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。
5 h' J, x3 W! A) g* C一、渗碳处理之种类与特点：
（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：
, Y( L. B: z% h( F* ]4 t& \（1）固体渗碳法：以木炭为主剂的渗碳法。
（2）液体渗碳法：以氰化钠（NaCN）为主剂之渗碳法。
2 ^* A: r: X, _, z( Q$ t" G（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
（1）固体渗碳法
长处：
4 _8 _" x7 N& [（a）设备费便宜，操作简单，不需高度技术。
  B# V. f+ U' F8 ~- y9 y（b）加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。
/ |/ S/ T! B7 w* P( S/ x! k（c）大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利。
（d）适合多种少量生产。
9 b: _8 T' ^6 f+ Y6 L9 b  R短处：
（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。
! n' Y4 F* |! q% K7 L: O; O6 R（b）渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。
* `9 n! v! ]9 ~  K" z（c）作业环境不良，作业人员多。
（2）液体渗碳法
. G; \& w" z2 B& m, I3 D  y长处：
（a）适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。
( p$ U4 `; w3 N9 f" q2 j! g# n5 |（b）容易均热、急速加热，可直接淬火。
3 _- n* S6 T! ^- q（c）适小件、薄渗碳层处理件。
（d）渗碳均匀，表面光辉状态。
3 Z/ h1 c1 \& S4 ?4 L, v, Q& G短处：
（a）不适于大形处理件的深渗碳。
/ ]( Y* [$ i' P# Y+ A; I（b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。
0 J. m, d5 W! [: `（c）有毒、排气或公害问题应有对策。
. {$ p, i* R0 ]' R+ c: H  [# b（d）处理后，表面附着盐类不易洗净，易生锈。
9 T2 p/ ~  S. M$ W2 Z（e）难以防止渗碳剂。有喷溅危险。
, W, P1 J$ E4 z% |4 f& _（3）气体渗碳法
4 t6 U/ L! g1 F! L" ^$ Y3 N+ ?长处：
, r% y9 Y# T% c8 W, [) r/ {（a）适于大量生产。
# w7 D4 i8 Z9 u, Y, f（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。
! B3 E; U/ y; b% z/ g! B: n6 g! G短处：
" a4 S4 X, R6 f6 }% f+ i（a）设备价格昂贵。
（b）处理工件量少时成本高。
（c）需要专门作业知识。
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。
' h: v& O9 `; C4 c% 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）。
% b" ~+ \& q9 T6 x5 qC + O2 = CO2
0 {0 b& @" U# m" `2 a  ~& {/ DC + CO2 = 2 CO
CO在钢表面分解，析出碳〔C〕。
2 CO =〔C〕+ CO2
2 j: u7 U0 M, V〔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。　　
/ ^8 ]% P: i5 ]+ h前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
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
（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。
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。
. W% d0 Y' n4 `. @' J5 a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。
& v( `6 ]6 \4 ]. j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。
$ D$ J( b& |# K2 X4 p三、液体渗碳法：
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。
6 {' s* e, A. a+ F) p- C& w  `5 P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。
; y6 _# _. L  F9 g# 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。
2 NaCN + O2 = 2 NaCNO
NaCN + CO2 = NaCNO + CO
! ^6 T. c3 V# I& n氰酸盐在高温分解生成CO或N。
: f0 S% j5 I8 o5 q4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
$ {( c# {0 S! l- X7 Q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。
Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2
. C/ v  l, k9 Y1 lFe + 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。
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。
! w( C5 H& w* I  K2 ^* x' ^  |3 y6 _文章关键词： 渗碳表面硬化