[精品]渗碳处理技巧

[精品]渗碳处理技巧 滲碳硬化乃 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面硬化法之一種,屬於化學表面硬化法。滲碳者先於鋼之表面產生初生態之碳,而後使之滲入鋼之表面層,逐漸擴散入內部。初生態之碳乃由CO或CH4等氣體分解而得。CO之來源或由含有CO之氣體得之,或由固體滲碳劑之反應而產生於滲碳容器內,或者由含有氰化物之鹽浴得之。初生態之碳由鋼之表面擴散入內部時,鋼之溫度須增高至沃斯田鐵化溫層範圍內,使初生態之碳埂於擴散,蓋沃斯田鐵可溶解較多之〞C〞而肥粒鐵則溶解力極小,故滲碳溫度必須在Ac3要以上之溫度。以便滲碳作用得以進行。再配合各種熱處理法,使得鋼之去面生成高碳硬化心部低碳之低硬度層。使處理供具有表面硬而耐磨,心部韌而耐衝擊之性質。________________________________________ 一、滲碳處理之種類與特點: :一:滲碳法之種類 滲碳法按使用之滲碳劑而可分為如下三大類: :1: 固體滲碳法:以木炭為主劑的滲碳法。 :2: 液體滲碳法:以氰化鈉:NaCN:為主劑之滲碳法。 :3: 氣體滲碳法:以天然氣、丙烷、丁烷等氣體為主劑的滲碳法。 :二:滲碳法之比較 :1:固體滲碳法 長處: :a:設備費便宜,操作簡單,不需高度技術。 :b:加熱用熱源,可用電氣、瓦斯、燃料油。 :c:大小工件均適,尤其對大形或需原滲碳層者有利。 :d:適合多種少量生產。 短處: :a:滲碳深度及表面碳濃度不易正確調節,有過剩滲碳的傾向。處理件變形大。 :b:滲碳終了時,不易直接淬火,需再加熱。 :c:作業環境不良,作業人員多。 :2:液體滲碳法 長處: :a:適中小量生產。設備費便宜。不需高度技術。 :b:容易均熱、急速加熱,可直接淬火。 :c:適小件、薄滲碳層處理件。 :d:滲碳均勻,表面光輝狀態。 短處: :a:不適於大形處理件的深滲碳。 :b:鹽浴組成易變動,管理上麻煩。 :c:有毒、排氣或公害問題應有對策。 :d:處理後,表面附著鹽類不易洗淨,易生鏽。 :e:難以防止滲碳。有噴濺危險。 :3:氣體滲碳法 長處: :a:適於大量生產。 :b:表面碳濃度可以調節。 :c:瓦斯流量、溫度、時間容易自動化,容易管理。 短處: :a:設備費昂貴。 :b:處理量少時成本高。 :c:需要專門作業知識。 二、固體滲碳法: 將表面滲碳鋼作成的工件,連同滲碳劑裝入滲碳箱而密閉,裝入加熱爐,加熱成沃斯田鐵狀態,使碳從鋼表面侵入而擴散,處理一定時間後,連同滲碳箱冷卻,只取出滲碳處理工件,進行一次淬火、二次淬火、施行回火。 此固體滲碳在滲碳法中歷史最老,不適於連續處理大量工件,作業環境不良,已有衰退傾向,不過爐及其他設備也較簡單,多種少量的處理也較方便,不至於完全絕跡。 固體滲碳的滲碳機構以氣體滲碳為基礎,亦即箱內的固體滲碳劑與箱內空氣中的氧反應,成為二氧化碳:CO2:,CO2再與碳反應,生成一氧化碳:CO:。 C + O2 = CO2 :1: C + CO2 = 2 CO :2: CO在鋼表面分解,析出碳〔C〕。 2 CO =〔C〕+ CO2 :3: 〔C〕異於普通的碳,此種在鋼表面分解的原子狀碳:atomic Carbon:即稱為活性碳或初生態碳:nascent Carbon:的活性強的碳,本講義表成〔C〕;另一方面,鋼材表面副生的CO2再在固體滲碳劑表面依:2:式生成CO,依:3:式分解而析出〔C〕,此反應連續反覆進行,碳從鋼材表面侵入擴散,而滲碳。 前述反應與鐵:Fe:組合成滲碳反應。 Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 :4: 滲碳用之碳素,如以滲碳性之強度順序列之,可排如木炭、焦炭、石墨、骨炭。通常使用木炭為主劑,再添加若干滲碳促進劑。一般以鹼金屬的碳酸鹽為促進劑,碳酸鹽中的碳酸鋰:LiCO3:、碳酸鍶:Sr CO3:、碳酸鉀:K CO3:、的促進能大,但昂貴,工業上採用碳酸鋇:Ba CO3:、碳酸鈉:Na2 CO3:為多。雖促進能不如,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為滲碳劑。 固體滲碳處理程序下: 先將處理工件去鏽,脫脂以適當的間隔:20,25?以上:排列於滲碳箱中,周圍填圍滲碳劑,加蓋以粘土封密裝入如圖五之電氣爐,坑式爐也可用。加熱保持一定時間。 在爐中經過所定後,在爐內徐冷或者由爐中拖出空冷,後進行熱處理。 滲碳鋼的表面為高碳鋼,心部為低碳鋼,有必要施行適用各部份的硬化處理,一般籍一次淬火將心部組織微細化,其次藉二次淬火將滲碳層硬化,最後藉回火使硬化層的組織安定化。 但依鋼材的種類及使用目的而有適當的熱處理,鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等的結晶粒粗大化少, 未必要一次淬火,滲碳後實施球狀化退火者已達一次淬火的目的,亦無此必要;一次淬火的淬火溫度高,變形大,容易脆裂,要盡量避免;滲碳層淺的小工件通常省略一次淬火。 二次淬火後,施行回火,消除應力,賦予韌性、分解殘留沃斯田鐵,防止時效變形,要求高硬度者在150?以下長時回火,忌諱時效變形者,可在稍高的180,200?回火。 ________________________________________ 三、液體滲碳法: 液體滲碳法為將工作件浸漬於鹽浴中行滲碳之方法。因鹽浴之淬火性良好,因此可減少工作件之變形,並可使處理件加熱均勻。升溫迅速,操作簡便,便於多種少量的生產。尤其在同一爐,可同時處理不同滲碳深度的處理件。 液體滲碳是以氰化鈉:NaCN:為主成分,所以同時能滲碳亦能氰化,所以亦稱為滲碳氮化:Carbonitriding:,有時亦稱為氰化法:Cyaniding:。處理溫度約以700?界,此溫度以下以氮化為主,滲碳為輔,700?以上則滲碳為主,氮化為輔,氮化之影響極低。一般工業上使用時,係以滲碳作用為主。 液體滲碳法雖硬化層薄,但滲碳時間短,故內部應力較少,同時因C、N同時慘入,所以耐磨性佳。 液體滲碳反應是利用氰化物:NaCN:分解,先在浴面與空氣中的氧、水分、二氧化碳反應變成氰酸鹽。 2 NaCN + O2 = 2 NaCNO :1: NaCN + CO2 = NaCNO + CO :2: 氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。 4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N :3: 在較低溫時反應如下: 5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N :4: 生成的CO及N與Fe反應而進行滲碳及氮化。 Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 :5: Fe + N = { Fe - C } :6: 一般用的滲碳劑是在中添加碳酸鈉:Na2 CO3:、氯化鋇:Ba Cl2:、氯化鈉:Na Cl2:等,比起NaCN單鹽,表面碳濃度低,擴散層增加,900?時的碳濃度最高,這是由於鋇鹽的促進作用大,而且熔點變高,浴的粘性也增加,影響滲碳作用。 滲碳鹽浴的容器通常使用軟鐵、鎳鉻鋼、耐熱鋼,不過,氧化侵蝕很激烈,施行滲鋁防鏽法可延長壽命;容器形狀宜是內容積大、表面積小、接觸空氣的面少,蒸發揮散量也少,但是容器的上部與下部滲碳力不同,所以要注意鹽浴攪拌。 與滲碳處理的零件安裝於適當的夾具,預熱到200,500?後浸入鹽中,盡量防止鹽浴溫度降低及熱變形。 浴底堆積很多氧化物,處理品接觸它時會變形,所以須預先調節夾具,使處理品與浴底之間有充分的餘裕。 如前所述,NaCN會隨熔融時間而劣化,滲碳能降低,所以作業中要定期分析CN,CN不夠時,添加指定的補給劑,保持滲碳能在前面所述的鋼箔試驗可簡易試出滲碳能,因NaCN 有吸濕性,若將含有水分的補給劑投入加熱浴中,則會濺散,須利用爐的隔熱壁乾燥。 滲碳終了後可直接淬火,不過滲碳溫度高時,可先浸入保持淬火溫度的中性鹽浴中,然後淬火。表6-1為各種淬火方法之比較。 回火係去除淬火時發生之殘留應力。且將之部分之殘留沃斯田鐵變為麻田散鐵。溫度過高則硬度會降低,一般以150,200?為最適宜。 表6-1 液體滲碳後之淬火法 舊 方 法 新 方 法 A 法 液體滲碳後冷卻至室溫,然後再加熱至800?淬火於水中。 液體滲碳後淬火於500,600?之浴中,然後速即加熱至800?淬火於水中。 B 法 :高合金鋼: 液體滲碳後冷卻至室溫,在650?作中間退火,再加熱至800?後水冷。 同 上 C 法 二次淬火法Case,Corc之調質硬化。 液體滲碳後淬火於500,600?之熱浴中再加熱至900?,然後再次淬火於500,600?之熱浴中,最後再次加熱至800?後水淬火之。 ________________________________________ 四、氣體滲碳法: 氣體滲碳,由於適合大量生產化,作業可以簡化,品質管制容易算特點,目前最普遍被採用。此法有變成氣體:或稱發生氣體:及滴注式之兩種。 變成氣體方式之方法是將碳化氣體:C4H10,C3H8,CH4等:和空氣相混合後送入變成爐:Gas generator:,在爐內1000,1100?之高溫下,使碳化氫和空氣反應而生成所謂變成氣體:Converted Gas:,由變成爐所生成的氣體有各種稱呼,本文方便上叫做變成氣體。變成氣體以CO、H2、N2,為主成份,內含微量CO2、H2O、CH4,然後將此氣體送進無外氣洩入的加熱爐內施行滲碳。滲碳時,因所需的滲碳濃度不同,在變成氣體內添加適當量的C4H10、C3H8、CH4等以便調滲碳濃度。 氣體滲碳有關的反應如下所示: 2CO =〔C〕+ CO2 :1: CO + H2 =〔C〕+ H2O :2: CH4 =〔C〕+ 2 H2 :3: C2H6 =〔C〕+ CH4 + H2 :4: C3H8 =〔C〕+ C2H6 + H2 :5: 此處析出的碳為活性碳〔C〕,此碳滲入鋼中擴散而滲碳。 高級碳化氫以式:4:、:5:的反應依序分解,成為低級碳化氫,最後成為CH4,進行式:3:的分解,式:4:、:5:的分解速度比式:3:快。 這些反應還會引起下示的副反應 H2 + CO2 = CO + H2O :6: CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 :7: CH4 + H2O = CO + 3 H2 :8: 以上為氣體滲碳的基本反應。 進行氣體滲碳時,需要前述的氣體變成爐、處理爐及其他附屬設備,都屬於氣密式爐體,爐內有風扇使滲碳及溫度均勻化。 在變成爐變成的滲碳性氣體,以對應於處理目的的氣體組成或露點的氣體導入處理爐。 此氣體參與鋼的滲碳,會副生CO2,減低滲碳性,為了從鋼材表面除去CO2,有必要以某速度以上使滲碳性氣體流動,調節氣體流量,使爐內氣體每1小時置換5,10次,又為了防止爐外的氧化性氣體混入,爐內壓力要保持稍高於1氣體。 取出、裝入處理品之際,要實施火陷簾,防止空氣混入,免得爆炸。 滲碳終了後進行淬火,不過滲碳溫度當作淬火溫度時太高的話,可降低氣體的碳位,降低爐溫,成為淬火適溫後淬冷。 淬火用油若不適當,則即使在爐內為光輝狀態,淬入油中時也會氧化著色,達不到光輝處理的目的;淬火油阻害光輝性的因子有油的氧化、殘留碳、硫量等油的性狀或直接與組成有關者,或微量的水分及空氣混入的活,也會降低光輝度。 氣體滲碳後降低溫度至800?以後直接淬火於水或油中,此時若使用麻淬火之處理則可減少淬火變形,又氣體滲碳後之組織,其表皮含碳濃度與芯部含碳量之間有顯著之差異,所以滲碳後須施以擴散退火:900,950?:,此後在800?淬火之,淬火後必須在150,180?施以低溫回火。 滲碳後之熱處理一般依滲碳溫度而分為二種: c3上方時,滲碳後中心部份之組織變成微細,表皮則:1: 滲碳溫度在鋼件原含碳量之A 為粗大,此時熱處理只須將表皮之粗大晶粒處理成微細晶粒即可,故將滲碳後之鋼件,加熱至A1稍上方:780?附近:淬火即可。 :2: 若滲碳溫度在Ac3上方甚高溫度處,則中心部晶粒亦成為粗大,此時須經二次熱處理。 第1次淬火之目的在於使未被滲碳之心部組織微細化,即加熱至Ac3上起沃斯田鐵變態,而結晶粒剛微細化時淬火之,故溫度較高。同時在此溫度下,滲碳層之高碳部份的網狀雪明碳鐵可固熔於沃斯田鐵,所以淬火後不再有網狀雪明碳鐵存在。 但是此淬火溫度,作為滲碳層之淬火溫度未免過高,必須再一次在較低之溫度作第二次淬火。此溫度對於滲碳層而言,相當於A1與Acm之間約760?附近,故經第二次淬火之鏟,滲碳表面層為麻田散鐵,基地中有許多球狀碳化物存在,故耐磨性高。 回火係去除淬火時發生之殘留應力,且將一部份之殘留沃斯田鐵變為麻田散鐵。溫度過高則硬度會降低,普通以150,200?為最適宜。 若須較高之硬度時,則宜在100,170?回火,若須韌性時,則宜在400?以上,Ac1以下回火之,則得回火糙斑鐵組織。 ________________________________________ 五、氣體滲碳氮化法: 氣體滲碳氮化時,滲碳和滲氮作用同時行。氣體滲碳用的氣體滲碳用的氣體用來產生滲碳作用,而N H3氣體用產生滲氮作用。氣體滲碳氮化溫度為704,900?,其處理時間比氣體滲碳法短,得較薄的硬化層,所得滲碳氮化結果類似於液體滲碳氮化所得者。 處理層的硬化能,比由滲碳所得的滲碳層好,所以把滲碳氮化和淬火適當配合時,碳鋼或低合金鋼也可以得到十分安定的高硬度硬化層。由此法所得的硬化層深度為0.07,0.75?。 淬火時可採用油淬火,有時可實施氣體淬火來防止淬火變形而仍能得到高的表面硬度。 滲碳氮化所使用的鋼由以低碳構造用鋼和低合金構造用鋼為主,其主要目的是改善耐磨性。假如同時要滿足耐荷重性和耐磨性,首先滲碳1.5,1.8?,其次實施滲碳氮化,然後加以油淬火。 氣體滲碳氮化層因為含有N,其回火軟化抵抗性大,所以回火溫度要比氣體滲碳淬火者高。通常回火於190,210?時,表面硬度為HRC58以上。