軸承加工技術(shù)::滲碳表面硬化處理法

滲碳硬化乃表面硬化法之一種，屬于化學(xué)表面硬化法。滲碳者先于鋼之表面產(chǎn)生初生態(tài)之碳，而后使之滲入鋼之表面層，逐漸擴(kuò)散入內(nèi)部。初生態(tài)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(yīng)而產(chǎn)生于滲碳容器內(nèi)，或者由含有氰化物之鹽浴得之。初生態(tài)之碳由鋼之表面擴(kuò)散入內(nèi)部時，鋼之溫度須增高至沃斯田鐵化溫層范圍內(nèi)，使初生態(tài)之碳埂于擴(kuò)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(jìn)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(zhì)。
　　一、滲碳處理之種類與特點(diǎn)：
　　(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(shè)備費(fèi)便宜，操作簡單，不需高度技術(shù)。(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(chǎn)。短處：(a)滲碳深度及表面碳濃度不易正確調(diào)節(jié)，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(yè)環(huán)境不良，作業(yè)人員多。
　　(2)液體滲碳法長處：(a)適中小量生產(chǎn)。設(shè)備費(fèi)便宜。不需高度技術(shù)。(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(tài)。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(yīng)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?jié)B碳。有噴濺危險(xiǎn)。
　　(3)氣體滲碳法長處：(a)適于大量生產(chǎn)。(b)表面碳濃度可以調(diào)節(jié)。(c)瓦斯流量、溫度、時間容易自動化，容易管理。短處：(a)設(shè)備費(fèi)昂貴。(b)處理量少時成本高。(c)需要專門作業(yè)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(tài)，使碳從鋼表面侵入而擴(kuò)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(jìn)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(xù)處理大量工件，作業(yè)環(huán)境不良，已有衰退傾向，不過爐及其它設(shè)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(jī)構(gòu)以氣體滲碳為基礎(chǔ)，亦即箱內(nèi)的固體滲碳劑與箱內(nèi)空氣中的氧反應(yīng)，成為二氧化碳(CO2)，CO2再與碳反應(yīng)，生成一氧化碳(CO)。C + O2 = CO2C + CO2 = 2 COCO在鋼表面分解，析出碳〔C〕。2 CO =〔C〕+ CO2
　　〔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(tài)碳(nascent Carbon)的活性強(qiáng)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(yīng)連續(xù)反復(fù)進(jìn)行，碳從鋼材表面侵入擴(kuò)散，而滲碳?！　?br /> 　　前述反應(yīng)與鐵(Fe)組合成滲碳反應(yīng)。Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2
　　滲碳用之碳素，如以滲碳性之強(qiáng)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(jìn)劑。一般以堿金屬的碳酸鹽為促進(jìn)劑，碳酸鹽中的碳酸鋰(LiCO3)、碳酸鍶
　　(Sr CO3)、碳酸鉀(K CO3)、的促進(jìn)能大，但昂貴，工業(yè)上采用碳酸鋇(Ba CO3)、碳酸鈉(Na2 CO3)為多。雖促進(jìn)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(dāng)?shù)拈g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(jīng)過所定后，在爐內(nèi)徐冷或者由爐中拖出空冷，后進(jìn)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(xì)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(dāng)?shù)臒崽幚?，鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等的結(jié)晶粒粗大化少，未必要一次淬火，滲碳后實(shí)施球狀化退火者已達(dá)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(yīng)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(chǎn)。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(yè)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(nèi)部應(yīng)力較少，同時因C、N同時慘入，所以耐磨性佳。液體滲碳反應(yīng)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(yīng)變成氰酸鹽。2 NaCN + O2 = 2 NaCNONaCN + CO2 = NaCNO + CO氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N
　　在較低溫時反應(yīng)如下：5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N
　　生成的CO及N與Fe反應(yīng)而進(jìn)行滲碳及氮化。Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2Fe + N = { Fe - C }
　　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(kuò)散層增加，900℃時的碳濃度最高，這是由于鋇鹽的促進(jìn)作用大，而且熔點(diǎn)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(nèi)容積大、表面積小、接觸空氣的面少，蒸發(fā)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(dāng)?shù)膴A具，預(yù)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(yù)先調(diào)節(jié)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(yè)中要定期分析CN，CN不夠時，添加指定的補(bǔ)給劑，保持滲碳能在前面所述的鋼箔試驗(yàn)可簡易試出滲碳能，因NaCN有吸濕性，若將含有水分的補(bǔ)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。下表為各種淬火方法之比較?；鼗鹣等コ慊饡r發(fā)生之殘留應(yīng)力。且將之部分之殘留沃斯田鐵變?yōu)槁樘锷㈣F。溫度過高則硬度會降低，一般以150～200℃為最適宜。
　　四、氣體滲碳法：
　　氣體滲碳，由于適合大量生產(chǎn)化，作業(yè)可以簡化，品質(zhì)管制容易算特點(diǎn)，目前最普遍被采用。此法有變成氣體(或稱發(fā)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(nèi)1000～1100℃之高溫下，使碳化氫和空氣反應(yīng)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(nèi)含微量CO2、H2O、CH4，然后將此氣體送進(jìn)無外氣泄入的加熱爐內(nèi)施行滲碳。滲碳時，因所需的滲碳濃度不同，在變成氣體內(nèi)添加適當(dāng)量的C4H10、C3H8、CH4等以便調(diào)滲碳濃度。
　　氣體滲碳有關(guān)的反應(yīng)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(kuò)散而滲碳。
　　高級碳化氫以式(4)、(5)的反應(yīng)依序分解，成為低級碳化氫，最后成為CH4，進(jìn)行式(3)的分解，式(4)、(5)的分解速度比式(3)快。
　　這些反應(yīng)還會引起下示的副反應(yīng)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(yīng)。
　　進(jìn)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(shè)備，都屬于氣密式爐體，爐內(nèi)有風(fēng)扇使?jié)B碳及溫度均勻化。
　　在變成爐變成的滲碳性氣體，以對應(yīng)于處理目的的氣體組成或露點(diǎn)的氣體導(dǎo)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?jié)B碳性氣體流動，調(diào)節(jié)氣體流量，使?fàn)t內(nèi)氣體每1小時置換5～10次，又為了防止?fàn)t外的氧化性氣體混入，爐內(nèi)壓力要保持稍高于1氣體。
　　取出、裝入處理品之際，要實(shí)施火陷簾，防止空氣混入，免得爆炸。
　　滲碳終了后進(jìn)行淬火，不過滲碳溫度當(dāng)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(dāng)，則即使在爐內(nèi)為光輝狀態(tài)，淬入油中時也會氧化著色，達(dá)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(guān)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(kuò)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(xì)，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(xì)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(jīng)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(xì)化，即加熱至Ac3上起沃斯田鐵變態(tài)，而結(jié)晶粒剛微細(xì)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(wǎng)狀雪明碳鐵可固熔于沃斯田鐵，所以淬火后不再有網(wǎng)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(dāng)于A1與Acm之間約760℃附近，故經(jīng)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(fā)生之殘留應(yīng)力，且將一部份之殘留沃斯田鐵變?yōu)槁樘锷㈣F。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(chǎn)生滲碳作用，而N H3氣體用產(chǎn)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(jié)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(dāng)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(shí)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(gòu)造用鋼和低合金構(gòu)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(shí)施滲碳氮化，然后加以油淬火。
　　氣體滲碳氮化層因?yàn)楹蠳，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。通常回火于190～210℃時，表面硬度為HRC58以上

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