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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。
5 e% x) O# i5 L: I一、渗碳处理之种类与特点:+ \0 w2 m1 d7 c- I$ h
(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:
1 e; a% N: t0 k. P% `(1)固体渗碳法:以木炭为主剂的渗碳法。8 H9 y. F7 q( X8 P6 B# a! a7 g2 I
(2)液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)为主剂之渗碳法。
& s1 x, m& Q1 u( l(3)气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法。
8 S+ P% n4 Y) T( P: V(二)渗碳法之比较
8 X4 j' b; i$ U% e, I, b(1)固体渗碳法& u% ?6 a+ x+ D: h- [
长处:
' O* O  U6 A) z( r! ?# {(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。( M; R' u- B5 d, f
(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。5 A- b4 q0 p$ _( A  J
(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。
+ l. e; d$ X$ U8 ?& G9 e(d)适合多种少量生产。
+ p& u7 X; z. l; p5 o$ i短处:( ~, r$ r! P) ?( }+ i" v( p2 m
(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。
* A9 C# C) b5 E- P, Z(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。0 w. `$ N+ E% ?% L
(c)作业环境不良,作业人员多。8 m: Z! M% E- s8 b) c* ~2 L/ \
(2)液体渗碳法
$ ?* z+ m: Z5 L3 {8 {! I长处:# N; W; \% \5 R2 v3 t. A# |
(a)适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。" O) k, V: v' n
(b)容易均热、急速加热,可直接淬火。7 l+ A& K* e# O2 d5 z  s+ z& i
(c)适小件、薄渗碳层处理件。
( g. B. F" D2 {, Q5 \(d)渗碳均匀,表面光辉状态。
% @  j" D# B% I! a; ?8 Q3 M短处:
" r6 L+ |; O/ M# D* T9 l(a)不适于大形处理件的深渗碳。) r1 f4 {5 Y7 m, T3 T. m3 N) C7 \
(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。/ I1 H# b6 ^9 H1 U1 o
(c)有毒、排气或公害问题应有对策。: v. \0 E0 T' u0 u& U9 A' a
(d)处理后,表面附着盐类不易洗净,易生锈。
3 R* I/ r8 C; W" ]5 L(e)难以防止渗碳剂。有喷溅危险。
4 L1 x4 r9 y: {6 b. U1 r2 X! W(3)气体渗碳法
  ~! S$ r9 {# g- f  N长处:
0 q/ \! n" t% }7 g* g8 |(a)适于大量生产。# m# |7 S3 ^  T
(b)表面碳浓度可以调节。( L8 t3 G$ Y! @; D* l- L
(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。/ Q5 \7 P$ M* U  h
短处:( F4 ]" B7 Q3 ~* D# i# q
(a)设备价格昂贵。3 d$ K2 E9 M  P/ h8 }6 b7 v* b& H6 g
(b)处理工件量少时成本高。# L' R. ]0 L& Q1 A* O& ], u
(c)需要专门作业知识。
) y9 a" P, ?( t" Y+ x二、固体渗碳法:1 V  _# x7 [- U! X) W1 |
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 i! }& X; D. z7 s" x1 d! S
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)。
3 \8 x2 |0 V4 o" B$ |3 GC + O2 = CO2
$ a6 q5 w) V9 E. ]4 VC + CO2 = 2 CO
) o' J7 u/ X' C+ f) z9 a% [3 UCO在钢表面分解,析出碳〔C〕。
# h! }: P; e; s9 O2 CO =〔C〕+ CO2
* j3 e# }4 x7 ]4 h# Q- z〔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。  / i+ k3 ~! g. y: t1 n) ]
前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。; a- M* W4 Z, e6 l+ x" M
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
' N1 V: ]7 ?: c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- X; [9 a2 x5 v4 h
(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。. K5 I: G: `$ `! b
固体渗碳处理程序下:' v* t+ `9 z; ~0 g* K% z
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。6 K9 c; E  l4 J( _5 s0 G5 x7 Y% x
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 M) y4 k" R; x( i$ D0 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。
. X3 X) g+ X( X6 ?- q' W三、液体渗碳法:4 V3 s0 b4 [4 O. s$ Z
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。
4 h) V- q+ z$ I0 _4 o! I7 O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。
+ K+ T/ e* V8 x. `. T$ n  M: v9 O1 V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。7 s) m+ {! @9 @9 L$ a
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。, T) ]$ ?; G9 X- p: Z- t
2 NaCN + O2 = 2 NaCNO
8 a& ^+ |1 Y% h! @4 F& }4 ?NaCN + CO2 = NaCNO + CO
. L  P' o7 }( @+ u' J氰酸盐在高温分解生成CO或N。
. e) P2 C- w, \+ m9 d4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
& _6 c- d* v! o在较低温时反应如下:
( Y; `% m$ U  R& ]5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N$ b$ Q  l' h2 P9 e7 _# O4 P) ?
生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。& c& g, ]. L* i0 }& ~: _2 o5 u! d% D
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2* [# g6 t2 g+ ~5 S4 k5 a0 R5 ]
Fe + N = {  Fe - C  }
( j: e; J' V/ I( e& N; 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。+ e6 w- P7 M# T6 R# m! f
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。
0 n3 @& M9 @/ K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。
4 x  {4 d2 x  [- A; @9 V+ v) D文章关键词: 渗碳表面硬化
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