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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。
Q- X# o( e0 N! @ A) O一、渗碳处理之种类与特点:
; D5 }# I2 @" H! O# ^(一)渗碳法之种类
7 v) r/ e j8 R- {+ Z/ {* h& E渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类: , \" e9 ^% J. a
(1) 固体渗碳法:以木炭為主剂的渗碳法。
5 e* o l) _: T- E/ h7 U(2) 液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)為主剂之渗碳法。
; |) T2 }4 B! e) W/ H1 |* G(3) 气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。 - p2 S# ^8 ^: r, }
(二)渗碳法之比较
8 m: P& l5 C, |# n4 s- V (1)固体渗碳法
; t8 @( a+ j, v, x! C长处:" m, a9 N6 e! K) }( O7 a9 o
(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。# Q; F* C K! u2 j% f$ K
(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。
9 a$ r+ S( |$ o1 w' h9 l% w( |(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。, J3 Q, h4 M0 [2 j2 ]4 _
(d)适合多种少量生產。
! t* z6 K% M; f, E8 G$ A 短处:
, }3 | ~ S- y9 {6 H! Z(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。" r& J9 I1 D: W$ ^* C5 w
(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。) v# U* L; T I6 B7 \
(c)作业环境不良,作业人员多。 / |. i% U% w u( M. z: O
(2)液体渗碳法 . \) \, t' k. _
长处:& o f4 y- q: C1 Z- O: s
(a)适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。
% O- D l) V# c2 ]7 k(b)容易均热、急速加热,可直接淬火。; a9 T4 y0 M; s* x$ A2 W: A; {
(c)适小件、薄渗碳层处理件。
9 o) \7 _& T n" H) U) ^(d)渗碳均匀,表面光辉状态。 / y0 e8 Z# ?. A! [
短处:
% b2 q3 p: a% Y+ C(a)不适於大形处理件的深渗碳。
# B, H4 s4 [8 F& Q) w1 w' ?(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。
3 t t6 Q. y5 t4 l(c)有毒、排气或公害问题应有对策。
' e8 |3 e. t" ](d)处理后,表面附著盐类不易洗净,易生锈。
. i v" {$ v. O) z. D(e)难以防止渗碳。有喷溅危险。 . A3 j- {7 Y% E; h3 l1 ^- R
(3)气体渗碳法
: {* D$ ~" M# v: _0 N长处:6 J/ O7 R$ j& r- G
(a)适於大量生產。
$ x4 Q m0 ]; A' k' e: }2 i(b)表面碳浓度可以调节。
2 y2 H' G/ ^' D# {8 \4 T( p(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。 1 Y7 Q: l, @- C& z
短处:- O* V7 r- x8 F6 I/ G& |
(a)设备费昂贵。2 }/ P$ ^0 j- P5 {, G
(b)处理量少时成本高。9 d6 f, O2 p% v
(c)需要专门作业知识。 * P; a/ C* v6 n' q8 o" a# a% F
二、固体渗碳法: * r# L' V7 q: z2 H. U$ `
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。 4 B f. g4 a' D/ X
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。
7 k- a' \# x2 U. ]9 H- ]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)。 1 H @: y N: P7 i
C + O2 = CO2 (1)
( {2 [ r) P. f( ?# u. c* B8 Q C + CO2 = 2 CO (2) 3 L3 S8 p8 ^; ]6 t; K( {$ [) N
CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。 " A4 q, I7 c1 E) |. ~* ~
2 CO =〔C〕+ CO2 (3) 6 ^0 R% U2 m1 q- @/ |
〔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。 ) s* J9 B" J/ g+ ?$ N1 R- v* q, y
前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。
; ?$ ?( A) C7 n5 y Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (4)
/ a9 p% w7 K$ m5 E. T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。
1 a+ ?5 Z1 l$ Y2 \固体渗碳处理程序下:
9 ?; H0 `! E7 h( R! D$ Q5 y 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。
7 T+ _( x( I5 J1 @+ e$ E4 u 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 o$ y, L' c8 y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。
' {) s9 F) J' Z7 y2 n7 G% [ 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。 ; u! v( H! q- X0 ^- }: W. t
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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