渗碳工学设计.doc

渗碳处理技术 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：（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。 （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 （1）固体渗碳法长处： （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。 （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。 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。 （2）液体渗碳法 长处： （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： （a）不适於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，表面附著盐类不易洗净，易生锈。 （e）难以防止渗碳。有喷溅危险。 （3）气体渗碳法长处： （a）适於大量生产。 （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： （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： 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）。 C + O2 = CO2 （1） 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〕，此反应连续反覆进行，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 （4） 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（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。 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