BH渗碳,气氛碳的传递系数 β ,的测定,和研究

近年来，国外在快速（高效率）渗碳方面也取得进展，其中Leffevre等在实验室和工业条件下试验了无氮的50﹪CO/50﹪H2混合气中渗碳，结果表明:与N2/CH4或吸热式气氛渗碳相比，处理时间减少30～50﹪。这是目前查到的最快渗碳的报导，但仍在研究如何实现有效的碳势控制问题，属于正在开发之中的技术。Holm等[3]人克服了传统的推杆式连续渗碳中实施强渗/扩散工艺的困难，通过在扩散区添加水，并配置合适的喷射装置，相关软件和气氛控制系统等，取得增加15﹪生产率；若不需要增加生产率，客户证实降低渗碳温度15﹪的可能性。虽已测定了在扩散区添加水后，内氧化深度与普通渗碳相近，但人们仍存在有疑虑。
工艺阶段
测定时刻
温度
℃
甲醇
ml/min
丙酮
ml/min
碳势
C％
氨气
m3/h
氧势
mv
零件装炉
10:49
894
48
0
/
0
/
一次升温
10:56
729
48
0
/
0
/
一次均温
11:43
850
40
40
0.59
0.1
1097
二次升温
12:13
850
40
40
0.71
0
1108
二次均温
12:52
900
35
45
0.98
0
BH渗碳气氛碳的传递系数β的测定和研究
第一章
渗碳处理不但可以使零件提高耐磨性，还可以提高疲劳强度，特别是提高接触疲劳强度。因此，为提高承载能力和使用寿命，并减轻大锻件重量和体积许多大型齿轮、大型轴承、齿轮轴、 凸轮轴等都采用渗碳处理。众所周知，渗碳是由分解、吸收、扩散三个过程组成，三个过程是同时发生的，且存在着复杂的物理、化学反应，其变化周期是很长的。因此，如何在一定的渗碳温度下提高渗碳速度是各国热处理工作者们所特别关心的课题。[1]
根据目前已测定的不同气体组分，渗碳气体的碳传递系数β值有很大差别。具有最小β值是CO-CO2混合气的0.54×10-7(cm/s)；而50%CO-CO2和50%CH4-H2-H2O混合气具有最高的β值（310×10-7（cm/s））。可见，通过改变渗碳气体组分可以显著地提高碳传递系数β值，从而增大渗碳速度。许多快速渗碳研究者[3][4]通过设计合理的渗碳混合气，以提高β值，从而提高渗速达30～50%。并认为增大β值是快速（高效）渗碳的基础。
目前，在国内已有一汽底盘、二汽，洛阳、瓦房店轴承，法士特齿轮等百余家大、中型企业，采用BH技术后都明显地提高了产品质量，取得了显著的经济效益。
本技术已被列为我国热处理行业“十五”期间重点推广的热处理新技术和质量控制技术。近年来，也引起了国外同行专家的广泛关注，如：国际热处理及表面工程联合会（IFHTSE）主席Totten评价：“BHCarburizingAccelerating Technology is scientific breakthrough in the history of heat-treating development”。[2]
第二章
BH渗碳，即在渗碳或碳氮共渗介质中添加少量BH催渗剂，达到提高渗速20﹪以上，或在温度降低40℃左右，仍保持原工艺渗速的技术。[2]
2.1
主要实验在嘉恒热处理厂完成，部分实验在学校完成。由于实验需在不影响正常生产的情况下进行，所以实验有一定的局限性。
2.1
剥层试棒：材料为20CrMnTi，尺寸为Φ50×200mm，2个。
试样：中间试样2个，淬火试样2个，退火试样2个，材料均为20CrMnTi，尺寸为Φ13×40mm。
钢箔：原始碳含量为0.062%，尺寸为150×15×0.09mm，10个，用丙酮清洗干净。
加工零件：钢领圈，材料为20钢。
2.
1、试验设备
一汽嘉信MXL12型密封箱式多用炉。
金相试样切割机、金相式样砂轮机、金相试样镶嵌机、金相试样预磨机、金相试样抛光机，车床，回火炉，退火炉。
1133
强渗
13:23
900
35
45
1.13
0
1142
强渗
13:42
900
35
45
1.20
0
1147
强渗
15:38
900
34
42
1.23
0
1148
降温
16:22
900
35
20
1.17
0
1147
保温
16:52
860
35
0
0.96
0
1132
淬火
16:57
860
油温/℃
50
/
0
/
表2-4三组份红外分析仪测定结果（添加BH）
温度
℃
甲醇
ml/min
丙酮
ml/min
碳势
C％
氨气
m3/h
氧势
mv
零件装炉
22:01
857
40
0
/
0
/
一次升温
22.07
741
40
0
/
0
/
一次均温
22:53
851
40
40
0.49
0.1
1093
二次升温
23:23
850
40
40
0.58
0
1099
二次均温
23:57
900
35
45
0.99
0
1133
强渗
00:27
wk.baidu.com2.
2.3
该过程在嘉恒热处理厂的MXL12型密封箱式多用炉中进行。
实验一：未添加BH催渗剂渗碳
实验以前要做些准备工作：
(1)该实验以前要事先在炉顶安装两个没添加催渗剂的装甲醇和丙酮的容器；
(2)STH-3三组份红外分析仪通电预热；
(3)将加工好的剥层试棒除锈；
(4)多用炉升温；
(5)将各个试样悬挂在料盘中间零件上方靠近零件的位置。
可见，与国内外近年来的快速渗碳相比，本“BH催渗剂和催渗技术为国内外首创，该成果在使用效果和应用稳定性上居国际领先水平”。
1.2
碳传递系数β表示了介质向构件表面传递碳的速度。碳势Cp和碳传递系数β表征了渗碳介质的渗碳主要特性。
碳传递系数β是快速渗碳的基础之一，也是计算机模拟渗碳模型必须考虑的数据之一。目前只有少量文献简单介绍了β的测定方法和某些渗碳气氛的β值，但是其物理意义和具体实验计算中的细节未介绍。
2.
本实验为对比实验，渗碳介质采用甲醇-丙酮裂解气。一组在渗碳介质中未添加BH催渗剂，即传统渗碳；另一组在渗碳介质中添加BH催渗剂，实验保持两组的工艺及实验过程基本不变，以比较添加BH催渗剂对渗后金相组织，显微硬度分布，碳浓度分布梯度，碳的传递系数β，渗碳气氛等的影响。渗碳过程，钢箔的清洗及渗前渗后称重在嘉恒热处理厂完成，其余的处理实验在本学校完成。
第三章
3.1
3.1.1
“碳势定义”及“钢箔称重法”测量原理：[5]
碳势(Cp)的定义:表征含碳气氛在一定温度下改变钢件表面含碳量能力的参数。
碳势的测量方法有直接测量和间接测量两种，所谓直接测量就是用低碳钢箔在含碳气氛中的平衡碳量来表示，即钢箔称重法。具体测量方法如下:当炉气碳势稳定以后将用铁丝系着的钢箔从带水冷套的取样孔放入炉内,然后拧上螺盖。经过30～45min后取掉取样孔的螺盖,用石棉布堵住其口,将铁丝取出，把钢箔在水冷套中充分冷却2～3min后(防止氧化脱碳)取出,擦去钢箔表面的碳黑,然后用称重法确定其含碳量(C%),则此含碳量就为炉气的碳势(Cp)。用万分之一的天平称重即可准确地计算出炉气碳势值。其计算公式如下:
2.
我们选择一台比较好的车床，对剥层试棒进行剥层，设计共剥10层。去掉氧化皮后，开始剥层。前四层每层厚为0.05mm，后六层每层厚为0.1mm，并将每层的铁屑收集起来，装入不同的信封中，待分析用。因为要分析铁屑中的碳含量，所以铁屑要确保干净，无氧化，未沾油。
将4min，8min，40min的钢箔分别剪成2×2mm小碎片，与试棒剥层后的铁屑进行化学分析，分析其碳含量，以做出碳浓度梯度分布曲线。
900
35
45
1.00
0
1134
强渗
00:50
900
35
45
1.20
0
1142
强渗
02:56
900
35
40
1.20
0
1126
降温
03:27
900
35
25
1.19
0.16
1126
保温
03:50
860
35
20
0.99
0
1127
淬火
03:57
860
油温/℃
50
/
0
/
中间试样在零件进炉1小时后从试样孔放入炉中，在碳势到达设定值1.2%，40分钟后取出缓冷。其它试样均随炉进行。在碳势到达1.2%大约1小时后，开始分别对钢箔进行渗碳，时间依次为：4min，8min，12min，16min，40min。为了节省时间，可将两个时间相差较大的钢箔同时从试样孔放入，然后在到达各自的时间后一一取出。钢箔取出时要小心，尽量避免钢箔表面被氧化。然后对钢箔进行渗后称重，计算Cs值（碳含量）。同时在整个渗碳过程的各个主要阶段，用三组份红外分析仪测定气氛中CO、CO2、CH4的组成（体积百分含量），并作出记录，见表2-2。待零件出炉后，取一个钢领圈作为零件的试样，待分析。然后用推拉料小车将料盘推入清洗机清洗20分钟。
1.1
BH渗碳技术是通过在渗碳或碳氮共渗介质（如甲醇、丙酮、煤油、RX气体或天然气）中添加少量催渗剂，从而达到提高渗速20﹪以上；或降低工艺温度40℃以上，仍保持原工艺渗速不降低的技术。
BH技术可以减小工件热处理畸变；改善渗层显微组织及碳浓度（硬度）分布；工艺稳定，工件渗碳均匀性好；提高工件力学性能和可靠性。同时，还具有简单易行；适用性强，在连续炉、多用箱式炉、井式炉等都得到成功应用，适合于浅层（0.3～0.7mm）、中层（0.8～1.5mm）和厚层（2.0～6.0mm）的硬化层；及碳黑少，延长停炉烧碳黑周期等等优点。
表2-2三组份红外分析仪测定结果（未添加BH）
工艺阶段
测定时间
碳势
C％
CO
％
CH4
％
CO2
％
二次均温
23:59
0.99
34
＞10
0.86
强渗
00:53
1.20
33
＞10
0.7
强渗
01:14
1.20
33
＞10
0.7
强渗
02:29
1.20
33
＞10
0.76
强渗
02:36
1.20
32.5
10
0.5
强渗
02:55
此试验为多用炉升温后处理的第一炉零件，所以在零件装炉以前要校气氛，定气氛碳势，调整工艺系数，以使工艺能正常进行。气氛及温度都到达后，零件开始装炉，按照前面给的工艺进行渗碳，详细记录每个阶段的时间、温度、甲醇和丙酮流量、氧势、炉压等，见表2-1。
表2-1各个阶段参数详细记录（未添加BH）
工艺阶段
测定时刻
16:54
1.10
31
8.1
0.59
2.3
（1）将剥层试棒和退火试样进行退火。在780℃进行退火，保温2小时后，降温到720℃，再保温1小时后，关掉电源，随炉冷却。
（2）将试样（2个退火样，2个淬火样，2个中间样，2个钢领圈试样）用金相试样切割机切成小段，便于镶嵌；再用金相试样砂轮机把金相面磨平；然后在金相试样镶嵌机上镶试样，以防止磨试样时把试样边缘磨掉。
工艺阶段
测定时间
碳势
C％
CO
％
CH4
％
CO2
％
二次均温
13:07
1.07
33
＞10
0.58
强渗
13:50
1.20
32
＞10
0.53
强渗
14:28
1.20
32
＞10
0.43
强渗
15:07
1.20
31.5
9.2
0.48
强渗
16:10
1.19
31
7.2
0.43
强渗
16:13
1.18
30.5
6.8
0.30
保温
2、实验仪器
STH-3三组份红外分析仪、电子分析天平（万分之一）、镊子、脱脂棉、吹风机、水砂纸、显微硬度仪，数码显微镜，光学显微镜。
3、试剂
酒精、4%硝酸酒精、抛光粉、镶嵌粉、甲醇、丙酮、氨气、氮气等。
2.1
加工产品工艺流程：升温——渗碳——淬火——淋油——清洗
渗碳过程工艺曲线如图2-1：
图2-1渗碳工艺曲线
（3）在金相试样预磨机上磨试样，然后抛光，接着用4％的硝酸酒精腐蚀金相面，吹干后在显微镜下观察金相组织。
（4）在数码显微镜下对淬火样和钢领圈照相。淬火样取边界和心部的照片，钢领圈取工作面边界上的照片。然后用数码相机对两组各照一张钢领圈的宏观照片。
（5）将淬火样和钢领圈上的腐蚀层轻轻抛掉后，在显微硬度仪下测定显微硬度。淬火样选择500gf载荷，保持时间20秒；钢领圈选择100gf载荷，保持时间15秒。
1.3
本实验在密封箱式多用炉上对未添加和添加BH催渗剂的甲醇-丙酮裂解气氛进行了比较，初步探讨了测定碳传递系数β的具体实验方案和计算方法。
本文从碳的传递系数出发，重点初步探讨了碳传递系数β值的计算方法，研究了BH渗碳气氛的β值；同时简单地研究了BH渗碳的气氛特性及金相组织，显微硬度分布等，以更多的了解BH渗碳技术。
Cp(C%)= （3-1）
式中：W1——钢箔钢渗碳前的重量；
W2——钢箔渗碳后的重量；
a%——钢箔渗碳前的原始碳含量。
未添加BH催渗剂的钢箔渗碳前后质量，质量增量及表面碳含量的测定结果如表3-1所示，添加BH催渗剂的如表3-2所示。
1.20
33
10
0.72
保温
03:54
0.95
33
7
0.82
实验二：添加BH催渗剂渗碳
该过程仍采用甲醇-丙酮裂解气作为渗碳介质。基本过程与未添加BH催渗剂时一致，采用相同的工艺，相同的实验方法。各个阶段的详细记录和三组份红外分析仪测定的CO、CH4、CO2值如表2-3，2-4所示。
表2-3各个阶段参数详细记录（添加BH）