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上海澳门壹号网址厂的深层渗碳处理技术  2007/2/20 
 
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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。再配合各种澳门壹号网址法,使得钢之去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。

   

    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:

    (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。

    (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:

    (a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。

    (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。

    (d)适合多种少量生产。

    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。

    (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。

    (2)液体渗碳法

    长处:

    (a)适中小量生产。设备费便宜。不需高度技术。

    (b)容易均热、急速加热,可直接淬火。

    (c)适小件、薄渗碳层处理件。

    (d)渗碳均匀,表面光辉状态。

    短处:

    (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。

    (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。有喷溅危险。

    (3)气体渗碳法

    长处:

    (a)适于大量生产。

    (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。

    短处:

    (a)设备费昂贵。

    (b)处理量少时成本高。

    (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。

    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)。

    C + O2 = CO2 (1)

    C + CO2 = 2 CO (2)

    CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。

    2 CO =〔C〕+ CO2 (3)

    〔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。

    Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (4)

    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如图五之电气炉,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,后进行澳门壹号网址。

    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,一般籍一次淬火将心部组织微细化,其次藉二次淬火将渗碳层硬化,最后藉回火使硬化层的组织安定化。

    但依钢材的种类及使用目的而有适当的澳门壹号网址,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。

   

    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。

    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。

    2 NaCN + O2 = 2 NaCNO (1)

    NaCN + CO2 = NaCNO + CO (2)

    氰酸盐在高温分解生成CO或N。

    4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N (3)

    在较低温时反应如下:

    5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N (4)

    生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。

    Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (5)

    Fe + N = { Fe - C } (6)

    一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠(Na2 CO3)、氯化钡(Ba Cl2)、氯化钠(Na Cl2)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。

    如前所述,NaCN会随熔融时间而劣化,渗碳能降低,所以作业中要定期分析CN,CN不够时,添加指定的补给剂,保持渗碳能在前面所述的钢箔试验可简易试出渗碳能,因NaCN有吸湿性,若将含有水分的补给剂投入加热浴中,则会溅散,须利用炉的隔热壁干燥。

    渗碳终了后可直接淬火,不过渗碳温度高时,可先浸入保持淬火温度的中性盐浴中,然后淬火。表6-1为各种淬火方法之比较。

    回火系去除淬火时发生之残留应力。且将之部分之残留沃斯田铁变为麻田散铁。温度过高则硬度会降低,一般以150~200℃为最适宜。       

    表6-1 液体渗碳后之淬火法

    旧 方 法 新 方 法

    A 法 液体渗碳后冷却至室温,然后再加热至800℃淬火于水中。 液体渗碳后淬火于500~600℃之浴中,然后速即加热至800℃淬火于水中。

   

    B 法(高合金钢)   液体渗碳后冷却至室温,在650℃作中间退火,再加热至800℃后水冷。 同 上

    C 法 二次淬火法Case,Corc之调质硬化。 液体渗碳后淬火于500~600℃之热浴中再加热至900℃,然后再次淬火于500~600℃之热浴中,最后再次加热至800℃后水淬火之。

   

    四、气体渗碳法:

    气体渗碳,由于适合大量生产化,作业可以简化,品质管制容易算特点,目前最普遍被采用。此法有变成气体(或称发生气体)及滴注式之两种。

    变成气体方式之方法是将碳化气体(C4H10,C3H8,CH4等)和空气相混合后送入变成炉(Gas generator),在炉内1000~1100℃之高温下,使碳化氢和空气反应而生成所谓变成气体(Converted Gas),由变成炉所生成的气体有各种称呼,本文方便上叫做变成气体。变成气体以CO、H2、N2,为主成份,内含微量CO2、H2O、CH4,然后将此气体送进无外气泄入的加热炉内施行渗碳。渗碳时,因所需的渗碳浓度不同,在变成气体内添加适当量的C4H10、C3H8、CH4等以便调渗碳浓度。

   

    气体渗碳有关的反应如下所示:

    2CO =〔C〕+ CO2 (1)

    CO + H2 =〔C〕+ H2O (2)

    CH4 =〔C〕+ 2 H2 (3)

    C2H6 =〔C〕+ CH4 + H2 (4)

    C3H8 =〔C〕+ C2H6 + H2 (5)

    此处析出的碳为活性碳〔C〕,此碳渗入钢中扩散而渗碳。

    高级碳化氢以式(4)、(5)的反应依序分解,成为低级碳化氢,最后成为CH4,进行式(3)的分解,式(4)、(5)的分解速度比式(3)快。

    这些反应还会引起下示的副反应

    H2 + CO2 = CO + H2O (6)

    CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 (7)

    CH4 + H2O = CO + 3 H2 (8)

    以上为气体渗碳的基本反应。

   

    进行气体渗碳时,需要前述的气体变成炉、处理炉及其它附属设备,都属于气密式炉体,炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。

    在变成炉变成的渗碳性气体,以对应于处理目的的气体组成或露点的气体导入处理炉。

    此气体参与钢的渗碳,会副生CO2,减低渗碳性,为了从钢材表面除去CO2,有必要以某速度以上使渗碳性气体流动,调节气体流量,使炉内气体每1小时置换5~10次,又为了防止炉外的氧化性气体混入,炉内压力要保持稍高于1气体。

    取出、装入处理品之际,要实施火陷帘,防止空气混入,免得爆炸。

    渗碳终了后进行淬火,不过渗碳温度当作淬火温度时太高的话,可降低气体的碳位,降低炉温,成为淬火适温后淬冷。

    淬火用油若不适当,则即使在炉内为光辉状态,淬入油中时也会氧化着色,达不到光辉处理的目的;淬火油阻害光辉性的因子有油的氧化、残留碳、硫量等油的性状或直接与组成有关者,或微量的水分及空气混入的活,也会降低光辉度。

    气体渗碳后降低温度至800℃以后直接淬火于水或油中,此时若使用麻淬火之处理则可减少淬火变形,又气体渗碳后之组织,其表皮含碳浓度与芯部含碳量之间有显著之差异,所以渗碳后须施以扩散退火(900~950℃),此后在800℃淬火之,淬火后必须在150~180℃施以低温回火。

    渗碳后之澳门壹号网址一般依渗碳温度而分为二种:

    (1) 渗碳温度在钢件原含碳量之Ac3上方时,渗碳后中心部份之组织变成微细,表皮则为粗大,此时澳门壹号网址只须将表皮之粗大晶粒处理成微细晶粒即可,故将渗碳后之钢件,加热至A1稍上方(780℃附近)淬火即可。

    (2) 若渗碳温度在Ac3上方甚高温度处,则中心部晶粒亦成为粗大,此时须经二次澳门壹号网址。

    第1次淬火之目的在于使未被渗碳之心部组织微细化,即加热至Ac3上起沃斯田铁变态,而结晶粒刚微细化时淬火之,故温度较高。同时在此温度下,渗碳层之高碳部份的网状雪明碳铁可固熔于沃斯田铁,所以淬火后不再有网状雪明碳铁存在。

    但是此淬火温度,作为渗碳层之淬火温度未免过高,必须再一次在较低之温度作第二次淬火。此温度对于渗碳层而言,相当于A1与Acm之间约760℃附近,故经第二次淬火之铲,渗碳表面层为麻田散铁,基地中有许多球状碳化物存在,故耐磨性高。

    回火系去除淬火时发生之残留应力,且将一部份之残留沃斯田铁变为麻田散铁。温度过高则硬度会降低,普通以150~200℃为最适宜。

    若须较高之硬度时,则宜在100~170℃回火,若须韧性时,则宜在400℃以上,Ac1以下回火之,则得回火糙斑铁组织。

   

   

    五、气体渗碳氮化法:

    气体渗碳氮化时,渗碳和渗氮作用同时行。气体渗碳用的气体渗碳用的气体用来产生渗碳作用,而N H3气体用产生渗氮作用。气体渗碳氮化温度为704~900℃,其处理时间比气体渗碳法短,得较薄的硬化层,所得渗碳氮化结果类似于液体渗碳氮化所得者。

    处理层的硬化能,比由渗碳所得的渗碳层好,所以把渗碳氮化和淬火适当配合时,碳钢或低合金钢也可以得到十分安定的高硬度硬化层。由此法所得的硬化层深度为0.07~0.75㎜。淬火时可采用油淬火,有时可实施气体淬火来防止淬火变形而仍能得到高的表面硬度。

    渗碳氮化所使用的钢由以低碳构造用钢和低合金构造用钢为主,其主要目的是改善耐磨性。假如同时要满足耐荷重性和耐磨性,首先渗碳1.5~1.8㎜,其次实施渗碳氮化,然后加以油淬火。

    气体渗碳氮化层因为含有N,其回火软化抵抗性大,所以回火温度要比气体渗碳淬火者高。通常回火于190~210℃时,表面硬度为HRC58以上

 
 
      
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