渗碳处理技术

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渗碳硬化乃表面硬化法之一种，属於化学表面硬化法。渗碳者先於钢之表面產生初生态之碳，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產生於渗碳容器内，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，使初生态之碳埂於扩散，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，心部韧而耐衝击之性质。
$ q9 R4 a) N' o: m2 b) s! c一、渗碳处理之种类与特点：
9 F( L& Z5 ~$ I' ]4 ?7 V9 ]（一）渗碳法之种类
+ J- f# E4 q9 q; Q# }& [: U) i8 I( Q* a渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类：
- f+ r# G# t0 v" g/ h" X" U& \8 p（1）    固体渗碳法：以木炭為主剂的渗碳法。
（2）    液体渗碳法：以氰化钠（NaCN）為主剂之渗碳法。
' q5 I( f) j  B2 X6 l8 c（3）    气体渗碳法：以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。
（二）渗碳法之比较
, m; p: c4 \7 g  _* q9 f- v9 B     （1）固体渗碳法
长处：
4 o& A$ c8 _; l（a）设备费便宜，操作简单，不需高度技术。
: r, y5 t5 b1 a5 ]/ e( _: r0 k（b）加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。
' U5 M" Y9 j) y: n8 u+ d: Q（c）大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利。
（d）适合多种少量生產。
  c) r) n0 u2 g  b        短处：
2 Y$ U) ?2 r6 h（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。
; u% k* j; p$ `  I" ?! X# p（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。
/ o) R# @5 m+ x8 [5 p    （2）液体渗碳法
长处：
（a）适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。
+ k' [$ w# [  t- R" H% s（b）容易均热、急速加热，可直接淬火。
* {4 W- L% n! a7 P! c, T（c）适小件、薄渗碳层处理件。
" D1 O/ X4 |3 ^$ g7 c5 ^7 d（d）渗碳均匀，表面光辉状态。
短处：
7 s. ^% w& m& c8 P6 {) n* J0 w（a）不适於大形处理件的深渗碳。
1 E1 A: \5 T  x8 d2 |& C（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，表面附著盐类不易洗净，易生锈。
（e）难以防止渗碳。有喷溅危险。
, ]; U$ ?( \" y: u     （3）气体渗碳法
1 I" S/ R0 @( m+ g' U% c长处：
8 m$ S9 N7 y; @+ Y+ `9 c/ E（a）适於大量生產。
（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。
8 |4 n1 t+ j5 M- h" H/ b& ~短处：
. P) \1 R# x7 ~! ]. H' d（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：
" g, |/ n9 Z/ V. j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。
. Y; Y% h7 B& @5 l9 G% {% W此固体渗碳在渗碳法中歷史最老，不适於连续处理大量工件，作业环境不良，已有衰退倾向，不过炉及其他设备也较简单，多种少量的处理也较方便，不至於完全绝跡。
固体渗碳的渗碳机构以气体渗碳為基础，亦即箱内的固体渗碳剂与箱内空气中的氧反应，成為二氧化碳（CO2），CO2再与碳反应，生成一氧化碳（CO）。  
        C + O2 = CO2                              （1）
# d& ~# Q) o. \8 s" L# \% e        C + CO2 = 2 CO                          （2）
      CO在钢表面分解，析出碳〔C〕。
        2 CO =〔C〕+ CO2                           （3）
    〔C〕异於普通的碳，此种在钢表面分解的原子状碳（atomic Carbon）即称為活性碳或初生态碳（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〕，此反应连续反覆进行，碳从钢材表面侵入扩散，而渗碳。
' X. O$ R; r& O3 ^+ X% V% ]　　前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。
5 V3 H5 ]% p; i! r: C        Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2       （4）
/ T8 o2 x# y& S1 j6 s/ I5 a" E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。通常使用木炭為主剂，再添加若干渗碳促进剂。一般以硷金属的碳酸盐為促进剂，碳酸盐中的碳酸鋰（LiCO3）、碳酸鍶（Sr CO3）、碳酸钾（K CO3）、的促进能大，但昂贵，工业上採用碳酸钡（Ba CO3）、碳酸钠（Na2 CO3）為多。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為渗碳剂。
固体渗碳处理程序下：
0 X$ ]8 E2 t) P  s* w    先将处理工件去锈，脱脂以适当的间隔（20～25㎜以上）排列於渗碳箱中，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。
3 X* b  {/ ^, T: o1 R; j, G    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。
渗碳钢的表面為高碳钢，心部為低碳钢，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。
/ y2 N3 E7 J- J" y1 ^    但依钢材的种类及使用目的而有适当的热处理，镍铬钢、镍铬鉬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。
% a+ r( t3 |; a" N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。

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三、液体渗碳法：     液体渗碳法為将工作件浸渍於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，便於多种少量的生產。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）為主成分，所以同时能渗碳亦能氰化，所以亦称為渗碳氮化（Carbonitriding），有时亦称為氰化法（Cyaniding）。处理温度约以700℃界，此温度以下以氮化為主，渗碳為辅，700℃以上则渗碳為主，氮化為辅，氮化之影响极低。一般工业上使用时，係以渗碳作用為主。
    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）
( d" j3 B0 |8 ~* p        NaCN + CO2 = NaCNO + CO        （2）
( D/ B8 Y* W2 p    氰酸盐在高温分解生成CO或N。
       4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N                 （3）
, l4 Y- l! Q' s/ T1 k1 N9 @    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。
  r' Z' c9 U9 e/ a       Fe + 2 CO = {  Fe - C  }+ CO2          （5）
! k' F) N5 @9 J9 H( Q       Fe + N = {  Fe - C  }              （6）
6 w8 {9 }2 k9 r, }8 q    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，这是由於钡盐的促进作用大，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於适当的夹具，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餘裕。
/ }4 P6 ?, \% A  {% L# j    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，须利用炉的隔热壁乾燥。
; W: n! u3 t( M7 N+ I    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為各种淬火方法之比较。
    回火係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為麻田散铁。温度过高则硬度会降低，一般以150～200℃為最适宜。　　　　　　　
0 s6 T* W, ]3 X' g1 M8 @7 l表6-1  液体渗碳后之淬火法
旧       方       法 新       方       法
4 ^8 U) C& m/ t6 d! X7 GA        法 液体渗碳后冷却至室温，然后再加热至800℃淬火於水中。 液体渗碳后淬火於500～600℃之浴中，然后速即加热至800℃淬火於水中。

B       法
1 g' ^" |$ Q) x' y+ ^（高合金钢）
+ y& u4 m8 q$ Y- a5 F; v　
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
, r; W) F- T' V
C       法 二次淬火法Case，Corc之调质硬化。 液体渗碳后淬火於500～600℃之热浴中再加热至900℃，然后再次淬火於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：
: u+ g+ k( z9 ~    气体渗碳，由於适合大量生產化，作业可以简化，品质管制容易算特点，目前最普遍被採用。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，為主成份，内含微量CO2、H2O、CH4，然后将此气体送进无外气洩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）
  b7 z1 }. o% Z2 R# g$ u    此处析出的碳為活性碳〔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，成為低级碳化氢，最后成為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
1 y5 K8 u9 ]$ ^* y  s% o' K        H2 + CO2 = CO + H2O                     （6）
( }) J! s- q; Y, M- h) V        CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2                      （7）
        CH4 + H2O = CO + 3 H2                        （8）
    以上為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、处理炉及其他附属设备，都属於气密式炉体，炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。
9 @. E( |3 U. p    在变成炉变成的渗碳性气体，以对应於处理目的的气体组成或露点的气体导入处理炉。
+ S' d1 c9 C# J; d4 t    此气体参与钢的渗碳，会副生CO2，减低渗碳性，為了从钢材表面除去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，又為了防止炉外的氧化性气体混入，炉内压力要保持稍高於1气体。
& G- ~/ p9 s% @9 H2 k; n* t    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，成為淬火适温后淬冷。
& I. C5 ^# y5 e% @! Q1 k    淬火用油若不适当，则即使在炉内為光辉状态，淬入油中时也会氧化著色，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。
2 H. u9 V' N( `2 d, R$ a% ~( u% A7 U    气体渗碳后降低温度至800℃以后直接淬火於水或油中，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。

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渗碳后之热处理一般依渗碳温度而分為二种： （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，表皮则為粗大，此时热处理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。
0 m1 ^6 x% N& N（2）    若渗碳温度在Ac3上方甚高温度处，则中心部晶粒亦成為粗大，此时须经二次热处理。
第1次淬火之目的在於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於沃斯田铁，所以淬火后不再有网状雪明碳铁存在。
    但是此淬火温度，作為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。此温度对於渗碳层而言，相当於A1与Acm之间约760℃附近，故经第二次淬火之铲，渗碳表面层為麻田散铁，基地中有许多球状碳化物存在，故耐磨性高。
% m) [2 A; Q5 t- Y7 B" a8 I/ u2 F    回火係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為麻田散铁。温度过高则硬度会降低，普通以150～200℃為最适宜。
+ @% ?6 Q" ]" {! x, t    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產生渗碳作用，而N H3气体用產生渗氮作用。气体渗碳氮化温度為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於液体渗碳氮化所得者。
& l9 k. C+ [- y- O2 s+ M% n/ Y" Q    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為0.07～0.75㎜。淬火时可採用油淬火，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。
. B: c; p  q8 Z0 e5 A    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為主，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。
% q, `+ g. e& t1 M* D' X    气体渗碳氮化层因為含有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。通常回火於190～210℃时，表面硬度為HRC58以上。

musachang

我们厂一般使用渗碳后直接淬火较多!!

addle

像这样大篇幅的帖子，我建议尽量采用附件形式上传，以方便大家看阅！

ncdzjsxutie

我把楼主的内容整理一下，

zxccvb

我们厂一般使用渗碳后直接淬火较多!!

zycwlm

我觉得楼主讲的是一般的知识,一般热处理书上都有,我上学时就学过.