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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。
) Q! q2 ^ V0 m6 s& G9 k2 i2 O- ]一、渗碳处理之种类与特点:
8 @; K( `- k+ T. W- q(一)渗碳法之种类 2 d! ]7 K# I. ]9 |3 D# {, E6 t
渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类: Y% `. o" z8 S0 i) V
(1) 固体渗碳法:以木炭為主剂的渗碳法。
/ C6 p8 R6 B; \! A. J$ w2 Y, p(2) 液体渗碳法:以氰化钠(NaCN)為主剂之渗碳法。
; O" |/ B+ H/ Z1 p, w3 o(3) 气体渗碳法:以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。
* }$ }) ~8 G* u/ ^# {3 X; z6 v0 ? c. N(二)渗碳法之比较 7 f- [' m3 |& P% `
(1)固体渗碳法 % s( F2 O$ M. e# o7 p
长处:
, }/ j! Y# ]1 \; G, a(a)设备费便宜,操作简单,不需高度技术。
) @, K$ Q2 L# |7 G. A2 L- L% T(b)加热用热源,可用电气、瓦斯、燃料油。
% v2 h) g* O; b1 o(c)大小工件均适,尤其对大形或需原渗碳层者有利。; ^6 {( t: c4 Z7 G! {- N4 L! p+ O5 Z
(d)适合多种少量生產。 * z. w: F% ]0 b5 \! U3 \$ m* K {
短处: 0 q, {; B7 G. ~, @# s: b( j
(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。* q0 t9 u! _+ }2 J& y1 L
(b)渗碳终了时,不易直接淬火,需再加热。+ c! l; x" v* E" Y0 T$ H+ Y. u
(c)作业环境不良,作业人员多。 / m: |8 ~7 H' j6 T' ~1 e
(2)液体渗碳法 7 b9 }2 H+ `8 q; Z; Y; L0 V( @+ B3 O
长处:) Q* X0 N6 Q' Y. O% c1 p5 X
(a)适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。
- ?% C8 n* {; ~8 |3 X' U6 ](b)容易均热、急速加热,可直接淬火。
% R& p& G, v- |3 d3 B; K(c)适小件、薄渗碳层处理件。
+ e3 N- _, }/ D- A! \% M+ W2 u3 g(d)渗碳均匀,表面光辉状态。
7 T% y: P% z$ h8 w8 {: h c$ P# K" s# v短处:: l- @8 s# D# f' f: o
(a)不适於大形处理件的深渗碳。
, `! [3 V+ G- U- H/ v) Y/ z(b)盐浴组成易变动,管理上麻烦。
% d, s3 O" d. x3 _' `(c)有毒、排气或公害问题应有对策。( Q5 B9 I5 t& z8 C0 b; |, `, y
(d)处理后,表面附著盐类不易洗净,易生锈。+ a5 c9 A/ _1 _; d4 _
(e)难以防止渗碳。有喷溅危险。
A* K% `' ^ y8 g7 _% l (3)气体渗碳法
4 p+ N; L) z8 f9 c* F长处:
* K" o) [3 \- `) v(a)适於大量生產。' k8 u- S/ ]6 k) Z
(b)表面碳浓度可以调节。
H3 j6 H: s% I' a: o(c)瓦斯流量、温度、时间容易自动化,容易管理。
9 m* R' c4 m+ C短处:# g* s$ K9 N3 E+ h. d# r# t/ T. Y
(a)设备费昂贵。9 |9 _3 |; o- m. g: S
(b)处理量少时成本高。 w) n, j7 W( K; ]$ s9 }* |* M6 p
(c)需要专门作业知识。 4 |* p+ ~0 u. g' t9 m, M
二、固体渗碳法: * _4 ^6 j1 n5 f2 v& I+ L
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。
; j$ ?0 b" I/ y" L0 Y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。 / X8 L: p5 Y1 Q2 u0 t( f
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)。
2 k1 `( Q( _9 o C + O2 = CO2 (1)
& g: T8 j' [6 r9 M7 L C + CO2 = 2 CO (2)
% H3 p/ L% d* P7 o CO在钢表面分解,析出碳〔C〕。 - g% G$ p- E& [2 a7 R2 j! Q# `
2 CO =〔C〕+ CO2 (3) # h8 _& k5 x$ y! X7 d8 Z$ }
〔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。
7 r8 F/ y; j9 n. {4 |& {* P" e5 | 前述反应与铁(Fe)组合成渗碳反应。 ! h& `% i. i5 b5 O
Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (4) & y* }- J. W" X9 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。
8 o3 d4 y2 w1 w0 g; J: G固体渗碳处理程序下:
9 y: h+ b4 @3 }4 j1 m 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。
; P/ f ~# m/ _& W) B! V( @0 \ 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。
6 V+ h1 E3 D# U( F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。
. C6 N/ F/ n: g; A& l% p 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。 r' ]2 }7 b8 x/ Q% d; P6 V$ M3 K
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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