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[转帖] 渗碳处理技术

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发表于 2007-1-8 06:34:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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渗碳硬化乃表面硬化法之一种,属於化学表面硬化法。渗碳者先於钢之表面產生初生态之碳,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COCH4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產生於渗碳容器内,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,使初生态之碳埂於扩散,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,心部韧而耐衝击之性质。 ! P8 ~% S- g" h+ {  s" A- ]
一、渗碳处理之种类与特点:
  R% g1 v" ^8 g0 J7 z(一)渗碳法之种类
! w- d! V* j2 N渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类: 4 f3 j0 y5 X3 j) E) K% c
1    固体渗碳法:以木炭為主剂的渗碳法。
, |# V# ~* Z$ y2    液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)為主剂之渗碳法。
+ A, z% b7 l) n  L/ i& H3    气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。
* q7 B- x" p5 ~* N( p5 R9 H+ [
(二)渗碳法之比较 3 [: r, ~9 c" y, t5 r6 |) Z
     1)固体渗碳法 - y2 z. D! j. L' `4 z' o
长处:6 T  [. C6 W/ R6 Q
a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。* _$ R& ]6 W+ ^5 u& q1 f5 e# |# h
b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。6 `/ J1 _) R0 k2 }
c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。
$ g0 J* c- f& Td)适合多种少量生產。
1 j- q2 Q  k( K2 A
        短处:
0 H' [: t( Y- Z' w7 o; J) fa)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。
0 `+ a3 F6 z: Q" n) R4 Q! L8 gb)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。
: O* u- V0 `5 c6 n1 rc)作业环境不良,作业人员多。
: K; S+ V8 @3 K+ a# d+ ^
    2)液体渗碳法 3 s; w+ m! L3 U1 G$ Z# ~" L" @6 b9 T
长处:" B. Q, S) r9 g* W4 s3 I
a)适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。
0 N% Q5 Z" e8 m4 L& Y: `1 [; Gb)容易均热、急速加热,可直接淬火。. H3 S8 W& j- P5 Y$ V6 o, i4 R
c)适小件、薄渗碳层处理件。
9 a* ?! u. r$ wd)渗碳均匀,表面光辉状态。
  `# |" v6 s7 |& G& B% ]
短处:; B- }+ `4 W+ ^) N# k7 o- X; y% Y6 s" `
a)不适於大形处理件的深渗碳。! t9 r( t8 R5 ?# s
b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。. x5 m, m3 n" M/ w
c)有毒、排气或公害问题应有对策。1 e9 @$ Q! ^! p- b, O* q
d)处理后,表面附著盐类不易洗净,易生锈。
4 {4 _; O0 C8 ~' s, L: de)难以防止渗碳。有喷溅危险。
; b, {1 r$ s% U1 M# f
     3)气体渗碳法 + J0 ^) t2 |+ q. C' `+ J0 r1 A: n
长处:. c6 y6 @) G; ?6 x. J/ h
a)适於大量生產。$ M; i- T! G( q" J, o
b)表面碳浓度可以调节。! o9 @8 p2 i. s# i( q0 M, B
c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。

1 o( M; v! x, r短处:
) d: R; K9 R5 f0 \1 L. j5 @6 Ja)设备费昂贵。2 K- d! v( h+ J+ W; ^
b)处理量少时成本高。
% j2 Y! G3 |4 f1 O2 v) l7 l) \c)需要专门作业知识。

; q6 l8 o: q9 J5 c# d& [二、固体渗碳法: 4 g* v% D2 S7 y" Y5 S& G
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。
: U+ m0 o- u: G! `( N! J$ C7 D此固体渗碳在渗碳法中歷史最老,不适於连续处理大量工件,作业环境不良,已有衰退倾向,不过炉及其他设备也较简单,多种少量的处理也较方便,不至於完全绝跡。
; V( D& J6 Z& p/ a7 R  B) k3 A固体渗碳的渗碳机构以气体渗碳為基础,亦即箱内的固体渗碳剂与箱内空气中的氧反应,成為二氧化碳(CO2),CO2再与碳反应,生成一氧化碳(CO)。  + j# k5 w  O5 V! @% R/ O
        C + O2 = CO2                              1 ! l+ X7 }3 J# g" R1 E$ z
        C + CO2 = 2 CO                          2
' V) A, d* d. h! h; L9 e  W5 w      CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。   }& K' k' ^, I7 s- Q. ]8 M
        2 CO =C+ CO2                           3 0 m# @/ m. f: J* [
    C〕异於普通的碳,此种在钢表面分解的原子状碳(atomic Carbon)即称為活性碳或初生态碳(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〕,此反应连续反覆进行,碳从钢材表面侵入扩散,而渗碳。   v1 A' Z  C1 w0 ?) _( [
  前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。
* F6 B7 c' j" _, Q2 D: {        Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2       4 ( m6 i4 g7 i* D; b
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。通常使用木炭為主剂,再添加若干渗碳促进剂。一般以硷金属的碳酸盐為促进剂,碳酸盐中的碳酸鋰(LiCO3)、碳酸鍶(Sr CO3)、碳酸钾(K CO3)、的促进能大,但昂贵,工业上採用碳酸钡(Ba CO3)、碳酸钠(Na2 CO3)為多。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為渗碳剂。
+ ^* N* c" t9 p. w固体渗碳处理程序下: 7 \4 R, z8 v- E% Y) x- g( l
    先将处理工件去锈,脱脂以适当的间隔(2025㎜以上)排列於渗碳箱中,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。 6 g( \4 L; @5 S( @, {
    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。 ( ?# V9 z; R4 E: Y  b0 W
渗碳钢的表面為高碳钢,心部為低碳钢,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。
/ P) W1 {( Y' A- Y; h, ~$ \- W7 h3 b    但依钢材的种类及使用目的而有适当的热处理,镍铬钢、镍铬鉬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。
9 h9 q' p- p* m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180200℃回火。
 楼主| 发表于 2007-1-8 06:38:19 | 显示全部楼层
三、液体渗碳法:     液体渗碳法為将工作件浸渍於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,便於多种少量的生產。尤其在同一炉,可同时处理不同渗碳深度的处理件。
: u! M  ]) l# H; r! t$ M6 F    液体渗碳是以氰化钠(NaCN)為主成分,所以同时能渗碳亦能氰化,所以亦称為渗碳氮化(Carbonitriding),有时亦称為氰化法(Cyaniding)。处理温度约以700℃界,此温度以下以氮化為主,渗碳為辅,700℃以上则渗碳為主,氮化為辅,氮化之影响极低。一般工业上使用时,係以渗碳作用為主。 4 t+ U9 ~" E& Z8 m5 r& u! e: q4 J
    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CN同时惨入,所以耐磨性佳。
% k+ x) I& A3 O" S/ F4 ]    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。
5 D  ^1 l; I( L8 v" J# ^8 Q3 {        2 NaCN + O2 = 2 NaCNO           1 0 M( J" n2 ^& j! [- o. t* k2 w0 B
        NaCN + CO2 = NaCNO + CO        2
% n( o' Q0 L5 D. U+ l/ a( Y    氰酸盐在高温分解生成CON ! J6 V+ u% ?2 F" O
       4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N                 3
& [4 O6 U, s, C1 l4 ]' R; ]2 q    在较低温时反应如下: 4 n1 r9 q# F- s+ J# m/ r" r6 {
       5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N                4 ' j+ [& `" ^" z
    生成的CONFe反应而进行渗碳及氮化。
; |; V8 T( N" [       Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2          5 " O+ r% v2 M3 m9 m+ T* h
       Fe + N = {  Fe - C  }              6
, _5 h; l/ Z  o- t) |    一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠(Na2 CO3)、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,900℃时的碳浓度最高,这是由於钡盐的促进作用大,而且熔点变高,浴的粘性也增加,影响渗碳作用。 7 [& S) x: R, v# f1 y; p
    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。
8 Y( I  c% h* b/ u7 H9 s    与渗碳处理的零件安装於适当的夹具,预热到200500℃后浸入盐中,尽量防止盐浴温度降低及热变形。 8 [2 e# `; w' S$ n$ z3 {
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餘裕。 , a5 P  e3 ^8 e
    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CNCN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,须利用炉的隔热壁乾燥。 6 e2 J, f3 o' e. t6 b% ]& V
    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為各种淬火方法之比较。
& @) ?! G! l2 m6 x4 t/ `    回火係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為麻田散铁。温度过高则硬度会降低,一般以150200℃為最适宜。       
8 j9 k) D2 ?8 I% |7 M6-1  液体渗碳后之淬火法 : E- J$ m+ g6 A
                           
0 D9 ^5 q5 H# Z3 A$ mA         液体渗碳后冷却至室温,然后再加热至800℃淬火於水中。 液体渗碳后淬火於500600℃之浴中,然后速即加热至800℃淬火於水中。 " y- \8 ]2 ~  T( Z' d3 P
! x' V' d" C$ k  V5 K; p
B      
! O3 a$ H6 c( N6 x6 b
(高合金钢)
  G7 ?( \7 G  w) J& R 
! D2 R% G* ~, O 液体渗碳后冷却至室温,在650℃作中间退火,再加热至800℃后水冷。       + S2 [5 Z" y% x! K+ O
" B+ c" G8 V, t  t. P
C       二次淬火法CaseCorc之调质硬化。 液体渗碳后淬火於500600℃之热浴中再加热至900℃,然后再次淬火於500600℃之热浴中,最后再次加热至800℃后水淬火之。
' m% u" i, J8 b( o) D1 V3 r8 e
四、气体渗碳法: 2 n+ }. y/ v" m7 Y
    气体渗碳,由於适合大量生產化,作业可以简化,品质管制容易算特点,目前最普遍被採用。此法有变成气体(或称发生气体)及滴注式之两种。 & b) i+ E7 Z: b+ J+ s2 i8 z& V
    变成气体方式之方法是将碳化气体(C4H10C3H8CH4等)和空气相混合后送入变成炉(Gas generator),在炉内10001100℃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COH2N2,為主成份,内含微量CO2H2OCH4,然后将此气体送进无外气洩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C4H10C3H8CH4等以便调渗碳浓度。  . P5 `6 ~  Y7 x
气体渗碳有关的反应如下所示:
' K( f: |# l. d  I, [        2CO =C+ CO2                                 1 ) U6 E: d2 K& [$ b3 Z
        CO + H2 =C+ H2O                   2 ) r2 l2 \, Q5 Q* f
        CH4 =C+ 2 H2                                   3 7 `1 ^; f" g3 |* G
        C2H6 =C+ CH4 + H2                      4 9 c, u! r- s. s2 K1 Z9 h
        C3H8 =C+ C2H6 + H2                    5
0 U0 s7 V# B; O, A- o9 g    此处析出的碳為活性碳〔C〕,此碳渗入钢中扩散而渗碳。 5 n: `4 P% A8 P- o/ p2 F3 `+ {
    高级碳化氢以式(4)、(5)的反应依序分解,成為低级碳化氢,最后成為CH4,进行式(3)的分解,式(4)、(5)的分解速度比式(3)快。 $ g; K4 q( x; O
    这些反应还会引起下示的副反应 # a0 Y( }: I. x
        H2 + CO2 = CO + H2O                     6 : ^$ Z/ z* i# i( w. z9 |( p  a
        CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2                      7 + p4 r- q: w0 {8 Y# q! ~9 v3 W
        CH4 + H2O = CO + 3 H2                        8 ) W6 J8 P$ o/ M0 A+ c
    以上為气体渗碳的基本反应。 % V2 k7 a; B% p! |2 c& T1 I
    进行气体渗碳时,需要前述的气体变成炉、处理炉及其他附属设备,都属於气密式炉体,炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。
& c& S/ ?0 C& O9 c& [/ @5 x    在变成炉变成的渗碳性气体,以对应於处理目的的气体组成或露点的气体导入处理炉。 / c) @$ h8 T' n. H% w
    此气体参与钢的渗碳,会副生CO2,减低渗碳性,為了从钢材表面除去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,又為了防止炉外的氧化性气体混入,炉内压力要保持稍高於1气体。
, z' d, x+ B3 ^/ J  S2 y, p    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。
  |  b) H5 K5 K9 ^: B    渗碳终了后进行淬火,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,成為淬火适温后淬冷。 . _7 d: z- E! W( L8 V5 N
    淬火用油若不适当,则即使在炉内為光辉状态,淬入油中时也会氧化著色,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。
) U0 [: x4 P' U( A7 ]5 D    气体渗碳后降低温度至800℃以后直接淬火於水或油中,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(900950℃),此后在800℃淬火之,淬火后必须在150180℃施以低温回火。
 楼主| 发表于 2007-1-8 06:39:20 | 显示全部楼层
渗碳后之热处理一般依渗碳温度而分為二种: 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,表皮则為粗大,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A1稍上方(780℃附近)淬火即可。
0 X4 ?' O6 o& r  p" B1 [3 n2    若渗碳温度在Ac3上方甚高温度处,则中心部晶粒亦成為粗大,此时须经二次热处理。
0 ?$ y2 }$ `' o2 x; @" x1次淬火之目的在於使未被渗碳之心部组织微细化,即加热至Ac3上起沃斯田铁变态,而结晶粒刚微细化时淬火之,故温度较高。同时在此温度下,渗碳层之高碳部份的网状雪明碳铁可固熔於沃斯田铁,所以淬火后不再有网状雪明碳铁存在。
7 f0 r  ~" T' d    但是此淬火温度,作為渗碳层之淬火温度未免过高,必须再一次在较低之温度作第二次淬火。此温度对於渗碳层而言,相当於A1Acm之间约760℃附近,故经第二次淬火之铲,渗碳表面层為麻田散铁,基地中有许多球状碳化物存在,故耐磨性高。 + f/ E' [' S& N: G; t* L+ I/ g
    回火係去除淬火时发生之残留应力,且将一部份之残留沃斯田铁变為麻田散铁。温度过高则硬度会降低,普通以150200℃為最适宜。
8 k4 F( f  |2 K" `% B8 w' n# H    若须较高之硬度时,则宜在100170℃回火,若须韧性时,则宜在400℃以上,Ac1以下回火之,则得回火糙斑铁组织。 5 ?+ Q( V6 u. v
五、气体渗碳氮化法: 1 \$ [( g# m4 y/ `8 |
    气体渗碳氮化时,渗碳和渗氮作用同时行。气体渗碳用的气体渗碳用的气体用来產生渗碳作用,而N H3气体用產生渗氮作用。气体渗碳氮化温度為704900℃,其处理时间比气体渗碳法短,得较薄的硬化层,所得渗碳氮化结果类似於液体渗碳氮化所得者。
: N- K8 x# J9 t    处理层的硬化能,比由渗碳所得的渗碳层好,所以把渗碳氮化和淬火适当配合时,碳钢或低合金钢也可以得到十分安定的高硬度硬化层。由此法所得的硬化层深度為0.070.75㎜。淬火时可採用油淬火,有时可实施气体淬火来防止淬火变形而仍能得到高的表面硬度。 ! L) \0 s  f1 f# J3 j
    渗碳氮化所使用的钢由以低碳构造用钢和低合金构造用钢為主,其主要目的是改善耐磨性。假如同时要满足耐荷重性和耐磨性,首先渗碳1.51.8㎜,其次实施渗碳氮化,然后加以油淬火。
" ^( `# D7 ~1 c' f) c    气体渗碳氮化层因為含有N,其回火软化抵抗性大,所以回火温度要比气体渗碳淬火者高。通常回火於190210℃时,表面硬度為HRC58以上。
发表于 2007-1-11 23:17:01 | 显示全部楼层
我们厂一般使用渗碳后直接淬火较多!!
发表于 2007-1-12 10:21:02 | 显示全部楼层
像这样大篇幅的帖子,我建议尽量采用附件形式上传,以方便大家看阅!
发表于 2007-3-27 14:39:14 | 显示全部楼层

整理以上内容

我把楼主的内容整理一下,

渗碳处理技术.rar

12.83 KB, 下载次数: 17

发表于 2007-4-13 08:44:16 | 显示全部楼层
我们厂一般使用渗碳后直接淬火较多!!
发表于 2007-4-30 22:40:46 | 显示全部楼层
我觉得楼主讲的是一般的知识,一般热处理书上都有,我上学时就学过.
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