合肥庐江县城池工业炉厂
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渗碳表面硬化处理法

关键词:渗碳,表面,硬化,固体渗碳,液体渗碳,气体渗碳,加热炉,淬火,C

渗碳表面硬化处理法
  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 
  C + CO2 = 2 CO 
  CO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。 
  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如电炉,坑式炉也可用。加热保持一定时间。
  在炉中经过所定后,在炉内徐冷或者由渗碳炉中拖出空冷,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。
  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 
  NaCN + CO2 = NaCNO + CO 
  氰酸盐在高温分解生成CO或N。 
  4 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。
  Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 
  Fe + N = { Fe - C }
  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。
 
渗碳表面硬化处理法

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