表面工程技术—渗碳表面硬化处理法(1)

lijihua2000008

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 T) j8 K2 h5 z4 I一、渗碳处理之种类与特点：
; o1 @* ]* r# K! e8 f（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：
) ^3 [4 H3 s* e! @% V（1）固体渗碳法：以木炭为主剂的渗碳法。
5 ?  j) G: o2 X$ i* `& `. O% S（2）液体渗碳法：以氰化钠（NaCN）为主剂之渗碳法。
. B+ u8 K8 J) a' x（3）气体渗碳法：以天然气、丙烷、丁烷等气体为主剂的渗碳法。
（二）渗碳法之比较
  ?0 s2 P! q/ n7 u（1）固体渗碳法
- R; \; |( N  S$ a长处：
（a）设备费便宜，操作简单，不需高度技术。
* H- `2 ~0 M& B8 T% Z) H7 t5 u（b）加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。
（c）大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利。
7 T6 z+ m4 S4 `! J3 ]/ B6 N: z（d）适合多种少量生产。
2 ?* ?! N  N6 T2 y9 ~( }4 S; v短处：
; a+ z7 U1 V1 W" M5 q8 N4 P（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。
* P0 c% }' [) v* M( i* O# f: O（b）渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。
（c）作业环境不良，作业人员多。
$ u$ y0 P4 i6 @7 `（2）液体渗碳法
1 g+ G# Z% z$ L! I  T8 i长处：
$ ]0 G; N8 k# ]% ?; |) T, a  a! }2 E（a）适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。
$ _& o4 I* ~' Q（b）容易均热、急速加热，可直接淬火。
5 E5 N- X. z! r: @/ f（c）适小件、薄渗碳层处理件。
# a* L! Y% T1 N6 W& f3 F) {（d）渗碳均匀，表面光辉状态。
短处：
' |+ |$ }/ {- ~- X6 l（a）不适于大形处理件的深渗碳。
（b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。
- K8 V  a. z8 L8 {8 r4 R（c）有毒、排气或公害问题应有对策。
（d）处理后，表面附着盐类不易洗净，易生锈。
（e）难以防止渗碳剂。有喷溅危险。
; V! X  @& z, d- x' P4 `; t6 G# H（3）气体渗碳法
% m* h( e. `1 _8 i5 [长处：
' m& `1 q$ O/ H/ H（a）适于大量生产。
( K! m' e1 e2 u4 n9 f$ x6 z; r（b）表面碳浓度可以调节。
（c）瓦斯流量、温度、时间容易自动化，容易管理。
0 x4 x" {. c! M$ i短处：
（a）设备价格昂贵。
（b）处理工件量少时成本高。
$ c7 u" ], K0 `2 ~（c）需要专门作业知识。
* D6 g, y& y4 J6 {, H, ^  e二、固体渗碳法：
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。
% W4 \% Y/ U  e( F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）。
) e6 r1 `. p3 ^/ B7 kC + O2 = CO2
6 y7 }2 P& D1 R; \C + CO2 = 2 CO
/ R+ A; i4 m1 n$ dCO在钢表面分解，析出碳〔C〕。
2 CO =〔C〕+ CO2
〔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。　　
前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。
9 f: ~5 C+ R$ ^9 ^1 r4 jFe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
6 H. T) ~/ O3 w! v) u& q+ j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
% [8 n% D  N8 B（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。
9 Q$ R8 d3 Q- y  \9 A. w固体渗碳处理程序下：
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。
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。
$ n% Z4 c, {# e/ X+ o/ L/ l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。
+ Q4 b: }1 E/ A) r* H三、液体渗碳法：
! S* ^  z8 n3 P6 M( P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。
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。
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。
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。
. m( y. H' _& _2 }; i' t2 NaCN + O2 = 2 NaCNO
NaCN + CO2 = NaCNO + CO
氰酸盐在高温分解生成CO或N。
/ h" o, u5 o, m# Z( K/ n8 u4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
在较低温时反应如下：
5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。
4 C0 U2 q  y/ k4 i9 g+ MFe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
Fe + N = {  Fe - C  }
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。
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。
: P4 n: m4 W. [6 I( t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。
文章关键词： 渗碳表面硬化