渗碳表面硬化处理法

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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：
0 x6 M7 d5 O8 j$ F% 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。
) M9 n0 `! A; }   （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   
% x; j+ Y4 c( I+ Z5 b- N; ~4 Y   （1）固体渗碳法
4 v: E* R* I8 C$ n! O! b- A+ E: E6 L长处：
5 W3 M9 [* b# y   （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。
5 x1 v  ~; u1 ~2 P. {) r  P   （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。      
: R& x6 V* A) G1 m0 ]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。
# N8 y) A: w# w6 v& r3 y   （2）液体渗碳法
6 S5 [6 I6 V  V! q% P2 {1 v长处：
. w( X& x5 p  V   （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：
& _. n9 L/ J4 N$ [9 F   （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：
: S  T6 ]; Q6 k* k' s! H   （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：
( r3 g) R. j# [6 ]' h" 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。  
( V( }8 R9 I( x; z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）。     
2 e& \' A% q7 e( I6 D; w- M! J     C + O2 = CO2                  C + CO2 = 2 CO   
     CO在钢表面分解，析出碳〔C〕。      
- @  o- g% A( K, V* i     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
1 J0 f% G# \6 m* c3 @4 T( k（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。
" M0 R2 V2 K$ ?5 q/ d' i1 k    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：
$ I. D+ ~( d0 ?. Q3 H/ \. R6 z    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              
; k5 T' D3 m. W2 {7 M5 h    NaCN + CO2 = NaCNO + CO      
- u; H+ J, U9 {3 g, L    氰酸盐在高温分解生成CO或N。     
    4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N  
0 z& g  u. i$ `# S& W* M+ {* z    在较低温时反应如下：
    5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
* |  }- ?8 |7 W3 \7 |. a2 Z- h0 ]    生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。
3 T# y" F  W0 g    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。
$ |2 w% u8 [8 D) n+ U, X8 q    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。

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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。下表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。 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。
7 [# `7 J$ z9 j1 F    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
; S& n6 l5 S5 g! Z），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：
8 i& f) Y4 B! B) M    2CO =〔C〕+ CO2     ……（1）
$ P* {: n9 w, q% i5 k    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。
% M$ q# j! \% ~+ Z- p: m+ Y    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。
4 l) n6 `, m+ w    这些反应还会引起下示的副反应
    H2 + CO2 = CO + H2O    ……（6）
8 `" m/ f8 U4 b6 z: E    CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 ……（7）
    CH4 + H2O = CO + 3 H2  ……（8）
    以上为气体渗碳的基本反应。
  ~/ S/ w  I/ c  \, w; e# s    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。
7 N/ F4 P" F) P' I    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。
2 q4 z/ X1 }; O0 }    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。
7 r' ?" o6 V! [( k) D) k    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。
9 A6 I; ^1 y2 i( c  p    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。
- V" U# c' `6 p- u5 b8 n    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。
7 ]3 ~+ e4 U- D    渗碳后之热处理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。
& e+ c" D. x2 \4 `2 \+ t   （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，此时须经二次热处理。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。
/ X% L3 U/ t+ h; I9 D    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。
2 W0 d* ]2 ~5 G' a    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。