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渗碳工艺基本知识

　　渗碳工艺基本知识

　

　　简介：

　　渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

　　渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。

　　其主要的机理是让钢材表层接受各类负荷(磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀)最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度及耐蚀性﹐而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。这不仅能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢，而且能够保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。因此，完全符合节能、降耗，可持续发展的方向。

　　渗碳工艺在中国可以追溯到20世纪以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。

　　分类：

　　按含碳介质的不同﹐渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳﹑和碳氮共渗（氰化） 。

　　气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂(甲烷、乙烷等)或液体渗剂(煤油或苯、酒精、丙酮等)，在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。

　　固体渗碳是将工件和固体渗碳剂(木炭加促进剂组成)一起装在密闭的渗碳箱中，将箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一定时间，使活性碳原子渗人工件表面的一种最早的渗碳方法。

　　液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常用的液体渗碳介质有：碳化硅，“603”渗碳剂等。

　　碳氮共渗(氰化)又分为气体碳氮共渗　、液体碳氮共渗、固体碳氮共渗。

　　原理

　　渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。

　　分解→吸附→扩散

　　分解：渗碳介质的分解产生活性碳原子。

　　吸附：活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。

　　扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。

　　低碳钢渗碳：渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25%)。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为HRC30～42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命

　　工艺方法

　　 1、一次加热淬火低温回火，渗碳温度820～850℃或780～810℃

　　特点：对心部强度要求高者，采用820～850ºC淬火，心部组织为低碳马氏体;表面要求硬度高者，采用780～810ºC加热淬火可以细化晶粒

　　适用范围：适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件。气体、液体渗碳厚的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。

　　2、渗碳、高温回火，一次加热淬火、低温回火，渗碳温度840～860℃

　　特点：高温回火使马氏体和残留奥氏体分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于工削加工及淬火后渗层残留奥氏体减少

　　适用范围：主要用于CR-NI合金钢渗碳工件

　　 3、二次淬火低温回火

　　特点：第一次淬火(或正火)，可以消除渗层网状碳化物及细化心部组织。第二次淬火主要改善渗层组织，但对心部性能要求较高时应在心部AC3以上淬火

　　适用范围：主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳工件，特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需进行两次高温加热，使工件变形及氧化脱碳增加，热处理过程较复杂

　　 4、二次淬火冷处理低温回火

　　特点：高于AC1或AC3(心部)的温度淬火，高合金钢表层残留奥氏体较多，经冷处理(-70～80ºC)促使奥氏体转变，从而提高表面硬度和耐磨性

　　适用范围：主要用于渗碳后不需要机械加工的高合金钢工件

　　5、直接淬火低温回火

　　特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火畸变较大，合金钢渗碳件表面残留奥氏体量较多，表面硬度较低

　　适用范围：操作简单，成本低廉。井式炉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺

　　6、预冷直接淬火低温回火，淬火温度800～850℃

　　特点：可以减少工件淬火畸变，渗碳层中残留奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化

　　适用范围：操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均较小。广泛应用于细晶粒钢制造的各种工件。

　　常见缺陷

　　一.碳浓度过高

　　⒈产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。

　　2.防止的方法

　　①不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。

　　②严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。

　　③固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用4—7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催渗剂。

　　二.碳浓度过低

　　⒈产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理想的碳浓度为0.9—1.0%之间，低于0.8%C，零件容易磨损。

　　⒉防止的方法：

　　①渗碳温度一般采用920—940℃，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间;渗碳温度过高会引起晶粒粗大。

　　②催渗剂(BaCO3)的用量不应低于4%。

　　三.渗碳后表面局部贫碳

　　⒈产生的原因及危害：固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳。

　　⒉防止的方法

　　①固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。

　　②装炉的工件注意不要有接触。固体渗碳时要将渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。

　　③去除表面的污物。

　　四.渗碳浓度加剧过渡

　　⒈产生的原因及危害：渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈(如新配制的木炭，旧渗碳剂加得很少)，同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。

　　⒉防止的方法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。用BaCO3作催渗剂较好，因为Na2CO3比较急剧。

　　五.磨加工时产生回火及裂纹

　　⒈产生的原因：渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都易产生此类缺陷。这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。

　　表面产生六角形裂纹。这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削，而发热所致。也与热处理回火不足，残余内应力过大有关。用酸浸蚀后，凡是有缺陷部位呈黑色，可与没有缺陷处区别开来。这是磨削时产生热量回火。使马使体转变为屈氏体组织的缘故。其实，裂纹在磨削后肉眼即可看见。

　　⒉防止的方法：

　　①淬火后必须经过充分回火或多次回火，消除内应力。

　　②采用40~60粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不过大。

　　③磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却。

　　渗碳工艺注意事项

　　(1)渗碳前的预处理正火--目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织，使表面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态，正火工艺;用860--980℃空冷、179--217HBS。

　　(2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC。

　　(3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件，薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。