滲碳工藝基本知識
滲碳工藝基本知識
簡介：
滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。
滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后﹐鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度﹐并保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)﹑汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。
其主要的機(jī)理是讓鋼材表層接受各類負(fù)荷(磨損、疲勞、機(jī)械負(fù)載及化學(xué)腐蝕)最多的地方，通過滲入碳等元素達(dá)到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度及耐蝕性﹐而不必通過昂貴的合金化或其它復(fù)雜工藝手段對整個材料進(jìn)行處理。這不僅能用低廉的碳鋼或合金鋼來代替某些較昂貴的高合金鋼，而且能夠保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。因此，完全符合節(jié)能、降耗，可持續(xù)發(fā)展的方向。
滲碳工藝在中國可以追溯到20世紀(jì)以前。最早是用固體滲碳介質(zhì)滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀(jì)出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的。美國在20年代開始采用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳。30年代﹐連續(xù)式氣體滲碳爐開始在工業(yè)上應(yīng)用。60年代高溫(960～1100℃)氣體滲碳得到發(fā)展。至70年代﹐出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。
分類：
按含碳介質(zhì)的不同﹐滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳﹑液體滲碳﹑和碳氮共滲（氰化） 。
氣體滲碳是將工件裝入密閉的滲碳爐內(nèi)，通入氣體滲劑(甲烷、乙烷等)或液體滲劑(煤油或苯、酒精、丙酮等)，在高溫下分解出活性碳原子，滲入工件表面，以獲得高碳表面層的一種滲碳操作工藝。
固體滲碳是將工件和固體滲碳劑(木炭加促進(jìn)劑組成)一起裝在密閉的滲碳箱中，將箱放入加熱爐中加熱到滲碳溫度，并保溫一定時間，使活性碳原子滲人工件表面的一種最早的滲碳方法。
液體滲碳是利用液體介質(zhì)進(jìn)行滲碳，常用的液體滲碳介質(zhì)有：碳化硅，“603”滲碳劑等。
碳氮共滲(氰化)又分為氣體碳氮共滲 、液體碳氮共滲、固體碳氮共滲。
原理
滲碳與其他化學(xué)熱處理一樣﹐也包含3個基本過程。
分解→吸附→擴(kuò)散
分解：滲碳介質(zhì)的分解產(chǎn)生活性碳原子。
吸附：活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中﹐使奧氏體中含碳量增加。
擴(kuò)散：表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差﹐表面的碳遂向內(nèi)部擴(kuò)散。碳在鋼中的擴(kuò)散速度主要取決于溫度﹐同時與工件中被滲元素內(nèi)外濃度差和鋼中合金元素含量有關(guān)。
低碳鋼滲碳：滲碳零件的材料一般選用低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小於0.25%)。滲碳后必須進(jìn)行淬火才能充分發(fā)揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘余奧氏體和少量碳化物﹐心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織﹐但應(yīng)避免出現(xiàn)鐵素體。一般滲碳層深度范圍為0.8～1.2毫米﹐深度滲碳時可達(dá)2毫米或更深。表面硬度可達(dá)HRC58～63﹐心部硬度為HRC30～42。滲碳淬火后﹐工件表面產(chǎn)生壓縮內(nèi)應(yīng)力﹐對提高工件的疲勞強(qiáng)度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強(qiáng)度﹑沖擊韌性和耐磨性﹐借以延長零件的使用壽命
工藝方法
?1、一次加熱淬火低溫回火，滲碳溫度820～850℃或780～810℃
特點：對心部強(qiáng)度要求高者，采用820～850oC淬火，心部組織為低碳馬氏體;表面要求硬度高者，采用780～810oC加熱淬火可以細(xì)化晶粒
適用范圍：適用于固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件。氣體、液體滲碳厚的粗晶粒鋼，某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機(jī)械加工的零件。
2、滲碳、高溫回火，一次加熱淬火、低溫回火，滲碳溫度840～860℃
特點：高溫回火使馬氏體和殘留奧氏體分解，滲層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滲層殘留奧氏體減少
適用范圍：主要用于CR-NI合金鋼滲碳工件
?3、二次淬火低溫回火
特點：第一次淬火(或正火)，可以消除滲層網(wǎng)狀碳化物及細(xì)化心部組織。第二次淬火主要改善滲層組織，但對心部性能要求較高時應(yīng)在心部AC3以上淬火
適用范圍：主要用于對力學(xué)性能要求很高的重要滲碳工件，特別是對粗晶粒鋼。但在滲碳后需進(jìn)行兩次高溫加熱，使工件變形及氧化脫碳增加，熱處理過程較復(fù)雜
?4、二次淬火冷處理低溫回火
特點：高于AC1或AC3(心部)的溫度淬火，高合金鋼表層殘留奧氏體較多，經(jīng)冷處理(-70～80oC)促使奧氏體轉(zhuǎn)變，從而提高表面硬度和耐磨性
適用范圍：主要用于滲碳后不需要機(jī)械加工的高合金鋼工件
5、直接淬火低溫回火
特點：不能細(xì)化鋼的晶粒。工件淬火畸變較大，合金鋼滲碳件表面殘留奧氏體量較多，表面硬度較低
適用范圍：操作簡單，成本低廉。井式爐用來處理對變形和承受沖擊載荷不大的零件，適用于氣體滲碳和液體滲碳工藝
6、預(yù)冷直接淬火低溫回火，淬火溫度800～850℃
特點：可以減少工件淬火畸變，滲碳層中殘留奧氏體量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奧氏體晶粒沒有變化
適用范圍：操作簡單，工件氧化、脫碳及淬火變形均較小。廣泛應(yīng)用于細(xì)晶粒鋼制造的各種工件。
常見缺陷
一.碳濃度過高
⒈產(chǎn)生原因及危害：如果滲碳時急劇加熱，溫度又過高或固體滲碳時用全新滲碳劑，或用強(qiáng)烈的催滲劑過多都會引起滲碳濃度過高的現(xiàn)象。隨著碳濃度過高，工件表面出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。由于這種硬脆組織產(chǎn)生，使?jié)B碳層的韌性急劇下降。并且淬火時形成高碳馬氏體，在磨削時容易出現(xiàn)磨削裂紋。
2.防止的方法
①不能急劇加熱，需采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，不使鋼的晶粒長大為好。如果滲碳時晶粒粗大，則應(yīng)在滲碳后正火或兩次淬火處理來細(xì)化晶粒。
?、趪?yán)格控制爐溫均勻性，不能波動過大，在反射爐中固體滲碳時需特別注意。
?、酃腆w滲碳時，滲碳劑要新、舊配比使用。催滲劑最好采用4—7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催滲劑。
二.碳濃度過低
?、碑a(chǎn)生的原因及危害：溫度波動很大或催滲劑過少都會引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9—1.0%之間，低于0.8%C，零件容易磨損。
⒉防止的方法：
?、贊B碳溫度一般采用920—940℃，滲碳溫度過低就會引起碳濃度過低，且延長滲碳時間;滲碳溫度過高會引起晶粒粗大。
②催滲劑(BaCO3)的用量不應(yīng)低于4%。
三.滲碳后表面局部貧碳
⒈產(chǎn)生的原因及危害：固體滲碳時，木炭顆粒過大或夾雜有石塊等雜質(zhì)，或催滲劑與木炭拌得不均勻，或工件所接觸都會引起局部無碳或貧碳。工件表面的污物也可以引起貧碳。
?、卜乐沟姆椒?
?、俟腆w滲碳劑一定要按比例配制，攪拌均勻。
?、谘b爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時要將滲碳劑搗實，勿使?jié)B碳過塌而使工件接觸。
?、廴コ砻娴奈畚?。
四.滲碳濃度加劇過渡
?、碑a(chǎn)生的原因及危害：滲碳濃度突然過渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇，不是由高到低的均勻過渡，而是突然過渡。產(chǎn)生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強(qiáng)烈(如新配制的木炭，舊滲碳劑加得很少)，同時鋼中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強(qiáng)烈，而造成表面高濃度，中心低濃度，并無過渡層。產(chǎn)生此缺陷后造成表里相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力，在淬火過程中或磨削過程中產(chǎn)生裂紋或剝落現(xiàn)象。
?、卜乐沟姆椒ǎ簼B碳劑新舊按規(guī)定配比制，使?jié)B碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因為Na2CO3比較急劇。
五.磨加工時產(chǎn)生回火及裂紋
?、碑a(chǎn)生的原因：滲碳層經(jīng)磨削加工后表面引起軟化的現(xiàn)象，稱之為磨加工產(chǎn)生的回火。這是由于磨削時加工進(jìn)給量太快，砂輪硬度和粒度或轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)，或磨削過程中冷卻不充分，都易產(chǎn)生此類缺陷。這是因為磨削時的熱量使表面軟化的緣故。磨削時產(chǎn)生回火缺陷則零件耐磨性降低。
表面產(chǎn)生六角形裂紋。這是因為用硬質(zhì)砂輪表面受到過份磨削，而發(fā)熱所致。也與熱處理回火不足，殘余內(nèi)應(yīng)力過大有關(guān)。用酸浸蝕后，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒有缺陷處區(qū)別開來。這是磨削時產(chǎn)生熱量回火。使馬使體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織的緣故。其實，裂紋在磨削后肉眼即可看見。
?、卜乐沟姆椒ǎ?
?、俅慊鸷蟊仨毥?jīng)過充分回火或多次回火，消除內(nèi)應(yīng)力。
?、诓捎?0~60粒度的軟質(zhì)或中質(zhì)氧化鋁砂輪，磨削進(jìn)給量不過大。
?、勰ハ鲿r先開冷卻液，并注意磨削過程中的充分冷卻。
滲碳工藝注意事項
(1)滲碳前的預(yù)處理正火--目的是改善材料原始組織、減少帶狀、消除魏氏組織，使表面粗糙度變細(xì),消除材料流線不合理狀態(tài)，正火工藝;用860--980℃空冷、179--217HBS。
(2)滲碳后需進(jìn)行機(jī)械加工的工件,硬度不應(yīng)高于30HRC。
(3)對于有薄壁溝槽的滲碳淬火零件，薄壁溝槽處不能先于滲碳之前加工。
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