传输原理—渗碳

渗碳过程碳浓度分布研究

一、目的

通过编程分别对离子渗碳和气体渗碳过程的碳浓度分布进行数值模拟。

主要研究：（1）温度对渗碳过程碳浓度分布的影响；

（2）渗碳时间对渗碳过程碳浓度分布的影响；

（3）气体渗碳过程中界面传递系数β对碳浓度分布的影响；

（4）两种渗碳条件下，碳浓度分布差别。

二、物理描述

假定：（1）一维表面扩散；（2）各向同性，工件内温度均匀一致。

以20#钢为例，初始碳浓度为c0（=0.20%），在温度T（=900℃即1173k）的条件下进行恒温渗碳，碳势（cp=1.30%），其中扩散系数D与碳浓度c无关。

（一）离子渗碳

特点：界面反应快，表面碳浓度快速（瞬时）与气氛平衡。

（二）气体渗碳

特点：表面碳浓度随时间延长而增加。渗碳剂（煤油+甲醇）在渗碳温度下通入裂解出活性碳原子[C]，渗入钢表面层。

三、数学模型的建立

（一）离子渗碳

方程：

初始条件：

边界条件：

其中D与c无关，

可解得：

（二）气体渗碳

方程：

初始条件：

边界条件：，β

其中D与c无关，，β为界面传递系数β。

可解得：

四、程序编写

1、编写软件：Matlab。

2、用户输入：初始碳浓度c0（%），平衡时的碳势cp（%），渗碳材料的厚度l（mm），观测

时间t(s)，渗碳温度T（℃）。

3、选择操作：按离子渗碳画图按钮，在输入的条件下，画出离子渗碳的碳浓度分布图。选

择气体渗碳的渗碳剂组合方式，可画出使用不同渗碳剂所得到的不同碳浓度分布曲线。

按两种对比的按钮，可得到不同渗碳方式的碳浓度分布曲线的对比（此处只考虑“煤油+甲醇”的渗碳剂与粒子渗碳下的碳浓度分布区别）。

4、此数值模拟仅画出了钢的碳浓度分布情况。

5、已知（1）（cm2/s）

（2）β (cm/s)

对于20#钢考虑一下三种情况：

煤油+甲醇：β；Q=120830；

吸热式气氛+丙烷：β；Q=97382 ；

煤油+甲醇+RE（稀土）：β；Q=101166；

五、程序运行截图及分析

以如下参数运行：c0=0.20，cp=1.30，l=0.1

1、观察离子渗碳过程的碳浓度分布

以T=1173℃，t=1s,运行程序。

修改观测时间t（=10,30,50s），渗碳温度T=1173k(900℃)不变，运行结果如下图，变化最陡峭的为t=1s时的碳浓度分布，c随x增大而下降，曲线下降越缓慢（即碳浓度分布曲线在上方且较平缓），渗碳程度越大，对应的时间t越大。

T不变，改变时间t

在一定的观测时间t=30s时，改变渗碳温度T(=800，850，900，950℃)运行结果如下图，随温度升高，渗碳程度增大，即曲线趋于平缓且在上方。

t不变，改变温度T

2、观察气体渗碳过程碳浓度分布情况

（1）观察在以煤油+甲醇作为渗碳剂时，气体渗碳过程中碳浓度分布随时间和温度的变化情况。

碳浓度分布随时间变化情况，在渗碳过程前期，即t较小的情况下，分别取

t=1,10,50,100s，运行程序。可以观察到表面（x=0）处的碳浓度c在不断增大，但在此时间范围内表面碳浓度都未达到碳势cp=1.3%。表现出气体渗碳的特点：表面碳浓度随时间延长而增加。时间较大的曲线在上方，说明随时间增加渗碳程度增大。

在渗碳过程后期，即t取值较大的情况下，分别取t=100,1000,10000,100000s,运行程序。仍可观察到表面（x=0）碳浓度c不断增大，当t很大时达到cp=1.3%，曲线趋近于水平，随时间增加，表面碳浓度不断提高，渗碳程度增大。

渗碳前期，t较小

渗碳后期，t较大

气体渗碳过程碳浓度分布随温度变化情况。在t=100s,厚度为0.1mm的情况下改变温度T(=900,1000,1100，1200，1300k)运行程序。

图中，温度较高对应的曲线在上方，温度升高，表面碳浓度c(x=0)增大，且同一时间的渗碳程度较大。

在温度较高时（T=1000，1200，1500，1800k）时，运行程序。

由上图可知温度增大到一定程度时，碳浓度分布曲线趋近于水平直线且材料表面碳浓度接近于碳势cp=1.30%。

（2）观察使用不同渗碳剂时，气体渗碳过程中碳浓度分布情况。

调试程序，为使此处曲线差距较大易于观察，在厚度l=0.01mm，时间t=100s，温度T=900k 条件下运行程序。

由图可知，在此条件下（煤油+甲醇+RE）渗碳剂，渗碳效果最好；（煤油+甲醇）其次，（吸热式气氛+丙烷）渗碳效果较差。加入稀土元素的渗碳剂使得表面碳浓度增大速度快，提高渗碳效果。

3、两种渗碳方式对比，其中气体渗碳方式只观察以煤油+甲醇作为渗碳剂的情况。运行程

序结果如下图，其中蓝色的曲线表示离子渗碳，绿色曲线表示气体渗碳。由运行结果可知，离子渗碳的渗碳效果较好，渗碳前期表面与芯部有较大的碳浓度差，气体渗碳材料表面碳浓度增长慢，渗碳速度较慢，表面与芯部的碳浓度差比离子渗碳小。

六、实验结论

1、离子渗碳

在一定温度下，随时间增大，渗碳程度增大。在一定时间时，温度升高渗碳程度增大。

2、气体渗碳

（1）同种渗碳剂。时间增大，材料表面碳浓度增大，表现出气体渗碳特点：表面碳浓度随时间延长而增加。当t增大到一定程度时，材料表面碳浓度接近cp，曲线趋近于水平。在一定时间下，温度升高，表面碳浓度增大，且渗碳程度较大。温度增大到一定程度时，

在温度较高时（T=1000，1200，1500，1800k）时，运行程序。碳浓度分布曲线趋近于水平直线且材料表面碳浓度接近于碳势cp。

（2）不同渗碳剂。煤油+甲醇+RE渗碳剂渗碳效果最好，煤油+甲醇其次，吸热式气氛+丙烷渗碳效果较差。加入稀土元素的渗碳剂使得表面碳浓度增大速度快，提高渗碳效果。

β (cm/s)

因为不同渗碳剂对应的β和Q，通过计算可知在同样温度下，以T=1000K为例，煤油+甲醇

对应的β1=cm/s，吸热式气氛+丙烷对应的β2=cm/s，煤油+甲醇+RE对应的β3=cm/s，可知界面传递系数β3>β1>β2，β大的情况下表面碳浓度增大的快，使得同一时间，同一温度渗碳程度较高。

3、两种渗碳方式对比。

离子渗碳的渗碳效果较好，渗碳前期表面与芯部有较大的碳浓度差，气体渗碳材料表面碳浓度增长慢，渗碳速度较慢，表面与芯部的碳浓度差比离子渗碳小。

七、扩展讨论

观察使用不同渗碳剂气体渗碳过程中碳浓度分布情况时，发现在固定材料厚度，在同一时间下，改变温度，加入稀土的效果逐渐减弱，吸热式气氛+丙烷作为渗碳剂渗碳程度落后增大，即煤油+甲醇和煤油+甲醇+RE的曲线随温度升高逐渐接近，仍高于吸热式气氛+丙烷对应的曲线。运行程序：当T=1200K时，加入稀土仍对气体渗碳有促进作用，T=1300K时，是否加入稀土的两条曲线几乎重合，可知稀土对气体渗碳几乎无影响了，当T=1500K时则可明显观察到加入稀土反而减弱了渗碳过程。产生这样现象的原因是温度影响了界面传递系数β，温度升高，β增大，但β3的增大速度小于β1的增大速度。