渗碳处理技术

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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。
  b2 _  z, S( Q一、渗碳处理之种类与特点：
8 ~& m- T( u  r5 n（一）渗碳法之种类
渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类：
. V' w0 t( q# j! e7 c（1）    固体渗碳法：以木炭為主剂的渗碳法。
（2）    液体渗碳法：以氰化钠（NaCN）為主剂之渗碳法。
（3）    气体渗碳法：以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。
/ N  R' G) [( `3 N' _（二）渗碳法之比较
     （1）固体渗碳法
" `' r# H5 }: [7 H长处：
  e" @% s, a2 e& j6 v- S2 f. e（a）设备费便宜，操作简单，不需高度技术。
8 r, C% w0 p4 [- r（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。
7 |  a- E5 w; J1 Y: n+ D- m0 P（d）适合多种少量生產。
        短处：
（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。
（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。
4 R+ O3 _) P8 @8 U. Y* ?" w% }7 ^    （2）液体渗碳法
长处：
（a）适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。
! g4 m; m2 x& B6 S2 C. S7 g0 f! ]; A（b）容易均热、急速加热，可直接淬火。
# I( U9 S3 B( ]8 X（c）适小件、薄渗碳层处理件。
" I* v( _, [3 w/ Y: l（d）渗碳均匀，表面光辉状态。
9 Z7 i  g8 y1 ~5 G* }短处：
（a）不适於大形处理件的深渗碳。
（b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。
, G( E# V0 {* u- y$ k$ m（c）有毒、排气或公害问题应有对策。
, B' U6 d1 ?0 {# ?$ x（d）处理后，表面附著盐类不易洗净，易生锈。
8 ]( z; h6 d0 f$ o4 |（e）难以防止渗碳。有喷溅危险。
     （3）气体渗碳法
长处：
（a）适於大量生產。
& Z0 G* w3 t/ W8 j（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。
: U- ]$ S' |: ?! G! [( z3 s. p8 P短处：
（a）设备费昂贵。
$ f8 ~! ~8 {% L( @$ ~" c: Z（b）处理量少时成本高。
（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。
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。
5 p/ E7 [! f% E5 o" q8 ^  F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）。  
        C + O2 = CO2                              （1）
! U3 H/ ]- e# k1 b% G        C + CO2 = 2 CO                          （2）
( S) I" m0 g* j( y      CO在钢表面分解，析出碳〔C〕。
; H- K6 Q5 q& W$ N- U& A        2 CO =〔C〕+ CO2                           （3）
    〔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。
7 _$ j! P! {: H" ^+ |8 r　　前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。
        Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2       （4）
+ P5 I& R; u  s- j' X2 G( Y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。
! l) u5 g% ?* I- P7 {& G  Y固体渗碳处理程序下：
4 k3 D' m* g/ e, _! a6 w    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。
    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。
    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。
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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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。
    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。
    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。
$ h( y1 f* T* `9 H8 C- ^. e        2 NaCN + O2 = 2 NaCNO           （1）
( @- i- R- q7 `3 C7 h0 ], G" _        NaCN + CO2 = NaCNO + CO        （2）
    氰酸盐在高温分解生成CO或N。
% _+ @) |& A6 X( h  M$ s       4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N                 （3）
    在较低温时反应如下：
       5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N                （4）
    生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。
& l) |- g( D  N+ g8 {9 m       Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2          （5）
       Fe + N = {  Fe - C  }              （6）
6 B2 t6 T; A; N- G    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。
    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。
    与渗碳处理的零件安装於适当的夹具，预热到200～500℃后浸入盐中，尽量防止盐浴温度降低及热变形。
3 l$ i2 x) C8 ?% J& a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。
+ J! A" o1 [$ a1 y) p/ i    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CN，CN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。
    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。
    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150～200℃為最适宜。　　　　　　　
表6-1  液体渗碳后之淬火法
旧       方       法 新       方       法
4 S( y4 e7 c! B, [, Y, |A        法 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500～600℃之浴中，然后速即加热至800℃淬火於水中。
- U. Q! e9 l; Y" j0 s
B       法
（高合金钢）
: j; w5 O- U+ j& p　
# }! B* ]3 X7 N 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。 同      上
' ?% e+ M% P! v( g, u1 X
C       法 二次淬火法Case，Corc之调质硬化。 液体渗碳后淬火於500～600℃之热浴中再加热至900℃，然后再次淬火於500～600℃之热浴中，最后再次加热至800℃后水淬火之。
8 _  P6 D5 g1 L: O四、气体渗碳法：
    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。
( x$ F6 ^! o. G    变成气体方式之方法是将碳化气体（C4H10，C3H8，CH4等）和空气相混合后送入变成炉（Gas generator），在炉内1000～1100℃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CO、H2、N2，為主成份，内含微量CO2、H2O、CH4，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C4H10、C3H8、CH4等以便调渗碳浓度。  
6 o4 a, A- v$ |2 t1 m气体渗碳有关的反应如下所示：
+ w: R" C9 ?7 b. K( ]        2CO =〔C〕+ CO2                                 （1）
        CO + H2 =〔C〕+ H2O                   （2）
2 b) T: e! Q- J" V        CH4 =〔C〕+ 2 H2                                   （3）
        C2H6 =〔C〕+ CH4 + H2                      （4）
9 L+ |- e+ j& I4 t3 }        C3H8 =〔C〕+ C2H6 + H2                    （5）
    此处析出的碳為活性碳〔C〕，此碳渗入钢中扩散而渗碳。
- e( d! D- y0 _- S    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。
  v' H  W4 `5 h. [* x+ n    这些反应还会引起下示的副反应
* c1 c2 h$ Q8 G) c9 m6 ^3 ]        H2 + CO2 = CO + H2O                     （6）
% ~' ]- \0 G. j: c1 z/ L* l        CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2                      （7）
        CH4 + H2O = CO + 3 H2                        （8）
5 R$ A. `9 o8 Y& N& S    以上為气体渗碳的基本反应。
+ ?7 _% z2 Q/ i- l6 b' v    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。
4 d1 _9 h- Q' N" t' p" G    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。
    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5～10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。
    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。
5 G4 W  [0 r) h; ]; V% u& h' L    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。
    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。
3 K; h6 T9 Y4 T4 }    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（900～950℃），此后在800℃淬火之，淬火后必须在150～180℃施以低温回火。

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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。
（2）    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。
+ r: b: j" S0 \* P4 Q, i第1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。
' x, t  b6 J. Q# Q3 {' i4 P1 p    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A1与Acm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。
    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150～200℃為最适宜。
    若须较高之硬度时，则宜在100～170℃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。
五、气体渗碳氮化法：
' O' ~- a- t0 v' Q- U  N    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704～900℃，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。
    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0.07～0.75㎜。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。
1 w# v3 _6 P+ D! F/ R% X    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1.5～1.8㎜，其次实施渗碳氮化，然后加以油淬火。
" I8 a& H& ~# X6 m2 n    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190～210℃时，表面硬度為HRC58以上。

musachang

我们厂一般使用渗碳后直接淬火较多!!

addle

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！

ncdzjsxutie

我把楼主的内容整理一下，

zxccvb

我们厂一般使用渗碳后直接淬火较多!!

zycwlm

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.