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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。 . `3 D# i3 u3 W
一、渗碳处理之种类与特点:
Y8 J! s* ^5 f(一)渗碳法之种类 ! R) G' X1 T) b2 k
渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类: 8 }% K b/ l, X; s, X0 u/ J
(1) 固体渗碳法:以木炭為主剂的渗碳法。
; m, G, p. l! x* r(2) 液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)為主剂之渗碳法。
2 O6 K* }% e7 @% p(3) 气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。
& X- M8 W' {2 N$ i" n(二)渗碳法之比较 % }* a1 J! o# D! t$ |9 N
(1)固体渗碳法
% Z) `, x3 J' [$ f) n长处:8 o1 O4 P3 h. o/ i% v
(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。
3 p, d2 V( k' Z5 s( m(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。4 j" F/ M+ B6 c( {0 l: d- H( f
(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。
4 n' z/ S' n6 }' i: i# `8 m+ N- }(d)适合多种少量生產。
) `! U3 v2 A6 D2 I4 ?# K 短处:
+ ~- l" r! M9 x$ ?7 d(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。
) a' Y7 y7 b* V. E/ ?(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。
* r: q7 n5 i6 B: N+ @6 g3 d(c)作业环境不良,作业人员多。 ) g. R% a7 ?$ u' W- f. u/ p
(2)液体渗碳法 ) L8 \9 M$ b0 r7 |' n* ^+ e0 d% w
长处:. O% t r& m D0 ?
(a)适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。
& Y+ P& g; }, j' s9 P* I' O# C6 A(b)容易均热、急速加热,可直接淬火。
$ M) Z0 N" N( U2 D }0 n(c)适小件、薄渗碳层处理件。$ [3 u3 v+ x, V% y3 B& i# y7 r- p3 [' l
(d)渗碳均匀,表面光辉状态。
`, n9 T- D" ?; r- ~0 |6 m" e短处:
8 J3 Z- V: {4 b0 w% }+ R9 b(a)不适於大形处理件的深渗碳。
! t8 m9 x7 I4 ^ X) l" F% x(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。$ X$ E+ _" m; \( ^9 a% D% v
(c)有毒、排气或公害问题应有对策。3 T+ i7 {0 X0 F, v
(d)处理后,表面附著盐类不易洗净,易生锈。
9 o: u$ P" I0 L7 [ `1 t3 P) }+ q(e)难以防止渗碳。有喷溅危险。 : }) B- e' B! I/ Z" V
(3)气体渗碳法 h& I$ s6 C+ S2 Y" J' i0 w; L, G
长处:" M3 D( a- m5 L
(a)适於大量生產。
7 v& v& s1 q* c(b)表面碳浓度可以调节。
: f+ b, h: }* j' m1 q: T, W(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。 1 R$ A; M5 T/ f, u# E4 G0 p
短处:
& Y, V9 \* ?. P(a)设备费昂贵。8 K$ ^1 D8 Z+ q6 \4 Y
(b)处理量少时成本高。
. ?8 M4 w2 T; ^* e3 Y" t# D(c)需要专门作业知识。
; r! X* v+ J7 a z8 x9 ]2 `# b0 I6 R二、固体渗碳法: ; L' r6 r0 \; C3 d* N
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。
" N7 b# w2 p5 r9 o/ r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。 $ U+ \# x, c w' {
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)。 : m& }3 a% j1 o
C + O2 = CO2 (1) % e5 X, G4 R- t2 k7 ]
C + CO2 = 2 CO (2)
; ?% X: K$ Y7 l CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。
Z Q+ V6 k& c3 @# a 2 CO =〔C〕+ CO2 (3)
% w2 K( ^: \6 p7 L9 u7 L& [) x. U7 _5 t 〔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。 ( {9 d" [' M3 }( C7 g1 Z) c2 V+ M
前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。 : Y' u7 ` F4 f, y$ g
Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (4)
* Z4 e2 y: @4 J. X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。
, n t$ }7 q$ ?5 `0 ?固体渗碳处理程序下: I% p# _4 h& w" e$ P3 Z' 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。 ! ^* I! G1 U0 p8 V7 j
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。 ' c$ e8 k1 p8 d# t- [4 e
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。
2 d; w1 e) n( P; q7 @' b' D 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。 / @% @3 |4 y" K/ R& Q; q
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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