬化層薄，但滲碳時(shí)間短，故內(nèi)部應(yīng)力較少，同時(shí)因C、N同時(shí)慘入，所以耐磨性佳。滲碳劑：氰化鈉（NaCN）為主，一般用的滲碳劑是在中添加碳酸鈉（Na2CO3）、氯化鋇（BaCl2）、氯化鈉（NaCl2）等圖2井式氣體滲碳爐

1—風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)2—廢氣火焰3—爐蓋4—砂封5—電阻絲6—耐熱罐7—工件8—爐體滲碳反應(yīng)式液體滲碳反應(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。2NaCN+O2=2NaCNO（1）NaCN+CO2=NaCNO+CO（2）氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。4NaCNO=2NaCNO+Na2CO3+CO+2N（3）在較低溫時(shí)反應(yīng)如下：5NaCNO=3NaCNO+Na2CO3+CO2+2N（4）生成的CO及N與Fe反應(yīng)而進(jìn)行滲碳及氮化。Fe+2CO={Fe-C}+CO2（5）Fe+N={Fe-C}（6）

優(yōu)點(diǎn)：液體滲碳技術(shù)滲層性能優(yōu)良，工藝簡(jiǎn)單，采用無(wú)毒低氰滲劑容易操作，且對(duì)人體危害小，可以廣泛的得到推廣與應(yīng)用滲碳視頻欣賞以氣體滲碳為例：氣體滲碳工藝流程_標(biāo)清.flv滲碳溫度：900-950℃滲碳層厚度（由表面到過(guò)渡層一半處的厚度）：

低碳鋼滲碳緩冷后的組織滲碳層表面含碳量：以0.85%-1.05%為最好。滲碳緩冷后組織：表層為P（珠光體）+網(wǎng)狀Fe3CⅡ（二次滲碳體）;心部為F（鐵素體）+P（珠光體）;中間為過(guò)渡區(qū)。四、滲碳層成分、組織和厚度淬火+低溫回火,

回火溫度為160-180℃。淬火方法有：⑴預(yù)冷淬火法滲碳后預(yù)冷到略高于Ar1溫度直接淬火。滲碳后的熱處理示意圖五、滲碳后的熱處理⑵一次淬火法：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。⑶二次淬火法：即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50℃，細(xì)化心部；第二次加熱為Ac1+30-50℃，細(xì)化表層。

滲碳后的熱處理示意圖常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50℃淬火+低溫回火。此時(shí)組織為：表層：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透時(shí)）滲碳淬火后的表層組織M+FF——鐵素體（相），鐵原子呈體心立方排列（通常晶格間隙會(huì)固溶部分碳原子），在金相中通常呈白色。P——珠光體（組織），鐵素體和滲碳體的混合組織，通常兩者呈片層交替分布，在金相中通常呈黑色。M——馬氏體B——貝氏體Ac1：

加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度。Ar1冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度。Ac3加熱時(shí)2鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度。Ar3冷卻