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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 6 a8 e4 S x! P! o/ N
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。7 Y2 V7 s& i0 p) e, I
(2) 液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)為主剂之渗碳法。& u; D" Z! @ h7 S
(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 & ^9 Y$ N$ q3 d @) j
(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。8 |( d2 P( p( ~% U+ ]9 e, i$ O4 b9 Q
(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。 ( ]2 W* Q( I1 z" c& Q
短处: 3 H9 u( [ g6 r! [
(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。" N( J- [" U9 o7 Q! u3 x* d
(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。 K1 v& l( H; |, a8 r
(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 / `4 x( Y1 L8 @: N) p7 p$ n2 W
长处:5 U- x y$ o* q3 b
(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:/ }7 L% |9 ?3 X+ Y# ?. W7 q
(a)不适於大形处理件的深渗碳。2 d3 N/ d; I% l) Y. n: r
(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。 , P0 N9 ]! F1 l$ K) }$ h
(3)气体渗碳法 7 V: d, W% U, V+ O, b8 ]! |
长处:5 H' W! R+ v3 m/ ?9 y+ A
(a)适於大量生產。
& Z0 G* w3 t/ W8 j(b)表面碳浓度可以调节。& N1 J- g1 d* q7 C. M- p% A% Z
(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:, ~/ a8 O' I& h0 v5 G
(a)设备费昂贵。
$ f8 ~! ~8 {% L( @$ ~" c: Z(b)处理量少时成本高。7 f% K+ F3 A3 @$ z( Z: a
(c)需要专门作业知识。 / G4 J+ t* t* x3 q
二、固体渗碳法: & e* D9 ~# M$ D4 i% K5 i8 j5 V+ L
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。 5 X5 C. {. e& }* m' n' c
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)。 " w* Y+ O, N( g6 y n$ @+ `5 V: x4 A
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) : R! W9 q2 w' c
〔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。 0 ]+ a* `& H9 |3 @4 |6 b
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。 & K- n$ G' U9 F9 B b
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。 3 ?8 ~ |% ]5 C6 H" ]: V
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。 9 n4 c: p ^, B7 `# U9 d
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。 % z- F( S* r0 K3 D
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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