渗碳工艺培训

渗碳工艺

讲师：时间：主要内容渗碳的目的和应用范围31渗碳的基本过程2渗碳方法3渗碳层成分、组织和厚度4渗碳后的热处理5相关字母定义6一、渗碳的目的和应用范围定义渗碳：将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的热处理工艺。碳势：纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时的表面含碳量。

主要目的：是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时保持心部具有一定强度和良好的塑性与韧性。

应用范围：在机器制造业中，有许多重要零件，如汽车变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等。可以渗碳的钢一般是碳的质量分数为0.1%-0.25%的低碳钢或低碳合金钢如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。经渗碳的机车从动齿轮渗碳属于化学热处理的一种常用的化学热处理：渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。以气体渗碳为例：于沃斯田铁化溫度下，由一氧化碳(CO)或甲烷(CH4)气体分解得到的碳(C)，渗入钢铁(Fe)表面，经过一段时间逐渐扩散向内层。反应式如下：2CO+γFe→Fe【C】（活性碳）+CO2或CH4+γFe→Fe【C】（活性碳）

+2H2

渗碳过程中，若二氧化碳(CO2)或氢(H2)浓度过高，則反应向左(←)，变成脱碳，欲继续渗碳，则要增加CO或CH4的浓度。⑴介质(渗剂)的分解:

分解的同时释放出活性原子。⑵工件表面的吸收:

碳原子与钢中某些元素形成化合物。⑶碳原子向内部扩散。

氮化扩散层二、渗碳的基本过程气体渗碳法示意图根据渗碳剂的不同，渗碳方法可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。⑴气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。气体渗碳，由于适合大量生产化，作业可以简化，品质管制容易算特点，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。

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（Gasgenerator），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（ConvertedGas），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。渗碳剂：气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。三、渗碳方法渗碳反应式

气体渗碳有关的反应如下所示：2CO=〔C〕+CO2

（1）CO+H2=〔C〕+H2O（2）CH4=〔C〕+2H2

（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。

这些反应还会引起下示的副反应H2+CO2=CO+H2O（6）CH4+CO2=2CO+2H2

（7）CH4+H2O=CO+3H2

（8）

以上为气体渗碳的基本反应。前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。2CO+γFe→Fe【C】（活性碳）+CO2或CH4+γFe→Fe【C】（活性碳）

+2H2优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制⑵固体渗碳法

固体渗碳是将工件置于填满木炭(90%左右)和促进剂(BaCO3、CaCO3或Na2CO3等)(10%左右)的固体渗碳箱内进行的渗碳方法

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，不适於连续处理大量工件，作业环境不良，已有衰退倾向，不过炉及其他设备也较简单，多种少量的处理也较方便，不至於完全绝迹。

渗碳剂：木炭为主，另一部分为促进剂（碳酸钡BaCO3:碳酸钠Na2CO3约4：1)图1固体渗碳箱

1—渗碳剂2—工件3—箱体4～6mm

铁板4—泥封5—试棒ϕ10mm

6—盖：铁板厚6～8mm渗碳反应式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=2CO（2）CO在钢表面分解，析出碳〔C〕。2CO=〔C〕+CO2

（3）

〔C〕异於普通的碳，此种在钢表面分解的原子状碳（atomicCarbon）即称为活性碳或初生态碳（nascentCarbon）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〕，此反应连续反覆进行，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+2CO={Fe-C}+CO2

（4）优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差⑶液体渗碳法

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。渗碳剂：氰化钠（NaCN）为主，一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠（Na2CO3）、氯化钡（BaCl2）、氯化钠（NaCl2）等图2井式气体渗碳炉

1—风扇电动机2—废气火焰3—炉盖4—砂封5—电阻丝6—耐热罐7—工件8—炉体渗碳反应式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。2NaCN+O2=2NaCNO（1）NaCN+CO2=NaCNO+CO（2）氰酸盐在高温分解生成CO或N。4NaCNO=2NaCNO+Na2CO3+CO+2N（3）在较低温时反应如下：5NaCNO=3NaCNO+Na2CO3+CO2+2N（4）生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。Fe+2CO={Fe-C}+CO2（5）Fe+N={Fe-C}（6）

优点：液体渗碳技术渗层性能优良，工艺简单，采用无毒低氰渗剂容易操作，且对人体危害小，可以广泛的得到推广与应用渗碳视频欣赏以气体渗碳为例：气体渗碳工艺流程_标清.flv渗碳温度：900-950℃渗碳层厚度（由表面到过渡层一半处的厚度）：

低碳钢渗碳缓冷后的组织渗碳层表面含碳量：以0.85%-1.05%为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P（珠光体）+网状Fe3CⅡ（二次渗碳体）;心部为F（铁素体）+P（珠光体）;中间为过渡区。四、渗碳层成分、组织和厚度淬火+低温回火,

回火温度为160-180℃。淬火方法有：⑴预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。渗碳后的热处理示意图五、渗碳后的热处理⑵一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。⑶二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。

渗碳后的热处理示意图常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透时）渗碳淬火后的表层组织M+FF——铁素体（相），铁原子呈体心立方排列（通常晶格间隙会固溶部分碳原子），在金相中通常呈白色。P——珠光体（组织），铁素体和渗碳体的混合组织，通常两者呈片层交替分布，在金相中通常呈黑色。M——马氏体B——贝氏体Ac1：

加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度。Ar1冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度。Ac3加热时2铁素体全部转变为奥氏体的终了温度。Ar3冷却