表面工程技术—渗碳表面硬化处理法(1)

lijihua2000008

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，使得钢的表面生成高碳硬化,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：
4 H. `( A4 ]+ D+ T  v- i( {（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。
/ k. G) y- N; `0 {（d）适合多种少量生产。
+ s& k7 ^# [) @- U  q短处：
( i. F6 {0 U; Z( h+ p. A（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。
6 y* T9 ^) l9 x1 \9 N（b）渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。
（c）作业环境不良，作业人员多。
; x( v3 p/ I; u4 f) P4 V（2）液体渗碳法
2 O" d7 y0 {. ?! v; i. p5 u- [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。
6 B$ r  b" o+ K6 b' X7 ?（c）适小件、薄渗碳层处理件。
（d）渗碳均匀，表面光辉状态。
短处：
3 k# h) o0 T3 r8 Z1 t( t' g（a）不适于大形处理件的深渗碳。
% R+ n4 L! g( @: U" W（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。
  y) e7 i# l& R: @" g（e）难以防止渗碳剂。有喷溅危险。
' t4 G1 Y7 ?# ?5 l, j（3）气体渗碳法
9 Q9 {0 W3 b. E& Y9 d2 W1 ^长处：
- [& F) x- @: V& W( ?  G: I# }（a）适于大量生产。
, a# j  r) N; Q& k（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）设备价格昂贵。
（b）处理工件量少时成本高。
" X" y- Y+ {4 g7 N. @& p3 `. L（c）需要专门作业知识。
二、固体渗碳法：
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。
( Q: O& p+ T& D4 x6 U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（CO2），CO2再与碳反应，生成一氧化碳（CO）。
: c; g' {1 E4 _C + O2 = CO2
1 m! G: n; z  ^7 O6 q4 SC + CO2 = 2 CO
0 M- X" z6 N- w1 \. QCO在钢表面分解，析出碳〔C〕。
1 f5 S- d, }9 I) O1 a6 @# Z8 `2 CO =〔C〕+ CO2
〔C〕异于普通的碳，此种在钢表面分解的原子状碳（atomic Carbon）即称为活性碳或初生态碳（nascent Carbon）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。
& I8 G, @# ^5 Q% @! eFe + 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
1 q* ]* t2 q* f& |/ N（Sr CO3）、碳酸钾（K CO3）、的促进能大，但昂贵，工业上采用碳酸钡（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 CO320～30％，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（20～25㎜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，一般借一次淬火将心部组织微细化，其次借二次淬火将渗碳层硬化，最后借回火使硬化层的组织安定化。
9 U, ~" v% Z# I! E但依钢材的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150℃以下长时回火，忌讳时效变形者，可在稍高的180～200℃回火。
) j/ }* c' V+ }* S9 _. C% D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处理件。
8 E/ E7 s; A: i" Y* t4 @& G& w2 `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700℃界，此温度以下以氮化为主，渗碳为辅，700℃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、二氧化碳反应变成氰酸盐。
2 NaCN + O2 = 2 NaCNO
NaCN + CO2 = NaCNO + CO
氰酸盐在高温分解生成CO或N。
7 @; M2 C0 K1 ?% F* t; s4 P4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
- R& U1 I% K, S# [5 Z5 N在较低温时反应如下：
5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
: J! ?; n0 g& c3 e, c1 o生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。
! S+ {. z# ], t6 B5 GFe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
Fe + N = {  Fe - C  }
$ m) ?1 {" B- w# e' c一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠（Na2CO3）、氯化钡（BaCl2）、氯化钠（NaCl）等，比起NaCN单盐，表面碳浓度低，扩散层增加，900℃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。
9 R& j& M4 b8 H4 d2 C* ^8 B/ i渗碳盐浴的容器通常使用软铁、镍铬钢、耐热钢，不过，氧化侵蚀很激烈，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。
* G; d* s) f* j与渗碳处理的零件安装于适当的夹具，预热到200～500℃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。
文章关键词： 渗碳表面硬化