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表面工程技术—渗碳表面硬化处理法(1)

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发表于 2011-6-20 22:44:56 | 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,属于化学表面硬化法。渗碳者先于钢之表面产生初生态之碳,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产生于渗碳容器内,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,使初生态之碳埂于扩散,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,使得钢的表面生成高碳硬化,心部低碳之低硬度层。使处理供具有表面硬而耐磨,心部韧而耐冲击之性质。3 D) w" r# D0 B
一、渗碳处理之种类与特点:: o+ B( ~; z( @3 a" O9 t0 d* _
(一)渗碳法之种类渗碳法按使用之渗碳剂而可分为如下三大类:
! t3 j' S4 v4 M, U' T3 w(1)固体渗碳法:以木炭为主剂的渗碳法。
' r: Z! t9 g' ^! a" I$ c! C(2)液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)为主剂之渗碳法。
- z+ d$ i! Y% R8 E(3)气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法。
! b! m* z4 p. f. k3 F  H; P(二)渗碳法之比较
( P1 i, V* o- o(1)固体渗碳法6 \1 v/ K& N! e- Z* Y
长处:
1 f) v- g5 O( X& Y0 d(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。% b% h+ g$ M8 H3 z' D
(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。- A. ~" @+ D$ S3 P5 g' T  [
(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。- d8 b9 D$ d3 m/ V5 ?7 c
(d)适合多种少量生产。
4 M* X, b: @4 M/ S短处:
9 }1 u5 T( P* ~! D9 R/ T+ h# K- s* u(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。- L* m/ A; N, h8 @" t, `( G
(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。+ Y/ M; Y0 n# q3 m5 r  Q
(c)作业环境不良,作业人员多。
$ F0 @0 g3 S2 M" Q+ B( S, a. t: Q* A(2)液体渗碳法2 p1 b! t. W4 J' k7 c2 e- X
长处:" w0 ^5 [% [5 {
(a)适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。4 D1 y& y0 v  i
(b)容易均热、急速加热,可直接淬火。
5 J$ M* F8 p" _; T& @(c)适小件、薄渗碳层处理件。, u- v+ P  d& v$ K8 ^1 @
(d)渗碳均匀,表面光辉状态。
6 ?8 j: x- ~" r" B, i6 P& m6 C短处:
0 F$ ^2 Y5 j- i( z: R" [0 ^' r(a)不适于大形处理件的深渗碳。: {" y- q. ]# L) L* N
(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。
; }" t) ]6 h) R2 a0 U, t(c)有毒、排气或公害问题应有对策。
% L" U; V! A0 }% O5 S8 G(d)处理后,表面附着盐类不易洗净,易生锈。  l& D6 S; a1 y& A' j4 P0 o3 l% i
(e)难以防止渗碳剂。有喷溅危险。
, w  H1 D0 d1 B* e9 p(3)气体渗碳法
" m9 J. `' J+ J1 D长处:
4 s' V3 U& a# b6 z1 o0 f(a)适于大量生产。
! z0 N( I! [7 e% L. F5 R; s(b)表面碳浓度可以调节。" g, ?+ e; U, Z* g5 w" d1 j
(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。: c( Q5 a2 x1 v3 f
短处:: U, c( ]0 |# W
(a)设备价格昂贵。$ \, ^0 u$ C1 R2 m# S
(b)处理工件量少时成本高。) `! z! O7 [% C. W7 d, B) n
(c)需要专门作业知识。
7 [3 J: \% M/ i! t二、固体渗碳法:2 f5 B0 P' d+ `8 J$ f
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。
: V# u7 v- ^7 A) {+ p! I0 J此固体渗碳在渗碳法中历史最老,不适于连续处理大量工件,作业环境不良,已有衰退倾向,不过炉及其它设备也较简单,多种少量的处理也较方便,不至于完全绝迹。固体渗碳的渗碳机构以气体渗碳为基础,亦即箱内的固体渗碳剂与箱内空气中的氧反应,成为二氧化碳(CO2),CO2再与碳反应,生成一氧化碳(CO)。- T$ {* p: U+ \7 t, u$ s1 m( `
C + O2 = CO2
4 G) Q& W+ p: J( h7 e! NC + CO2 = 2 CO8 `5 W- h0 U- {* G- Z- Q
CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。
4 w: Y7 K3 G6 y1 d% d  y2 CO =〔C〕+ CO2  R* @: g5 n. Z" w- B# h/ C
〔C〕异于普通的碳,此种在钢表面分解的原子状碳(atomic Carbon)即称为活性碳或初生态碳(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〕,此反应连续反复进行,碳从钢材表面侵入扩散,而渗碳。  
& u& y" a/ k+ k: `$ @$ ~3 Q, `前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。
9 @8 g: d, N8 ~, eFe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
# w1 I- `  N0 d5 D: 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。通常使用木炭为主剂,再添加若干渗碳促进剂。一般以碱金属的碳酸盐为促进剂,碳酸盐中的碳酸锂(LiCO3)、碳酸锶5 p' }) f% a8 |; X  v1 Z
(Sr CO3)、碳酸钾(K CO3)、的促进能大,但昂贵,工业上采用碳酸钡(Ba CO3)、碳酸钠(Na2 CO3)为多。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为渗碳剂。' X" r: ~' k8 f4 I- [8 }
固体渗碳处理程序下:
( r. _4 M6 O: W# `, O8 o先将处理工件去锈,脱脂以适当的间隔(20~25㎜以上)排列于渗碳箱中,周围填围渗碳剂,加盖以粘土封密装入电气炉,坑式炉也可用。加热保持一定时间。1 o1 D, F& u# p* [  L
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。渗碳钢的表面为高碳钢,心部为低碳钢,有必要施行适用各部份的硬化处理,一般借一次淬火将心部组织微细化,其次借二次淬火将渗碳层硬化,最后借回火使硬化层的组织安定化。
3 A3 n, c! Y: b, p但依钢材的种类及使用目的而有适当的热处理,镍铬钢、镍铬钼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。. J/ D- o# Z& S9 d
三、液体渗碳法:
' N5 N7 e1 L8 J, a* m" J液体渗碳法为将工作件浸渍于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,便于多种少量的生产。尤其在同一炉,可同时处理不同渗碳深度的处理件。3 {: U' I/ U4 w6 ?
液体渗碳是以氰化钠(NaCN)为主成分,所以同时能渗碳亦能氰化,所以亦称为渗碳氮化(Carbonitriding),有时亦称为氰化法(Cyaniding)。处理温度约以700℃界,此温度以下以氮化为主,渗碳为辅,700℃以上则渗碳为主,氮化为辅,氮化之影响极低。一般工业上使用时,系以渗碳作用为主。3 [. L* g- H# E0 R
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。
1 Z9 Y* g" E" w* `; J2 w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。6 G- Q4 k; m$ N9 F
2 NaCN + O2 = 2 NaCNO$ T) Y/ l3 U$ z$ H( w1 O
NaCN + CO2 = NaCNO + CO/ n0 b4 f# r' u. U
氰酸盐在高温分解生成CO或N。* C$ i* S. v% O: M
4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
$ L) Q$ c$ T9 n* }# |在较低温时反应如下:8 _1 e9 \3 d/ ~2 {  ~2 c
5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
, b9 U3 j6 c6 q8 k+ B生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。2 ^3 O$ T3 b1 w/ ]) e( P; A; d
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2# }  x! {: Y( Q% v
Fe + N = {  Fe - C  }
5 i; k# y2 @2 u: z1 n9 w一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠(Na2CO3)、氯化钡(BaCl2)、氯化钠(NaCl)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,这是由于钡盐的促进作用大,而且熔点变高,浴的粘性也增加,影响渗碳作用。# z9 D5 w. g! P+ O! u7 o
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。) K# z0 U3 q& I
与渗碳处理的零件安装于适当的夹具,预热到200~500℃后浸入盐中,尽量防止盐浴温度降低及热变形。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余裕。
5 u0 p4 @* I( U, F/ a4 x6 f文章关键词: 渗碳表面硬化
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