【传输原理】气体渗碳,离子渗碳剖析.docx

Harbin Institute of Technology传输原理论文·二课程名称：传输原理设计题目：气体渗碳、离子渗碳模拟院系：材料科学与工程班级：1219001班设计者：缪克松学号：1121900133哈尔滨工业大学摘要:渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性的一种金属表面处理方法。气体渗碳是目前应用最广泛的化学热处理工艺。随着机械工业向高精度、高效率和低能耗方向的发展,降低渗碳温度、缩短渗碳时间的要求日趋强烈。结合稀土元素在气体渗碳中的作用，都是为了获得高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。本文以离子渗碳和气体渗碳为例，讨论分析了不同因素如渗碳温度、渗碳时间及渗碳环境对20#钢表面碳浓度分布的影响并进行了数值模拟。关键词：离子渗碳气体渗碳碳浓度分布模拟设计题目气体渗碳过程和粒子渗碳过程模拟离子渗碳离子渗碳工艺不会像一般气体渗碳那样产生晶界氧化物和渗碳异常层，可确保渗碳质量。渗碳速度快,可大大缩短处理时间,降低能耗。可精确控制表面含碳和渗碳深度。可实现高浓度渗碳和对用一般渗碳法难以进行渗碳的材料进行渗碳。既可将两种气体混合在一起进行复合处理,也可以通过转换处理气体而实现复合硬化（如渗碳后氮化或氮化后渗碳）。数学模型基本假设：i.一维问题ii.表面扩散扩散方程：初始条件：边界条件：为了便于求解，假定扩散系数与浓度无关，仅是温度的函数，则温度不变情况下扩散方程改写如下：其中，解得离子渗碳20#钢表面碳浓度表达式如下：扩散系数与温度关系20#钢渗碳扩散系数公式如下：绘出其与温度的关系曲线如下：从该曲线可以看出，扩散系数需要一定的温度，在800℃以上上升幅度剧烈，可以通过温度控制扩散系数的大小。不同温度碳浓度分布从之前计算中取出不同温度下碳的扩散系数如下表：温度(℃)8609009501000碳扩散系数(cm2/s)7.18*10-81.183*10-72.108*10-73.589*10-7绘出860℃、900℃、950℃、1000℃这四个温度下离子渗碳保温10h后20#钢表面碳浓度的分布曲线：从该图中可以看出，相同温度下，渗入的深度越小，碳浓度越高，并且随着深度越深，碳浓度分布曲线越平缓；同一深度不同位置碳浓度随温度的升高而增大即温度越高，碳扩散系数越大，渗入同一深度的碳含量更多。不同时间碳浓度分布考察保温时间对碳浓度分布的影响，下面控制加热温度为1000℃时分别渗碳2h、6h、10h、14h这4个时间得到的钢表面碳浓度分布曲线：从图像中可以看出，同一加热深度，保温时间越长，渗入的碳含量越多，并且保温时间越长，碳浓度分布曲线越平缓。不同深度碳浓度变化为了研究相同渗碳条件下距渗碳表层不同深度位置的碳浓度变化，下图设计在1000℃加热温度下取距表层0.5mm、1mm、2mm、3mm这4个深度绘制碳浓度随时间的变化曲线：从该图可以看出，距离渗碳表层越近的位置碳浓度从零到有渗碳浓度需要的时间越短，并且碳浓度的增张越快，但所有深度的碳浓度增加的速度都是由大逐渐变小。渗碳深度与渗碳温度关系以碳浓度0.38%为界，低于此浓度区域为低浓度区，高于此浓度区域为高浓度区，而碳浓度等于0.38%的深度称为渗碳深度，以δ0.38表示。下面研究渗碳一定时间后其渗碳深度与温度的关系。令可得其中又得当保温时间12h时，渗碳深度随加热温度的变化曲线如下:从图中可以看出，离子需要一定的温度，在600℃前，渗碳深度都非常浅，在800℃后深度才迅速增加。渗碳深度与渗碳时间关系从式子可知在一定温度下，渗碳深度与渗碳时间呈抛物线关系设置860℃、900℃、950℃和1000℃时渗碳深度与渗碳时间的关系曲线从图中可以看出，在相同加热时间时温度越高，渗入碳层的深度越大，但是即使在1000℃高温下要想达到2mm的渗入深度也很困难，即如果想获得较深的渗入深度，仅仅在高温下加热足够时间是不合理的，还得提高碳的扩散系数。气体渗碳气体渗碳工艺气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。数学模型基本假设：i. 一维问题 ii. 表面扩散气体渗碳过程，碳原子扩散服从菲克第二定律，并且认为是一维平面的扩散问题，且各向同性、工件内部温度均匀一致，其扩散系数不随碳浓度的变化而变化，则渗碳过程的碳浓度分布满足下式：式中，是碳浓度（%）；t为渗碳时间（s）；x为试样内部任一点距试样表面的距离（m）；D为碳的扩散系数（），其中，，T为渗碳温度（K）。渗碳开始时，工件表面含碳量为其原始含碳量，随着时间延长，表面碳