渗碳处理技术

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 氰酸盐在高温分解生成 CO 或 N。
在变成炉变成的渗碳性气体，以对应于处理目的的气体组成或露点的气体导入处 理炉。
此气体参与钢的渗碳，会副生CO2，减低渗碳性，为了从钢材表面除去CO2，有必要 以某速度以上使渗碳性气体流动，调节气体流量，使炉内气体每 1 小时置换 5～10 次， 又为了防止炉外的氧化性气体混入，炉内压力要保持稍高于 1 气体。
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。
Байду номын сангаас
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。
与渗碳处理的零件安装于适当的夹具，预热到 200～500℃后浸入盐中，尽量防止 盐浴温度降低及热变形。
浴底堆积很多氧化物，处理品接触它时会变形，所以须预先调节夹具，使处理品 与浴底之间有充分的余裕。
如前所述，NaCN 会随熔融时间而劣化，渗碳能降低，所以作业中要定期分析 CN， CN 不够时，添加指定的补给剂，保持渗碳能在前面所述的钢箔试验可简易试出渗碳能， 因 NaCN 有吸湿性，若将含有水分的补给剂投入加热浴中，则会溅散，须利用炉的隔热 壁干燥。
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。
气体渗碳后降低温度至 800℃以后直接淬火于水或油中，此时若使用麻淬火之处理 则可减少淬火变形，又气体渗碳后之组织，其表皮含碳浓度与芯部含碳量之间有显著 之差异，所以渗碳后须施以扩散退火（900～950℃），此后在 800℃淬火之，淬火后必 须在 150～180℃施以低温回火。
渗碳后之热处理一般依渗碳温度而分为二种：
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。
（1） 渗碳温度在钢件原含碳量之Ac3上方时，渗碳后中心部份之组织变成微细，表皮 则为粗大，此时热处理只须将表皮之粗大晶粒处理成微细晶粒即可，故将渗碳 后之钢件，加热至A1稍上方（780℃附近）淬火即可。
（2） 若渗碳温度在Ac3上方甚高温度处，则中心部晶粒亦成为粗大，此时须经二次热 处理。
第 1 次淬火之目的在于使未被渗碳之心部组织微细化，即加热至Ac3上起沃斯田铁 变态，而结晶粒刚微细化时淬火之，故温度较高。同时在此温度下，渗碳层之高碳部 份的网状雪明碳铁可固熔于沃斯田铁，所以淬火后不再有网状雪明碳铁存在。
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。
变成气体方式之方法是将碳化气体（C4H10，C3H8，CH4等）和空气相混合后送入变成 炉（Gas generator），在炉内 1000～1100℃之高温下，使碳化氢和空气反应而生成所 谓变成气体（Converted Gas），由变成炉所生成的气体有各种称呼，本文方便上叫做 变成气体。变成气体以CO、H2、N2，为主成份，内含微量CO2、H2O、CH4，然后将此气体 送进无外气泄入的加热炉内施行渗碳。渗碳时，因所需的渗碳浓度不同，在变成气体 内添加适当量的C4H10、C3H8、CH4等以便调渗碳浓度。
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。
气体渗碳有关的反应如下所示：
2CO =〔C〕+ CO2
（1）
CO + H2 =〔C〕+ H2O
（2）
CH4 =〔C〕+ 2 H2
（3）
C2H6 =〔C〕+ CH4 + H2
（4）
C3H8 =〔C〕+ C2H6 + H2
（5）
此处析出的碳为活性碳〔C〕，此碳渗入钢中扩散而渗碳。
高级碳化氢以式（4）、（5）的反应依序分解，成为低级碳化氢，最后成为CH4， 进行式（3）的分解，式（4）、（5）的分解速度比式（3）快。
（5） （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 挥散量也少，但是容器的上部与下部渗碳力不同，所以要注意盐浴搅拌。
（2）
4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N 在较低温时反应如下：
（3）
5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N 生成的 CO 及 N 与 Fe 反应而进行渗碳及氮化。
（4）
Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 Fe + N = { Fe - C }
这些反应还会引起下示的副反应
H2 + CO2 = CO + H2O CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 CH4 + H2O = CO + 3 H2 以上为气体渗碳的基本反应。
（6） （7） （8）
进行气体渗碳时，需要前述的气体变成炉、处理炉及其它附属设备，都属于气密 式炉体，炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。
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） （2） （3）
固体渗碳法：以木炭为主剂的渗碳法。 液体渗碳法：以氰化钠（NaCN）为主剂之渗碳法。 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。
。
法 体渗碳后冷却至
高合金钢）
温，在 650℃作中 退火，再加热至
同
上
800℃后水冷。
液体渗碳后淬火于
00～600℃之热浴
C
法 o次rc淬之火调法质硬Ca化se，。然0再0后～加再6热0次0至℃淬9之0火0热℃于浴，
最后再次加热至
0℃后水淬火之。
四、气体渗碳法：
气体渗碳，由于适合大量生产化，作业可以简化，质量管理容易算特点，目前最 普遍被采用。此法有变成气体（或称发生气体）及滴注式之两种。
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。
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。
渗碳处理技术
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。
渗碳终了后可直接淬火，不过渗碳温度高时，可先浸入保持淬火温度的中性盐浴 中，然后淬火。表 6-1 为各种淬火方法之比较。
回火系去除淬火时发生之残留应力。且将之部分之残留沃斯田铁变为麻田散铁。 温度过高则硬度会降低，一般以 150～200℃为最适宜。
表 6-1 液体渗碳后之淬火法
旧
方
法
新
方
法
体渗碳后淬火于 体渗碳后冷却至 0～600℃之浴 法 温，然后再加热至 ，然后速即加热 0℃淬火于水中。 800℃淬火于水
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。
取出、装入处理品之际，要实施火陷帘，防止空气混入，免得爆炸。
渗碳终了后进行淬火，不过渗碳温度当作淬火温度时太高的话，可降低气体的碳 位，降低炉温，成为淬火适温后淬冷。
淬火用油若不适当，则即使在炉内为光辉状态，淬入油中时也会氧化着色，达不 到光辉处理的目的；淬火油阻害光辉性的因子有油的氧化、残留碳、硫量等油的性状 或直接与组成有关者，或微量的水分及空气混入的活，也会降低光辉度。
但是此淬火温度，作为渗碳层之淬火温度未免过高，必须再一次在较低之温度作 第二次淬火。此温度对于渗碳层而言，相当于A1与Acm之间约 760℃附近，故经第二次 淬火之铲，渗碳表面层为麻田散铁，基地中有许多球状碳化物存在，故耐磨性高。
回火系去除淬火时发生之残留应力，且将一部份之残留沃斯田铁变为麻田散铁。 温度过高则硬度会降低，普通以 150～200℃为最适宜。