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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。 6 Y2 Q* U* d5 v: {% \4 W( V' H
一、渗碳处理之种类与特点: . V1 I4 ^0 ?* w: D! a. A& @: z
(一)渗碳法之种类
7 I' s$ e8 R" g2 s, \渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类:
# u, i6 w! _: F' P1 F(1) 固体渗碳法:以木炭為主剂的渗碳法。
' f, S8 c4 e1 ]& p. C(2) 液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)為主剂之渗碳法。4 D3 l7 V3 w, d( _! F
(3) 气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。 6 C1 j: }4 k8 N# E: O$ N/ [
(二)渗碳法之比较
' T- @9 X J- ]8 B' }& B* S: a! h (1)固体渗碳法 7 U7 V" y8 u: V& C) K
长处:6 N# U4 {4 ]* \+ `$ `" s, W3 {
(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。$ j: J/ Z3 w/ c" t* m
(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。
J& t2 l$ K6 _ g `5 S(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。
. I) _# m( n3 z9 Q$ {' w/ _2 ^(d)适合多种少量生產。
2 t- @+ p- J w, f: n, s 短处: % x) l/ W' z4 N
(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。
' T1 H( X2 j s(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。5 B: x7 B1 Q c/ u d4 p" @1 s
(c)作业环境不良,作业人员多。
; l" R: A8 c0 P (2)液体渗碳法
& I* K7 m2 \1 J* Y长处:- V+ v+ r# o7 d" z# f$ t/ X3 C
(a)适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。+ o7 u* z! C3 I1 q9 D' M
(b)容易均热、急速加热,可直接淬火。( Z9 I- j- ]( @6 o; Z. n
(c)适小件、薄渗碳层处理件。
9 T( j$ K) z" M: ?- B+ ^- v( b( q(d)渗碳均匀,表面光辉状态。
1 d/ e9 j% G; G- m8 r, n短处:
0 r+ P4 \. v; a7 s(a)不适於大形处理件的深渗碳。
1 f3 S3 l! v1 |' s(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。5 A8 N! X ]; b% a
(c)有毒、排气或公害问题应有对策。
. j, F4 A" I# j7 O r(d)处理后,表面附著盐类不易洗净,易生锈。
, b+ S& |! j7 ^- m! ]- t(e)难以防止渗碳。有喷溅危险。
: L6 R5 I. ]- h& f/ Q (3)气体渗碳法 7 |/ {, D/ k% @* X
长处:' U% R$ z7 O: r' C
(a)适於大量生產。
1 U" V6 [/ v2 m, M( F(b)表面碳浓度可以调节。' ]0 g u5 i6 @5 E! w
(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。 + X4 P% N# x2 R$ p& q; a' f9 ^
短处:
9 v8 @3 d! D$ ]+ J8 e; f' ~(a)设备费昂贵。! b; ^: h, X' [0 C. S3 F
(b)处理量少时成本高。
" q7 Z' N0 ~1 T/ X& w* q(c)需要专门作业知识。
2 ]$ c$ T2 ^ g% @, e0 _二、固体渗碳法: 4 E; N$ B c7 Z* W% A
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。
1 W! A% q. |& `8 q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。 , }9 j5 N& R$ S8 f, z
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)。
" @0 U( u' T, y$ M S3 ?( R% W! @% W C + O2 = CO2 (1) & O" _9 G8 n, P o a" |
C + CO2 = 2 CO (2) . M; O0 U i$ b8 Q
CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。
( l: [. D2 y1 f6 n J8 G' Z 2 CO =〔C〕+ CO2 (3) . U+ c1 h" x- d+ A Q' J2 y9 G' b
〔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。 + A- @+ G+ ^* W" }
前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。 5 p6 ]# b" v8 m$ f* s
Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (4) 9 t& Q8 D. \ y: q+ p1 G; L; o+ K
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 CO320~30%,或再加10%以下的Na2 CO3為渗碳剂。 ' O3 i) l- n( ~" F# N' W
固体渗碳处理程序下: " O$ ] R4 b1 M* b* L) U3 e( r9 x
先将处理工件去锈,脱脂以适当的间隔(20~25㎜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。 - {8 I- s# j1 _/ m0 b1 M( R
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。
! J6 {0 \& _) Z/ w3 C" \* E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。
/ |; J2 ~6 A Y. G4 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。
. O; Y9 V2 V3 N* w1 V- V8 Z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。 |
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