表面工程技术(渗碳)

表面工程技术—渗碳表面硬化处理法

表面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能.

渗碳处理的作用是:提高表面层的耐磨性(碳含量高的M),同时保持心部有高的耐冲击能力,即强韧性.

表面渗碳一般情况下用于低碳钢的处理，处理后零件表面的硬度高耐磨性好。

但这只是先前的工艺性能，现在国外，特别是德国，美国等重工业强国，现已发展到可以将高碳钢，合金钢等

材料进行表面渗碳和真空热处理，处理后，材料内部的组织性能基本不变，外部的硬度和耐磨性也得到了极大的提高。

如Cr12表面渗碳处理后表面硬度可达HRC68-70度，此硬度大大高于Cr12正常的热处理温度！！！目前该技术在国外得到了极力的推广！在国内昆山等某些制造业发达的地区，也处于曼延的势头，相信不久的将来，国内对钢材表面的处理技术将会有一个极大的提高。

渗碳硬化乃表面硬化法之一种，属于化学表面硬化法。渗碳者先于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于渗碳容器内，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，使初生态之碳埂于扩散，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）不适于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，表面附着盐类不易洗净，易生锈。

（e）难以防止渗碳。有喷溅危险。

（3）气体渗碳法

长处：

（a）适于大量生产。

（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，不适于连续处理大量工件，作业环境不良，已有衰退倾向，不过炉及其它设备也较简单，多种少量的处理也较方便，不至于完全绝迹。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〕异于普通的碳，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〕，此反应连续反复进行，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）排列于渗碳箱中，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，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。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。

三、液体渗碳法：

液体渗碳法为将工作件浸渍于盐浴中行渗碳之方法。因盐浴之淬火性良好，因此可减少工作件之变形，并可使处理件加热均匀。升温迅速，操作简便，便于多种少量的生产。尤其在同一炉，可同时处理不同渗碳深度的处理件。

液体渗碳是以氰化钠（NaCN）为主成分，所以同时能渗碳亦能氰化，所以亦称为渗碳氮化（Carbonitriding），有时亦称为氰化法（Cyaniding）。处理温度约以700℃界，此温度以下以氮化为主，渗碳为辅，700℃以上则渗碳为主，氮化为辅，氮化之影响极低。一般工业上使用时，系以渗碳作用为主。

液体渗碳法虽硬化层薄，但渗碳时间短，故内部应力较少，同时因C、N同时惨入，所以耐磨性佳。

液体渗碳反应是利用氰化物（NaCN）分解，先在浴面与空气中的氧、水分、二氧化碳反应变成氰酸盐。

2 NaCN + O2 = 2 NaCNO (1)

NaCN + CO2 = NaCNO + CO (2)

氰酸盐在高温分解生成CO或N。

4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N (3)

在较低温时反应如下：

5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N (4)

生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。

Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (5)

Fe + N = { Fe - C } (6)

一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠（Na2 CO3）、氯化钡（Ba Cl2）、氯化钠（Na Cl2）等，比起NaCN单盐，表面碳浓度低，扩散层增加，900℃时的碳浓度最高，这是由于钡盐的促进作用大，而且熔点变高，浴的粘性也增加，影响渗碳作用。

渗碳盐浴的容器通常使用软铁、镍铬钢、耐热钢，不过，氧化侵蚀很激烈，施行渗铝防锈法可延长寿命；容器形状宜是内容积大、表面积小、接触空气的面少，蒸发