渗碳处理技术详解

滲碳處理技術

滲碳硬化乃表面硬化法之一種，屬於化學表面硬化法。滲碳者先於鋼之表面產生初生態之碳，而後使之滲入鋼之表面層，逐漸擴散入內部。初生態之碳乃由CO或CH4等氣體分解而得。CO之來源或由含有CO之氣體得之，或由固體滲碳劑之反應而產生於滲碳容器內，或者由含有氰化物之鹽浴得之。初生態之碳由鋼之表面擴散入內部時，鋼之溫度須增高至沃斯田鐵化溫層範圍內，使初生態之碳埂於擴散，蓋沃斯田鐵可溶解較多之〞C〞而肥粒鐵則溶解力極小，故滲碳溫度必須在Ac3要以上之溫度。以便滲碳作用得以進行。再配合各種熱處理法，使得鋼之去面生成高碳硬化心部低碳之低硬度層。使處理供具有表面硬而耐磨，心部韌而耐衝擊之性質。

一、滲碳處理之種類與特點：

（一）滲碳法之種類

滲碳法按使用之滲碳劑而可分為如下三大類：

（1）固體滲碳法：以木炭為主劑的滲碳法。

（2）液體滲碳法：以氰化鈉（NaCN）為主劑之滲碳法。

（3）氣體滲碳法：以天然氣、丙烷、丁烷等氣體為主劑的滲碳法。（二）滲碳法之比較

（1）固體滲碳法

長處：

（a）設備費便宜，操作簡單，不需高度技術。

（b）加熱用熱源，可用電氣、瓦斯、燃料油。

（c）大小工件均適，尤其對大形或需原滲碳層者有利。

（d）適合多種少量生產。

短處：

（a）滲碳深度及表面碳濃度不易正確調節，有過剩滲碳的傾向。處理件變形大。

（b）滲碳終了時，不易直接淬火，需再加熱。

（c）作業環境不良，作業人員多。

（2）液體滲碳法

長處：

（a）適中小量生產。設備費便宜。不需高度技術。

（b）容易均熱、急速加熱，可直接淬火。

（c）適小件、薄滲碳層處理件。

（d）滲碳均勻，表面光輝狀態。

短處：

（a）不適於大形處理件的深滲碳。

（b）鹽浴組成易變動，管理上麻煩。

（c）有毒、排氣或公害問題應有對策。

（d）處理後，表面附著鹽類不易洗淨，易生鏽。

（e）難以防止滲碳。有噴濺危險。

（3）氣體滲碳法

長處：

（a）適於大量生產。

（b）表面碳濃度可以調節。

（c）瓦斯流量、溫度、時間容易自動化，容易管理。

短處：

（a）設備費昂貴。

（b）處理量少時成本高。

（c）需要專門作業知識。

二、固體滲碳法：

將表面滲碳鋼作成的工件，連同滲碳劑裝入滲碳箱而密閉，裝入加熱爐，加熱成

沃斯田鐵狀態，使碳從鋼表面侵入而擴散，處理一定時間

後，連同滲碳箱冷卻，只取出滲碳處理工件，進行一次淬

火、二次淬火、施行回火。

此固體滲碳在滲碳法中歷史最老，不適於連續處理大量工件，作業環境不良，已

有衰退傾向，不過爐及其他設備也較簡單，多種少量的處

理也較方便，不至於完全絕跡。

固體滲碳的滲碳機構以氣體滲碳為基礎，亦即箱內的固體滲碳劑與箱內空氣中的

氧反應，成為二氧化碳（CO2），CO2再與碳反應，生成一

氧化碳（CO）。

C + O2 = CO2（1）

C + CO2 = 2 CO （2）

CO在鋼表面分解，析出碳〔C〕。

2 CO =〔C〕+ CO2 （3）

〔C〕異於普通的碳，此種在鋼表面分解的原子狀碳（atomic Carbon）即稱為活性碳或初生態碳（nascent Carbon）的活性強的碳，本講義表成〔C〕；另一方面，鋼材表面副生的CO2再在固體滲碳劑表面依（2）式生成CO，依（3）式分解而析出〔C〕，此反應連續反覆進行，碳從鋼材表面侵入擴散，而滲碳。

前述反應與鐵（Fe）組合成滲碳反應。

Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 （4）

滲碳用之碳素，如以滲碳性之強度順序列之，可排如木炭、焦炭、石墨、骨炭。通常使用木炭為主劑，再添加若干滲碳促進劑。一般以鹼金屬的碳酸鹽為促

進劑，碳酸鹽中的碳酸鋰（LiCO3）、碳酸鍶（Sr CO3）、碳酸鉀（K CO3）、的促進能大，但昂貴，工業上採用碳酸鋇（Ba CO3）、碳酸鈉（Na2 CO3）為多。雖促進能不如，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為滲碳劑。

固體滲碳處理程序下：

先將處理工件去鏽，脫脂以適當的間隔（20～25㎜以上）排列於滲碳箱中，周圍填圍滲碳劑，加蓋以粘土封密裝入如圖五之電氣爐，坑式爐也可用。加熱保持一定時間。

在爐中經過所定後，在爐內徐冷或者由爐中拖出空冷，後進行熱處理。

滲碳鋼的表面為高碳鋼，心部為低碳鋼，有必要施行適用各部份的硬化處理，一般籍一次淬火將心部組織微細化，其次藉二次淬火將滲碳層硬化，最後藉回火使硬化層的組織安定化。

但依鋼材的種類及使用目的而有適當的熱處理，鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等的結晶粒粗大化少，未必要一次淬火，滲碳後實施球狀化退火者已達一次淬火的目的，亦無此必要；一次淬火的淬火溫度高，變形大，容易脆裂，要盡量避免；滲碳層淺的小工件通常省略一次淬火。

二次淬火後，施行回火，消除應力，賦予韌性、分解殘留沃斯田鐵，防止時效變形，要求高硬度者在150℃以下長時回火，忌諱時效變形者，可在稍高的180～200℃回火。

三、液體滲碳法：

液體滲碳法為將工作件浸漬於鹽浴中行滲碳之方法。因鹽浴之淬火性良好，因此可減少工作件之變形，並可使處理件加熱均勻。升溫迅速，操作簡便，便於多種少量的生產。尤其在同一爐，可同時處理不同滲碳深度的處理件。

液體滲碳是以氰化鈉（NaCN）為主成分，所以同時能滲碳亦能氰化，所以亦稱為滲碳氮化（Carbonitriding），有時亦稱為氰化法（Cyaniding）。處理溫度約以700℃界，此溫度以下以氮化為主，滲碳為輔，700℃以上則滲碳為主，氮化為輔，氮化之影響極低。一般工業上使用時，係以滲碳作用為主。

液體滲碳法雖硬化層薄，但滲碳時間短，故內部應力較少，同時因C、N同時慘入，所以耐磨性佳。

液體滲碳反應是利用氰化物（NaCN）分解，先在浴面與空氣中的氧、水分、二氧化碳反應變成氰酸鹽。

2 NaCN + O2 = 2 NaCNO （1）

NaCN + CO2 = NaCNO + CO （2）

氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。

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

在較低溫時反應如下：