气 体 渗 碳

momo78918

气  体  渗  碳
气体渗碳是比较完善和经济的渗碳方法，它的主要优点如下：
① 它不需要渗碳箱，零件直接加热，生产周期较短。
② 易于控制渗碳气氛，产品质量较稳定。
③ 便于直接淬火，便于实现自动化。
④ 周围环境清洁，大大减轻劳动强度。
但是，气体渗碳一般需要专门的设备，因而影响了普遍推广使用。
气体渗碳所采用的炉子，一般有连续式无马弗炉和井式炉。一般中，小批量生产的工厂，大都采用井式渗碳炉进行气体渗碳。渗薄时，把零件装于用耐热钢诸如此类料筐内。放入炉膛中，密封加热，然后输入氢把有机液体(煤油、苯、酒精、丙酮等)滴入炉内。滴入剂的种类很短而以煤油应用得最广泛，因价格便宜，来源充分，且有很强的渗碳能力，可满足渗碳要求。
(一)            气体渗碳的基本原理
煤油滴入渗碳炉后，经过高温热裂分解一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，氧(O2)，氢(H2)和饱和碳氢化合物(CnH2n+2)及不饱和碳氢合化物(CnH2n)等多种混合气体。
气体渗碳主要利用其中一氧化碳，饱和的碳氢化合物和不饱和的碳氢化合物，靠这些气体在渗碳温度分解得到原子状态的碳而产生渗碳作用。
2CO —→ CO2 + [C]
CnH2n+2 —→ (n+1)H2 + n[C]
一氧化碳在高温渗碳时，其分解速度较慢，分解与吸收基本平衡，因此，一般没有过剩碳沉积，而不饱和碳氢化合物，渗碳开始时会猛烈地析出碳，形成一层碳黑，附于零件表面，阻止渗碳的进行。所以，渗碳气体中不饱和碳氢化合物含量应控制低些。
(二)            气体渗碳工艺及操作
⒈ 装炉：把零件与相同钢材的试样一起置于渗碳料筐中，零件之间应留5—10mm间隙，空炉加热(封闭炉盖)至920—940℃时将渗碳料筐迅速吊入炉膛中，扳紧螺母以压紧炉盖，开大甲醇滴量，打开废气孔排气，并启动风扇马达。
⒉ 升温：工件装炉后立即开始升温，此时炉温下降较多，(约800—850℃)，而工件的温度更低。此时不宜滴入大量的渗碳剂(因炉温低，不能充分裂解，而且工件温度低不能吸碳，滴入的渗碳剂将会形成大量的碳黑附于工件表面，影响随后渗碳正常进行)。最好滴入裂解温度较低的，而且裂解后不产生不饱和碳氢化合物的有机液体如甲醇。进行加热时的保护。当炉温升至(920—940℃时，即可滴入煤油。
⒊ 保温
①         炉温工件达到920—940℃后，可加大煤油滴量，140—160滴／分，并且进行约30分钟的排气期。排气结束后调整煤油滴量。同时，调整废气口的排气压力，并在炉试样孔上放入与炉内零件材料相同的试样棒。以便目测渗碳层之用。
渗碳剂滴量过少，活性碳原子少，使整个渗碳气氛不足，零件表层碳浓度低不利于往心部扩散；反之，滴量过大，活性碳原子过多，吸不进去，活性碳原子聚合起来，形成碳黑和焦壳，造成浪费，还障碍渗碳进行。
②         炉内压力：渗碳保温时，炉压应在15—30mm水银柱范围，在此压力下，用点燃的棉纱来检查炉盖周围及风扇轴气封处有无火苗，如有火苗，立即采取各种防漏措施，堵塞漏气。
12—4 不同型号的气体渗碳炉保温阶段的煤油滴量
炉子型号 每分钟滴入煤油数量
RJJ—35—9T 80—100
RJJ—60—9T 100—120
RJJ—90—9T 120—140
RJJ—105—9T 140—160
③         废气的排除：在渗碳过程中，应将排气管点燃，因排出废气中有大量的一氧化碳和氢气，点燃后一方面可使车间生产安全，同时亦可根据火焰燃烧长度和颜色。分析判断炉内工作情况，在工作正常时，火焰长度约80—150mm，色泽为黄色。
④         废气的分析：要正确掌握炉内气氛实际情况，就应对排出的废气进行气体分析，取废气可在进入渗碳阶段30分钟进行，正常情况下，其成分应在表12—5范围。
12—5  废气成分(%)
CO2 CnH2n O2 CO H2 CH4 N2
0.1—1.0 ≤0.2 0.2—0.8 10—15 50—75 1—15 其余
⑤         时间：渗碳时间根据渗碳层深度要求而定。在920—940℃渗碳温度下，渗碳层深度和保温时间的关系，如表12—6所示。
12—6        渗碳层深度与保温时间的关系
渗碳层深度mm 渗碳过程总时间h 渗碳温度下的保温时间h
0.4—0.6 8—9 2.5—3
0.6—1.0 9—10 3—4
0.8—1.2 10—11 4—5
1.0—1.4 11—12 5—6
抽检试棒：在达到工艺规定的前1h抽检试棒一个，以决定是否需要调整保温时间。试棒检查方法与固体渗碳试棒检查方法相同。
⒋ 降温出炉：
当渗碳层深度达到规定要求后，即可关闭电源，在炉内降温，滴量减为60—80滴／分，温度降至800—850℃时，即可出炉。出炉后，把零件连渗碳筐置于有密封盖的冷却桶中冷却。为防止氧化脱碳，可在冷却桶底预先放一层砂子，然后在砂子中倒上一些煤油或甲醇等有机液体。在冷却箱中冷却，有利于防止网状碳化物的形成。
(三)            气体渗碳工艺方法的改进
为了提高渗碳速度和获得良好的渗碳层质量，目前，气体渗碳法不是始终采用一个温度，一种滴量进行到底的方法，而是采用几个温度，几种滴量。下面介绍把渗碳保温阶段滴油量改为三种(或二种)，分成几个不同的渗碳阶段的工艺，具体做法是：
⒈ 强烈的吸碳阶段：渗碳保温一开始，把滴油量提高至120至180滴／分，(根据炉膛的容积和零件表面而定)，这是由于渗碳一开始，钢的含碳量低，吸碳能力大，而且，在高温下，渗碳剂的分解的能力也大，这一阶段是希望钢表面吸碳速度大于向心部扩散的速度，使零件具有较高的表面碳浓度。
⒉ 扩散阶段：在第一阶段保温时间后，把滴油量降低至80—110滴／分，在相同的渗碳温度下，由于滴油量低，炉内渗碳气氛减弱，加上第一阶段时渗碳零件表面碳浓度高，浓度梯度大，便于向心部扩散，虽然表面仍在吸取碳原子，但其速度已低于扩散速度。
⒊ 纯扩散阶段：第二阶段保温完毕，再把滴油量降低至30—50滴／分，对容易增碳的合金渗碳钢，有时单靠第二阶段来消除表面过浓的碳浓度还够完全，第三阶段的作用是均匀过渡层的碳分布和使表面接近共析成分的碳浓度。
增加第一阶段渗碳时间，会使过共析层和表面碳浓度提高，对整个渗碳速度有好处；而增加第二阶段保温时间，会增长共析层深度，降低表面碳浓度。但是，过于延长第二阶段缩短第一阶段，将使渗碳时间延长。所以要达到较快的渗碳速度，而又使表层浓度和共析层占全层的比例达到要求，一般第一第二阶段保温时间的比例以1：1.2—1：1.5较为合适。第三阶段时间，可根据渗碳层深度的要求来确定，大约可在1—2h范围内。表12—7列出了三个阶段保温时间与渗碳层深度之关系。
表12—7  三个阶段的保温时间对渗碳深度的影响
钢号 渗碳
阶段 滴油量(滴／分) 各种深度下所需要的保温时间h
1.0mm 1.2mm 1.5mm 2.0mm
10#

20# 1 140—160 1.5 2 2.5 3
2 80—100 2 2.5 3.5 4.5
3 40 1 1.5 1.5 2
15Cr

20Cr 1 140—160 1 1.4 1.75 2.4
2 80—100 1.5 2 2.5 4
3 40 1 1.5 1.5 2
分段滴油法虽有改善渗碳层质量，但易受各种因素影响，未能精确掌握炉内气氛的变化，最近一些单位在井式气体渗碳炉上附加红外线气体分析仪，以甲醇和丙酮(和煤油)为渗碳剂，利用炉内气氛成分变化有一定比例关系的原理，通过控制炉内二氧化碳的含量，达到自动调节所需含碳浓度的目的。这种方法简单易行，能可靠地控制渗碳质量。
六 渗碳后的热处理
渗碳钢经过渗碳，虽然获得高碳的表层，但仍得不到硬而耐磨的表层和韧而又高强度的心部。要达到这个目的，渗碳后还需进行热处理。常用的热处理方法有如下三种：
(一)两次淬火法：
本质粗晶粒钢制的零件渗碳时，由于在高温连续时间较长，使渗碳层和心部晶粒长大，因而降低了钢的机械性能(特别是冲击值)。因此，一般采用两次淬火方法来改善其心部和表层组织，提高机械性能(工艺曲线如12—7所示)。

第一次淬火的目的，是为了细化心部组织，消除表层网状渗碳体，温度的选择是以改善心部组织为出发点，一般略高于Ac3。碳钢加热温度为880—900℃，合金钢为850—870℃。如果表面层中存在有网状碳化物的话，那么，第一次淬火时，加热温度应高于渗碳层的上临界温度Acm。但是，第一次淬火的温度已显著超过渗碳层的淬火温度，造成晶粒粗大。淬火后得到粗针状马氏体，使渗碳层变脆。
为了细化表层(渗碳层)组织和获得细针状或隐晶状马氏体组织，还必须进行第二次淬火。第二次淬火温度的选择是以渗碳层为依据，一般淬火温度约在750—850℃范围。碳钢第二次淬火的加热温度略高于Ac1，约为750—800℃。此时钢的中心部分几乎不承受淬火，合金钢第二次淬火温度比碳钢略高。
由于两次加热淬火，这种方法引起零件变形翘曲比较大，也有的采用正火来代替第一次淬火，以减少变形，但这种方法不能完全消除网状碳化物。
(二)一次淬火法：
零件渗碳后空冷，然后再加热淬火，叫一次淬火法。它主要用本质细晶粒钢制的零件和不太重要的渗碳件。
一次淬火温度选择，必须同时兼顾渗碳层和中心部分的不同要求。对于主要要求耐磨性的渗碳件，应以满足表面性能为主，照顾中心部分最低限度的机械性能，淬火温度应该高些。一般温度选择在Ac1至Ac3之间。
(三)直接淬火法：
即在渗碳温度下出炉直接淬火，这种方法不必再次加热，从而减少变形，是比较经济和方便的方法。但是，直接淬火保留了渗碳时粗大的奥氏体晶粒，淬火后形成粗针状马氏体，降低了韧性，同时，高温直接淬火渗碳层残存大量残余奥氏体，降低渗碳层的耐磨性。
为了克服直接淬火的缺点，采用预冷淬火法，选用温度一般略高于Ar3(通常在820—850℃)。预冷淬火可减少温度差，使零件减少变形；同时，预冷时从奥氏体中析出部分碳化物，使奥氏体中含碳和合金元素浓度降低，减弱了奥氏体的稳定性，故可减少淬火后的残余奥氏体量，增加了表层的硬度。碳化物又增加表层的耐磨性。这种方法广泛应用于在高温下晶粒长大倾向小的合金渗碳(如1CrMnTi)，它是目前最经济而又有效的方法，可以节省淬火加热设备，缩短生产周期，降低生产成本。
不管用哪种方法淬火，在最后一次淬火后，都要重新把零件加热160±20℃，保温1—2h进行回火，以消除加热及冷却产生的内应力和提高零件的韧性。

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一、钢的渗碳
1、        渗碳目的和用钢
汽车传动齿轮、活塞销的工作条件：
循环载荷，冲击载荷，严重磨损
性能要求：表层——高的硬度，耐磨性↑↑
          心部——强而韧
渗碳用钢：0.1~0.25%C碳钢或合金钢
2、        渗碳方法
气体渗碳法
固体渗碳法




3、        渗碳后的组织及热处理
渗层深：0.5~2.5mm
工件：                   表层                心部
成分(%C)：             0.85-1.05             0.1-0.25
缓冷组织：             P + Fe3CⅡ             F + P
淬火、低温回火         M回 + Fe3C+A残   M板条 +（F+T）（合金钢）
                                                F + P （碳钢）
硬度：                  58~64HRc     35~45HRc/10~15HRc (137~183HBS)渗碳零件工艺路线：
   锻造 → 正火 → 机加工 → 渗碳 → 淬火、低温回火 → 精加工