固体渗碳技术概述

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一、渗碳目的

  渗碳就是向钢的表面层渗体碳原子的过程。即把工件放入渗碳气氛中在900-950℃加热保温,使钢件表面层增碳的过程。

  机械零件中,如凸轮、偏心轮、齿轮、活塞销等类零件工作时表面经受强烈地摩擦,并承受着冲击载荷,因此,要求表面硬、耐磨、心部应俱有良好的塑性和韧性。

  如何满足零件表面硬、耐磨心部又有良好的塑性韧性呢?这个问题,必须从材料使用和热处理工艺方面分析研究,如果选用高碳钢材进行淬火、低温回火处理,虽具有高的硬度和良好的耐磨性,但塑性韧性较低,满足不了要求。选用低碳钢材料淬火后,虽具有高的硬度和良好的耐磨性,但塑性韧性较低,满足不了要求。选用低碳钢材料淬火后,虽具有良好的塑性韧性,但得不到高硬度和耐磨性的表面层,同样满足不了要求。而选用低碳钢进行渗碳、淬火,则可以得到满意的结果,这就是渗碳的目的。

二、渗碳用钢

  由于渗碳零件要求渗碳淬火后心部保持一定的韧性,宜用含碳量较低的钢制造,一般含碳量在0.08~0.25%范围。对于要求较高或较大截面的零件,含碳量达0.30%。由于低碳钢强度较低,而且淬透性差,长时间渗碳晶粒易于长大,所以,重要零件(如汽车、拖拉机齿轮等)都用低碳合金渗碳钢。合金渗碳钢中常加入Cr、Ni、Mo、W、V、Mn、B和Ti等元素。各种不同合金元素对渗碳钢有不同的影响,大数如下:

  Cr、Mn、Ti等合金元素,它加入合金主要作用是增加渗碳钢的淬透性,并使在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。

  Mo、W、Ti、V、B等合金元素,它加入合金渗碳钢中的含量虽然不多,特别是B的含量是极微的,仅为0.001-0.004%。Mo、W、Ti、V、Ti所起的主要作用是形成稳定的合金碳化物,阻碍奥氏体晶长大,并使合金渗碳钢在淬火和回火后表层和心部组织得到强化。特别是增加表面耐磨性。微量的B能强烈地增加合金渗碳钢的淬透性。

三、渗碳的一般原理和质量要求

  钢之所以能够渗碳,是因为钢在高温奥氏体状态,对碳具有相对大的溶解度(2.06%),钢的渗碳就的借助这个原理。但是,并不是所有状态的碳都可以被钢表面所吸收,而只有活性碳原子才能被钢表面吸收,被吸收的碳原子,在高温状态下在内部往外扩散,从而形成一定厚度的渗碳层。因此,渗碳过程中包括了分解、吸收、扩散三个基本过程。

  (一)分解:

  含碳化合物的分解,形成活形碳原子(用[C]表示):

2CO—→CO2+[C]

  (一氧化碳)(二氧化碳)

CH4—→2H2+[C]

  (甲烷)(氢)

  (二)吸收:

  高温下活性碳原子与金属表面接触,被金属表面吸收后,溶解于金属基体或与金属基体形成某种金属化合物。

  (三)扩散:

  零件表面吸收(固溶)了碳原子后,表面含碳量增加,使零件表面与心部产生一定的碳浓度而促使表面碳原子逐步向心部扩散。

  渗碳的结果取决于上述三个基本过程的关系。通过调整上述三个过程的关系,应满足如下主要的渗碳层质量的要求:

  ⒈到达规定的渗碳层厚度(渗碳层厚度之计算,一般是从零件表层开始测量到过渡的二分之一处)。如渗碳层太薄时,在高负荷作用下,会使渗碳层压穿,如渗碳太厚,也将影响渗碳零件的抗冲击能力。

  ⒉渗碳表层含碳浓度应控制在0.8—1.05%范围内。如含碳浓度过低(小于0.8%),则达不到所要求的高硬度,高耐磨性。如果含碳浓度过高(大于1.05%),则过剩碳化物较多,也使渗碳层强度,尤其是疲劳强度下降,特别当碳化物以针状或网状形式存在时由于马氏体被这些脆性组织所割裂,对渗碳层强度起着特别有害的影响。

  ⒊含碳量沿深度的变化(也称浓度梯度)要和缓,表层和心部之间的过渡区无明显分界,以避免在使用过程中产生渗层剥落现象。

  ⒋过共析、共析层应占整个渗碳层厚度的60—70%,最低限度应不小于50%,这样,使淬火后得到大致均匀的硬度,也不妨碍对渗碳层的最后研磨。

  常用渗碳方法有:固体渗碳法和气体渗碳法两种。

四、固体渗碳

  固体渗碳是一种应用最早的渗碳方法。

  (一)渗碳剂的成份及其作用:

  固体渗碳剂主要是由木炭粒和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3等组成。木炭粒是主渗剂,碳酸盐是催渗剂。

  木炭颗粒均匀,并要求3-6mm左右的占80%,1-3mm左右占20%左右,1mm以下的不大于1%,如果是大零件渗碳,大颗粒木炭应多些,小零件,小颗粒应多些。常用的渗碳剂成份如表1所示。

  常用渗碳剂的成份

固体渗碳技术概述

  渗碳加热时,炭与其间隙中的氧作用(不完全燃烧),生成一氧化碳。

2C+O2—→2CO

  一氧化碳在渗碳条件下,是不稳定的,当它与钢件表面接触,便按下式分解得活性碳原子:

2CO—→CO2+[C]

  活性碳原子被钢件表面吸收,并向内部扩散。

  整个反反应过程可用下式示意表示:

C+CO2—→2CO—→CO2+[C]—→工件

  单独用木炭进行渗碳,周期长,效果差,为了增加渗碳剂的活性,增加活性碳原子数量,一般加入一定数量的碳酸盐作为催渗剂。催渗剂在高温下与木碳产生如下反应:

BaCO3+C(木炭)—→BaO2+CO

Na2CO3+C(木炭)—→Na2O+2CO

2CO—→CO2+[C]

  渗碳过程中,木炭受到了烧损,但催渗剂分解氧化物,在开箱冷却时与空气接触,如按下方程式进行还原,这使催渗剂消耗大为减少。

BaO+CO2—→BaCO3

Na2O+CO2—→Na2CO3

  为了提高催渗剂再生效果,在此介绍一种有效的方法,即将高温下倒出来的渗碳剂,立刻用水喷洒(水的重量是渗碳剂重量的4—5%)。通过这样的处理,碳酸盐可得较完全的再生,其原因是:BaO+CO2—→BaCO3这个过程随温度下降而缓慢,如果在高温下喷水,就能使BaO变成氢氧化钡,而氢氧化钡向碳酸钡转变不受温度的限制。其反应如下:

BaO+H2O—→Ba(OH)2

Ba(OH)2+CO2—→BaCO3+H2O

  喷水还可以减少木炭的烧损和促进少量甲烷发生,甲烷吸附在木炭的孔隙中,也能加速渗碳。

  经过喷水处理的渗碳剂,加少量新渗碳剂便可使用。

  (二)固体渗碳的操作方法:

  ⒈配制渗碳剂:

  由于全新的渗碳剂催渗作用过于强烈,易导致零件渗碳后表层浓度过高和出现粗大或网状碳化物。因此,一般新旧混合使用,其中新渗碳剂占20-40%,旧渗碳剂占60-80%。回收的旧渗碳剂应筛去灰粉后,才能与新渗碳剂配合使用。

  ⒉渗碳零件,渗碳前的准备处理:

  要渗碳的零件,表面应尽可能洁净,不应有严重锈斑及油垢,以免影响渗碳正常进行,造成零件渗碳后深度不均匀和产生软点。

  对于要求局部渗碳的零件,要认真进行防渗,常见的防渗方法有如下几种:

  ①预留余量切除法:即在零件不应渗碳的部位,预先留出比渗碳层稍厚的加工余量,渗碳后再用机械方法把这部分切除。这种方法比较可靠,但材料和工时的损失较大,形状复杂的零件,要切除余量也较困难。而且不能进行直接淬火。

  ②涂料法:用1/3铅丹和2/3氯化铜加上占两种材料总量10-15%的松脂混合,溶于有机溶剂(酒精、汽油)中成糊状,用毛笔涂于不需渗碳部位,厚度约0.7-1.0mm,干燥后再涂一层。

  ③镀铜法:在不需要渗碳的部位用电镀方法镀上厚度为0.02-0.04mm的铜层,可以比较可靠的防止碳的渗入。

  ⒊装箱:

  渗碳箱一般用钢板焊成或铸铁铸成,渗碳箱不宜过大,其外形尺寸应尽可能适合工件的要求,箱子最好与炉底板架空,受热均匀。

  在生产中,往往发现这样一种现象,由于渗碳箱过大,造成内外温差大(渗碳剂是不良的热导体),结果同一箱零件(外缘和中心)渗碳层极不均匀,故对渗碳箱的设计,必须考虑零件大小,形状。同时应根据零件大小,渗碳时选用合适的渗碳箱,尽可能做到近似尺寸的零件同炉渗碳,尽量避免尺寸相差悬殊的零件同炉渗碳或小件用大箱渗碳。

  零件装箱时,在渗碳箱底部先铺上一层渗碳剂(厚30-40mm),随后即往箱内放工件,工件间距须保持10-15mm,工件和箱壁的距离则为20-25mm。

  装好一层工件后,铺上一层渗碳剂并细心捣实,然后放上第二层工件,上下两层工件之间渗碳剂厚度为15-25mm.。在装工件的同时,应装上试棒,试棒放置位置应尽可能的反映工件的实际渗碳情况。

  在箱内放入最后一层工件后,上面放的渗碳剂厚度不得小于30-40mm。

  装箱好后,用耐火粘土(加上3-5%)食盐加水调好进行封盖,以防止在渗碳过程中渗碳气体的逸出。

  渗碳箱封好后,即在箱盖上插入长试棒一根,同时也用耐火粘土封好试棒与箱盖孔之间隙,如零件为低碳钢,试棒材料应与零件相同,如零件为低合金或中合金钢,试棒可用20#钢制成,试棒直径可用ф10-12mm,其插入深度为接近上层零件之间。

  ⒋装炉与升温:

  零件可在低温入炉并用分段升温的方法。但对于连续生产,这种方法不经济,故通常采用高温入炉的方法。

  由于固体渗碳时零件装于密封的渗碳箱内,热量要通过箱壳及箱内渗碳剂传递到零件上,如果控制不当,容易造成炉温与零件实际温度或箱内表层和中心的温度差很大,零件渗碳深度不均匀。因此,

  一般制定工艺时,均在炉温升到820—850℃范围保温一段时间,使备部分温度均匀一致后,才以缓慢的加热速度升至900-930℃的渗碳温度。

  ⒌保温时间:

  零件在渗碳温度下需要保温时间视渗碳层深度要求而定,表2列出渗碳深度与保温时间的关系。

  渗碳温度与保温时间对渗碳层深度的影响

固体渗碳技术概述

  由于影响渗碳速度的因素较多如材料的化学成分,渗碳剂的配比和质量,以及炉子类型和渗碳箱的形状,大小等等,故上列数据只能作为制定工艺的参考。

  ⒍出炉前的试棒检查:

  保温完毕大约半小时抽检试棒,可把试棒淬于水中,折断后观察断口,或将断面抛光后用4%硝酸酒精腐蚀,以检查渗碳层所达到的深度,渗碳深度达到了技术要求则可出炉。如还未达到渗碳层深度,应适当延长保温时间。

  试棒检查方法有以下几种:

  ①金相检查法:金相检查法是一种可靠的测定办法。它是将试棒正火后磨去端面碳层,然后进行研磨抛光,再用4%硝酸酒精溶液浸蚀,干燥后放在显微镜下观察,从表面至中心部分,直到含碳约0.45%处为止,为渗碳层总深度,其中分过共析层(最外层)共析层(接过共析层)和亚共析层(接共析层)。含碳量均匀递减为好。渗碳层总深度,可由金相显微镜上测出。若总渗碳层为1.2mm,其过共析层深约0.2-0.4mm,共析层0.4-0.6mm,亚共析层(0.45%C)深0.3-0.4mm。

  ②腐蚀法:试棒按金相检查法制成试样,也用4%硝酸酒精溶液浸蚀,用肉眼观察新面,发现一层灰色圆圈,用尺量一下这圆圈的厚度,即为渗碳层总深度。

  ③目测法:没有金相显微镜,也没有研磨抛光,浸蚀条件的情况下,就用目测法。目测法是将试棒从炉中取出,放在水中淬火,此时渗碳层应为高碳马氏体组织,中心为低碳马氏体组织。再将试棒于780~800℃在水中淬火一次,然后在压机上压断(或敲断),观看断口,因为渗碳层为高碳马氏体,中心部分为铁素体和低碳马氏体,眼睛目测或10倍放大镜观看试棒,表层的细马氏体层呈光亮的圆圈。由于表层是脆性断裂:而中心有铁素体,它是塑性断裂,故表层断口光亮,中心断口不光亮。这样估计总渗碳深度还包括含0.45%以下的部分,故此目测法的深度比金相法约深0.2—0.3mm。

  试棒经过两次淬火,都在水中冷却,加之渗碳后的试棒表层与心部含碳量相差很大,淬火时产生很大的内应力,往往使渗碳层与心部部分分裂开来,如树皮剥落一般,这样更利于判断渗碳层的深度。

  ⒎控制固体渗碳表层含碳浓度的方法:

  固体渗碳,由于零件密封于渗碳箱内,在渗碳过程中不能调节箱内气氛,渗碳剂又直接与零件接触,故渗碳作用强烈,渗碳后表面的碳浓度往往超过要求(特别是含有渗碳时易形成碳化物的Cr、Ti、Mo、等元素的钢),对于一些抗弯和冲击性能有较高要求的零件(如汽车齿轮等),将产生不利的影响,为了克服这一缺点,有关研究部门和工厂,通过试验,摸索出如下降低渗碳表层含碳量的方法:

  ①把催渗剂的含量控制在一定的范围内,用于低碳合金钢的渗碳剂,含催渗剂2—4%;用于碳素钢的渗碳剂,含催渗剂10-15%;旧渗碳剂与新渗碳剂之比例为3:1。

  ②对于一些含有易形成碳化物元素的渗碳钢,除用上述配比的渗碳剂外,还采用降温,保温,扩散的方法,以尽可能减少零件表层的碳浓度。

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