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            上海熱處理廠的深層滲碳處理技術  2007/2/20 
             
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            滲碳硬化乃表面硬化法之一種,屬于化學表面硬化法。滲碳者先于鋼之表面產生初生態之碳,而后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于滲碳容器內,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范圍內,使初生態之碳埂于擴散,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,心部韌而耐沖擊之性質。

               

                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)不適于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)處理后,表面附著鹽類不易洗凈,易生銹。

                (e)難以防止滲碳。有噴濺危險。

                (3)氣體滲碳法

                長處:

                (a)適于大量生產。

                (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,處理一定時間后,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,不適于連續處理大量工件,作業環境不良,已有衰退傾向,不過爐及其它設備也較簡單,多種少量的處理也較方便,不至于完全絕跡。

                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〕異于普通的碳,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〕,此反應連續反復進行,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。一般以堿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,工業上采用碳酸鋇(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:

                先將處理工件去銹,脫脂以適當的間隔(20~25㎜以上)排列于滲碳箱中,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。

                在爐中經過所定后,在爐內徐冷或者由爐中拖出空冷,后進行熱處理。

                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,最后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,滲碳后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。

                二次淬火后,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于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,并可使處理件加熱均勻。升溫迅速,操作簡便,便于多種少量的生產。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,系以滲碳作用為主。

                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:

                5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N (4)

                生成的CO及N與Fe反應而進行滲碳及氮化。

                Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 (5)

                Fe + N = { Fe - C } (6)

                一般用的滲碳劑是在中添加碳酸鈉(Na2 CO3)、氯化鋇(Ba Cl2)、氯化鈉(Na Cl2)等,比起NaCN單鹽,表面碳濃度低,擴散層增加,900℃時的碳濃度最高,這是由于鋇鹽的促進作用大,而且熔點變高,浴的粘性也增加,影響滲碳作用。

                滲碳鹽浴的容器通常使用軟鐵、鎳鉻鋼、耐熱鋼,不過,氧化侵蝕很激烈,施行滲鋁防銹法可延長壽命;容器形狀宜是內容積大、表面積小、接觸空氣的面少,蒸發揮散量也少,但是容器的上部與下部滲碳力不同,所以要注意鹽浴攪拌。

                與滲碳處理的零件安裝于適當的夾具,預熱到200~500℃后浸入鹽中,盡量防止鹽浴溫度降低及熱變形。

                浴底堆積很多氧化物,處理品接觸它時會變形,所以須預先調節夾具,使處理品與浴底之間有充分的余裕。

                如前所述,NaCN會隨熔融時間而劣化,滲碳能降低,所以作業中要定期分析CN,CN不夠時,添加指定的補給劑,保持滲碳能在前面所述的鋼箔試驗可簡易試出滲碳能,因NaCN有吸濕性,若將含有水分的補給劑投入加熱浴中,則會濺散,須利用爐的隔熱壁干燥。

                滲碳終了后可直接淬火,不過滲碳溫度高時,可先浸入保持淬火溫度的中性鹽浴中,然后淬火。表6-1為各種淬火方法之比較。

                回火系去除淬火時發生之殘留應力。且將之部分之殘留沃斯田鐵變為麻田散鐵。溫度過高則硬度會降低,一般以150~200℃為最適宜!      

                表6-1 液體滲碳后之淬火法

                舊 方 法 新 方 法

                A 法 液體滲碳后冷卻至室溫,然后再加熱至800℃淬火于水中。 液體滲碳后淬火于500~600℃之浴中,然后速即加熱至800℃淬火于水中。

               

                B 法(高合金鋼)   液體滲碳后冷卻至室溫,在650℃作中間退火,再加熱至800℃后水冷。 同 上

                C 法 二次淬火法Case,Corc之調質硬化。 液體滲碳后淬火于500~600℃之熱浴中再加熱至900℃,然后再次淬火于500~600℃之熱浴中,最后再次加熱至800℃后水淬火之。

               

                四、氣體滲碳法:

                氣體滲碳,由于適合大量生產化,作業可以簡化,品質管制容易算特點,目前最普遍被采用。此法有變成氣體(或稱發生氣體)及滴注式之兩種。

                變成氣體方式之方法是將碳化氣體(C4H10,C3H8,CH4等)和空氣相混合后送入變成爐(Gas generator),在爐內1000~1100℃之高溫下,使碳化氫和空氣反應而生成所謂變成氣體(Converted Gas),由變成爐所生成的氣體有各種稱呼,本文方便上叫做變成氣體。變成氣體以CO、H2、N2,為主成份,內含微量CO2、H2O、CH4,然后將此氣體送進無外氣泄入的加熱爐內施行滲碳。滲碳時,因所需的滲碳濃度不同,在變成氣體內添加適當量的C4H10、C3H8、CH4等以便調滲碳濃度。

               

                氣體滲碳有關的反應如下所示:

                2CO =〔C〕+ CO2 (1)

                CO + H2 =〔C〕+ H2O (2)

                CH4 =〔C〕+ 2 H2 (3)

                C2H6 =〔C〕+ CH4 + H2 (4)

                C3H8 =〔C〕+ C2H6 + H2 (5)

                此處析出的碳為活性碳〔C〕,此碳滲入鋼中擴散而滲碳。

                高級碳化氫以式(4)、(5)的反應依序分解,成為低級碳化氫,最后成為CH4,進行式(3)的分解,式(4)、(5)的分解速度比式(3)快。

                這些反應還會引起下示的副反應

                H2 + CO2 = CO + H2O (6)

                CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 (7)

                CH4 + H2O = CO + 3 H2 (8)

                以上為氣體滲碳的基本反應。

               

                進行氣體滲碳時,需要前述的氣體變成爐、處理爐及其它附屬設備,都屬于氣密式爐體,爐內有風扇使滲碳及溫度均勻化。

                在變成爐變成的滲碳性氣體,以對應于處理目的的氣體組成或露點的氣體導入處理爐。

                此氣體參與鋼的滲碳,會副生CO2,減低滲碳性,為了從鋼材表面除去CO2,有必要以某速度以上使滲碳性氣體流動,調節氣體流量,使爐內氣體每1小時置換5~10次,又為了防止爐外的氧化性氣體混入,爐內壓力要保持稍高于1氣體。

                取出、裝入處理品之際,要實施火陷簾,防止空氣混入,免得爆炸。

                滲碳終了后進行淬火,不過滲碳溫度當作淬火溫度時太高的話,可降低氣體的碳位,降低爐溫,成為淬火適溫后淬冷。

                淬火用油若不適當,則即使在爐內為光輝狀態,淬入油中時也會氧化著色,達不到光輝處理的目的;淬火油阻害光輝性的因子有油的氧化、殘留碳、硫量等油的性狀或直接與組成有關者,或微量的水分及空氣混入的活,也會降低光輝度。

                氣體滲碳后降低溫度至800℃以后直接淬火于水或油中,此時若使用麻淬火之處理則可減少淬火變形,又氣體滲碳后之組織,其表皮含碳濃度與芯部含碳量之間有顯著之差異,所以滲碳后須施以擴散退火(900~950℃),此后在800℃淬火之,淬火后必須在150~180℃施以低溫回火。

                滲碳后之熱處理一般依滲碳溫度而分為二種:

                (1) 滲碳溫度在鋼件原含碳量之Ac3上方時,滲碳后中心部份之組織變成微細,表皮則為粗大,此時熱處理只須將表皮之粗大晶粒處理成微細晶粒即可,故將滲碳后之鋼件,加熱至A1稍上方(780℃附近)淬火即可。

                (2) 若滲碳溫度在Ac3上方甚高溫度處,則中心部晶粒亦成為粗大,此時須經二次熱處理。

                第1次淬火之目的在于使未被滲碳之心部組織微細化,即加熱至Ac3上起沃斯田鐵變態,而結晶粒剛微細化時淬火之,故溫度較高。同時在此溫度下,滲碳層之高碳部份的網狀雪明碳鐵可固熔于沃斯田鐵,所以淬火后不再有網狀雪明碳鐵存在。

                但是此淬火溫度,作為滲碳層之淬火溫度未免過高,必須再一次在較低之溫度作第二次淬火。此溫度對于滲碳層而言,相當于A1與Acm之間約760℃附近,故經第二次淬火之鏟,滲碳表面層為麻田散鐵,基地中有許多球狀碳化物存在,故耐磨性高。

                回火系去除淬火時發生之殘留應力,且將一部份之殘留沃斯田鐵變為麻田散鐵。溫度過高則硬度會降低,普通以150~200℃為最適宜。

                若須較高之硬度時,則宜在100~170℃回火,若須韌性時,則宜在400℃以上,Ac1以下回火之,則得回火糙斑鐵組織。

               

               

                五、氣體滲碳氮化法:

                氣體滲碳氮化時,滲碳和滲氮作用同時行。氣體滲碳用的氣體滲碳用的氣體用來產生滲碳作用,而N H3氣體用產生滲氮作用。氣體滲碳氮化溫度為704~900℃,其處理時間比氣體滲碳法短,得較薄的硬化層,所得滲碳氮化結果類似于液體滲碳氮化所得者。

                處理層的硬化能,比由滲碳所得的滲碳層好,所以把滲碳氮化和淬火適當配合時,碳鋼或低合金鋼也可以得到十分安定的高硬度硬化層。由此法所得的硬化層深度為0.07~0.75㎜。淬火時可采用油淬火,有時可實施氣體淬火來防止淬火變形而仍能得到高的表面硬度。

                滲碳氮化所使用的鋼由以低碳構造用鋼和低合金構造用鋼為主,其主要目的是改善耐磨性。假如同時要滿足耐荷重性和耐磨性,首先滲碳1.5~1.8㎜,其次實施滲碳氮化,然后加以油淬火。

                氣體滲碳氮化層因為含有N,其回火軟化抵抗性大,所以回火溫度要比氣體滲碳淬火者高。通;鼗鹩190~210℃時,表面硬度為HRC58以上

             
             
                  
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