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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。; ?/ `* }( x6 a$ H; L& m7 A. ?
一、渗碳处理之种类与特点:1 v( h4 R$ e. [$ N' C; T
(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:2 X* G9 E9 W5 o
(1)固体渗碳法:以木炭为主剂的渗碳法。& R) w, }0 m9 q' b/ ?7 ~
(2)液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)为主剂之渗碳法。
! s7 O& r  A* y# p(3)气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法。
. C" Y0 i2 O& U7 Q) s' ~0 W: q' H(二)渗碳法之比较
% b" s$ F: T0 Z/ r% F( D2 T$ I(1)固体渗碳法
  A0 }# V3 K1 D  o8 _! y0 T长处:- L9 {( Y; k% L/ M1 x" ~0 k
(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。6 z8 k7 u- g" ~# W* `* [
(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。; S' K2 T  H4 [6 Z) ~. q# z# Q6 h
(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。
* a+ ^9 \$ H- q. }3 t5 _1 K(d)适合多种少量生产。
7 p) S/ o6 z8 V, i$ q  L3 k8 f短处:6 E8 z" ~* I9 I: J  Y
(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。
. g1 W: I6 s. p9 {! J5 P(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。
0 ~% p3 m: J) x+ o$ Z(c)作业环境不良,作业人员多。
) p- k5 r: m) D1 l9 Y(2)液体渗碳法
; v, c4 r$ {& h% u' ?2 A& E  W长处:- V- Z& l9 c0 i1 B% ]4 D
(a)适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。! c0 g4 M7 ~3 a; [
(b)容易均热、急速加热,可直接淬火。1 C. \9 n: Y9 x% h' R/ r
(c)适小件、薄渗碳层处理件。
3 H( x3 x% T1 W1 h1 u7 d! G(d)渗碳均匀,表面光辉状态。/ O1 _* \; a0 O6 J: D4 H$ y
短处:
0 E/ ]$ }8 \  c$ Y$ P& w" I! V(a)不适于大形处理件的深渗碳。3 b# J' u6 K: B% q+ i! w6 E
(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。) }9 O9 D; a: [4 J
(c)有毒、排气或公害问题应有对策。
2 I6 B  B' M7 [/ ?(d)处理后,表面附着盐类不易洗净,易生锈。" X! }2 @+ m+ G, l2 q5 S
(e)难以防止渗碳剂。有喷溅危险。
; `; \) D9 C4 f! J(3)气体渗碳法" _: B- C+ F6 o- r
长处:& g% e! ?3 P0 c
(a)适于大量生产。$ \/ C% |' l5 F  t
(b)表面碳浓度可以调节。
8 F2 ^% T" V/ n( m: v, O( ~(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。
- V3 [8 n# _$ B- d短处:
" h( M0 W& f' ?5 ]; D& u(a)设备价格昂贵。
6 O3 [( y+ k' W, Z6 a(b)处理工件量少时成本高。
; m9 {; [  d5 b0 I6 z0 l+ V* H(c)需要专门作业知识。9 _3 f/ Q4 \0 Q  s: S# X, ]" ]
二、固体渗碳法:
8 z# c) S) w: Y7 L4 y7 [7 B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。
7 K) w- O( z+ r, U" K# R5 k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)。
. I! f3 E* j8 Z  C* xC + O2 = CO2
  F: z4 L( [; H4 [C + CO2 = 2 CO; e% ^, X- r4 c0 H, c0 S9 L
CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。
8 |( h& P) d+ \! j. w: @! ?7 [1 s2 CO =〔C〕+ CO23 R4 }3 q4 A2 P1 ?
〔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。  
6 o  \. ]( B# i# p4 L# W. s前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。4 r1 R, P0 h& j
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
+ T# Y* x4 m+ m" 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
# K% ?' s) n2 `# G4 `# p(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。! b+ B( I; X7 s8 g6 x
固体渗碳处理程序下:! m8 I+ {& |+ g# t: G9 B
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。( Z/ T( D2 P# I8 F0 b% l- F
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。
) [( I" W6 i2 D/ b3 L: C# K, 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。& A3 R, E$ r) T1 H- g6 w+ D0 s
三、液体渗碳法:
7 X5 Z2 ]* S8 O& w) \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。
* i: I% A5 |/ g  k" m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。. u3 M* S3 ~  M& {
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。6 I3 |; c3 r; J8 N3 [+ l
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。
& n, e. P% p% H# D0 Q3 q' K2 NaCN + O2 = 2 NaCNO& E4 U; I6 j6 v( B
NaCN + CO2 = NaCNO + CO
/ m: a- y7 D* Q/ Q. i+ z/ L氰酸盐在高温分解生成CO或N。4 a. m0 n/ \6 B8 ~# S
4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
: @8 `( A' q6 d在较低温时反应如下:
4 G$ T# C3 R  U( z5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
9 d; p6 v* R3 G4 v% i( \; P: D, B9 h生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。5 A, \. ]) K' c7 U1 H' ]' r
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2, i" ~( N; p2 m; h" L
Fe + N = {  Fe - C  }6 w; M: w# m" \
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。8 A) |! H, Y' C3 X- Q9 m+ ?
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。% i4 T# ~6 M% }! }1 t# s/ E
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。
( u) M: Q9 n6 |( u' k5 i文章关键词: 渗碳表面硬化
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