固體滲碳技術(shù)概述
一、滲碳目的
滲碳就是向鋼的表面層滲體碳原子的過(guò)程。即把工件放入滲碳?xì)夥罩性?00-950℃加熱保溫，使鋼件表面層增碳的過(guò)程。
機(jī)械零件中，如凸輪、偏心輪、齒輪、活塞銷(xiāo)等類(lèi)零件工作時(shí)表面經(jīng)受強(qiáng)烈地摩擦，并承受著沖擊載荷，因此，要求表面硬、耐磨、心部應(yīng)俱有良好的塑性和韌性。
如何滿(mǎn)足零件表面硬、耐磨心部又有良好的塑性韌性呢?這個(gè)問(wèn)題，必須從材料使用和熱處理工藝方面分析研究，如果選用高碳鋼材進(jìn)行淬火、低溫回火處理，雖具有高的硬度和良好的耐磨性，但塑性韌性較低，滿(mǎn)足不了要求。選用低碳鋼材料淬火后，雖具有高的硬度和良好的耐磨性，但塑性韌性較低，滿(mǎn)足不了要求。選用低碳鋼材料淬火后，雖具有良好的塑性韌性，但得不到高硬度和耐磨性的表面層，同樣滿(mǎn)足不了要求。而選用低碳鋼進(jìn)行滲碳、淬火，則可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果，這就是滲碳的目的。
二、滲碳用鋼
由于滲碳零件要求滲碳淬火后心部保持一定的韌性，宜用含碳量較低的鋼制造，一般含碳量在0.08~0.25%范圍。對(duì)于要求較高或較大截面的零件，含碳量達(dá)0.30%。由于低碳鋼強(qiáng)度較低，而且淬透性差，長(zhǎng)時(shí)間滲碳晶粒易于長(zhǎng)大，所以，重要零件(如汽車(chē)、拖拉機(jī)齒輪等)都用低碳合金滲碳鋼。合金滲碳鋼中常加入Cr、Ni、Mo、W、V、Mn、B和Ti等元素。各種不同合金元素對(duì)滲碳鋼有不同的影響，大數(shù)如下：
Cr、Mn、Ti等合金元素，它加入合金主要作用是增加滲碳鋼的淬透性，并使在淬火和低溫回火后表層和心部組織得到強(qiáng)化。
Mo、W、Ti、V、B等合金元素，它加入合金滲碳鋼中的含量雖然不多，特別是B的含量是極微的，僅為0.001-0.004%。Mo、W、Ti、V、Ti所起的主要作用是形成穩(wěn)定的合金碳化物，阻礙奧氏體晶長(zhǎng)大，并使合金滲碳鋼在淬火和回火后表層和心部組織得到強(qiáng)化。特別是增加表面耐磨性。微量的B能強(qiáng)烈地增加合金滲碳鋼的淬透性。
三、滲碳的一般原理和質(zhì)量要求
鋼之所以能夠滲碳，是因?yàn)殇撛诟邷貖W氏體狀態(tài)，對(duì)碳具有相對(duì)大的溶解度(2.06%)，鋼的滲碳就的借助這個(gè)原理。但是，并不是所有狀態(tài)的碳都可以被鋼表面所吸收，而只有活性碳原子才能被鋼表面吸收，被吸收的碳原子，在高溫狀態(tài)下在內(nèi)部往外擴(kuò)散，從而形成一定厚度的滲碳層。因此，滲碳過(guò)程中包括了分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)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)(氫)
(二)吸收：
高溫下活性碳原子與金屬表面接觸，被金屬表面吸收后，溶解于金屬基體或與金屬基體形成某種金屬化合物。
(三)擴(kuò)散：
零件表面吸收(固溶)了碳原子后，表面含碳量增加，使零件表面與心部產(chǎn)生一定的碳濃度而促使表面碳原子逐步向心部擴(kuò)散。
滲碳的結(jié)果取決于上述三個(gè)基本過(guò)程的關(guān)系。通過(guò)調(diào)整上述三個(gè)過(guò)程的關(guān)系，應(yīng)滿(mǎn)足如下主要的滲碳層質(zhì)量的要求：
�、钡竭_(dá)規(guī)定的滲碳層厚度(滲碳層厚度之計(jì)算，一般是從零件表層開(kāi)始測(cè)量到過(guò)渡的二分之一處)。如滲碳層太薄時(shí)，在高負(fù)荷作用下，會(huì)使?jié)B碳層壓穿，如滲碳太厚，也將影響滲碳零件的抗沖擊能力。
⒉滲碳表層含碳濃度應(yīng)控制在0.8—1.05%范圍內(nèi)。如含碳濃度過(guò)低(小于0.8%)，則達(dá)不到所要求的高硬度，高耐磨性。如果含碳濃度過(guò)高(大于1.05%)，則過(guò)剩碳化物較多，也使?jié)B碳層強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度下降，特別當(dāng)碳化物以針狀或網(wǎng)狀形式存在時(shí)由于馬氏體被這些脆性組織所割裂，對(duì)滲碳層強(qiáng)度起著特別有害的影響。
⒊含碳量沿深度的變化(也稱(chēng)濃度梯度)要和緩，表層和心部之間的過(guò)渡區(qū)無(wú)明顯分界，以避免在使用過(guò)程中產(chǎn)生滲層剝落現(xiàn)象。
⒋過(guò)共析、共析層應(yīng)占整個(gè)滲碳層厚度的60—70%，最低限度應(yīng)不小于50%，這樣，使淬火后得到大致均勻的硬度，也不妨礙對(duì)滲碳層的最后研磨。
常用滲碳方法有：固體滲碳法和氣體滲碳法兩種。
四、固體滲碳
固體滲碳是一種應(yīng)用最早的滲碳方法。
(一)滲碳劑的成份及其作用：
固體滲碳劑主要是由木炭粒和碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3等組成。木炭粒是主滲劑，碳酸鹽是催滲劑。
木炭顆粒均勻，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%，如果是大零件滲碳，大顆粒木炭應(yīng)多些，小零件，小顆粒應(yīng)多些。常用的滲碳劑成份如表1所示。
常用滲碳劑的成份
滲碳加熱時(shí)，炭與其間隙中的氧作用(不完全燃燒)，生成一氧化碳。
2C+O2—→2CO
一氧化碳在滲碳條件下，是不穩(wěn)定的，當(dāng)它與鋼件表面接觸，便按下式分解得活性碳原子：
2CO—→CO2+[C]
活性碳原子被鋼件表面吸收，并向內(nèi)部擴(kuò)散。
整個(gè)反反應(yīng)過(guò)程可用下式示意表示：
C+CO2—→2CO—→CO2+[C]—→工件
單獨(dú)用木炭進(jìn)行滲碳，周期長(zhǎng)，效果差，為了增加滲碳劑的活性，增加活性碳原子數(shù)量，一般加入一定數(shù)量的碳酸鹽作為催滲劑。催滲劑在高溫下與木碳產(chǎn)生如下反應(yīng)：
BaCO3+C(木炭)—→BaO2+CO
Na2CO3+C(木炭)—→Na2O+2CO
2CO—→CO2+[C]
滲碳過(guò)程中，木炭受到了燒損，但催滲劑分解氧化物，在開(kāi)箱冷卻時(shí)與空氣接觸，如按下方程式進(jìn)行還原，這使催滲劑消耗大為減少。
BaO+CO2—→BaCO3
Na2O+CO2—→Na2CO3
為了提高催滲劑再生效果，在此介紹一種有效的方法，即將高溫下倒出來(lái)的滲碳劑，立刻用水噴灑(水的重量是滲碳劑重量的4—5%)。通過(guò)這樣的處理，碳酸鹽可得較完全的再生，其原因是：BaO+CO2—→BaCO3這個(gè)過(guò)程隨溫度下降而緩慢，如果在高溫下噴水，就能使BaO變成氫氧化鋇，而氫氧化鋇向碳酸鋇轉(zhuǎn)變不受溫度的限制。其反應(yīng)如下：
BaO+H2O—→Ba(OH)2
Ba(OH)2+CO2—→BaCO3+H2O
噴水還可以減少木炭的燒損和促進(jìn)少量甲烷發(fā)生，甲烷吸附在木炭的孔隙中，也能加速滲碳。
經(jīng)過(guò)噴水處理的滲碳劑，加少量新滲碳劑便可使用。
(二)固體滲碳的操作方法：
�、迸渲茲B碳劑：
由于全新的滲碳劑催滲作用過(guò)于強(qiáng)烈，易導(dǎo)致零件滲碳后表層濃度過(guò)高和出現(xiàn)粗大或網(wǎng)狀碳化物。因此，一般新舊混合使用，其中新滲碳劑占20-40%，舊滲碳劑占60-80%�；厥盏呐f滲碳劑應(yīng)篩去灰粉后，才能與新滲碳劑配合使用。
�、矟B碳零件，滲碳前的準(zhǔn)備處理：
要滲碳的零件，表面應(yīng)盡可能潔凈，不應(yīng)有嚴(yán)重銹斑及油垢，以免影響滲碳正常進(jìn)行，造成零件滲碳后深度不均勻和產(chǎn)生軟點(diǎn)。
對(duì)于要求局部滲碳的零件，要認(rèn)真進(jìn)行防滲，常見(jiàn)的防滲方法有如下幾種：
�、兕A(yù)留余量切除法：即在零件不應(yīng)滲碳的部位，預(yù)先留出比滲碳層稍厚的加工余量，滲碳后再用機(jī)械方法把這部分切除。這種方法比較可靠，但材料和工時(shí)的損失較大，形狀復(fù)雜的零件，要切除余量也較困難。而且不能進(jìn)行直接淬火。
�、谕苛戏ǎ河�1/3鉛丹和2/3氯化銅加上占兩種材料總量10-15%的松脂混合，溶于有機(jī)溶劑(酒精、汽油)中成糊狀，用毛筆涂于不需滲碳部位，厚度約0.7-1.0mm，干燥后再涂一層。
�、坼冦~法：在不需要滲碳的部位用電鍍方法鍍上厚度為0.02-0.04mm的銅層，可以比較可靠的防止碳的滲入。
�、逞b箱：
滲碳箱一般用鋼板焊成或鑄鐵鑄成，滲碳箱不宜過(guò)大，其外形尺寸應(yīng)盡可能適合工件的要求，箱子最好與爐底板架空，受熱均勻。
在生產(chǎn)中，往往發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，由于滲碳箱過(guò)大，造成內(nèi)外溫差大(滲碳劑是不良的熱導(dǎo)體)，結(jié)果同一箱零件(外緣和中心)滲碳層極不均勻，故對(duì)滲碳箱的設(shè)計(jì)，必須考慮零件大小，形狀。同時(shí)應(yīng)根據(jù)零件大小，滲碳時(shí)選用合適的滲碳箱，盡可能做到近似尺寸的零件同爐滲碳，盡量避免尺寸相差懸殊的零件同爐滲碳或小件用大箱滲碳。
零件裝箱時(shí)，在滲碳箱底部先鋪上一層滲碳劑(厚30-40mm)，隨后即往箱內(nèi)放工件，工件間距須保持10-15mm，工件和箱壁的距離則為20-25mm。
裝好一層工件后，鋪上一層滲碳劑并細(xì)心搗實(shí)，然后放上第二層工件，上下兩層工件之間滲碳劑厚度為15-25mm.。在裝工件的同時(shí)，應(yīng)裝上試棒，試棒放置位置應(yīng)盡可能的反映工件的實(shí)際滲碳情況。
在箱內(nèi)放入最后一層工件后，上面放的滲碳劑厚度不得小于30-40mm。
裝箱好后，用耐火粘土(加上3-5%)食鹽加水調(diào)好進(jìn)行封蓋，以防止在滲碳過(guò)程中滲碳?xì)怏w的逸出。
滲碳箱封好后，即在箱蓋上插入長(zhǎng)試棒一根，同時(shí)也用耐火粘土封好試棒與箱蓋孔之間隙，如零件為低碳鋼，試棒材料應(yīng)與零件相同，如零件為低合金或中合金鋼，試棒可用20#鋼制成，試棒直徑可用ф10-12mm，其插入深度為接近上層零件之間。
⒋裝爐與升溫：
零件可在低溫入爐并用分段升溫的方法。但對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)，這種方法不經(jīng)濟(jì)，故通常采用高溫入爐的方法。
由于固體滲碳時(shí)零件裝于密封的滲碳箱內(nèi)，熱量要通過(guò)箱殼及箱內(nèi)滲碳劑傳遞到零件上，如果控制不當(dāng)，容易造成爐溫與零件實(shí)際溫度或箱內(nèi)表層和中心的溫度差很大，零件滲碳深度不均勻。因此，
一般制定工藝時(shí)，均在爐溫升到820—850℃范圍保溫一段時(shí)間，使備部分溫度均勻一致后，才以緩慢的加熱速度升至900-930℃的滲碳溫度。
�、当貢r(shí)間：
零件在滲碳溫度下需要保溫時(shí)間視滲碳層深度要求而定，表2列出滲碳深度與保溫時(shí)間的關(guān)系。
滲碳溫度與保溫時(shí)間對(duì)滲碳層深度的影響
由于影響滲碳速度的因素較多如材料的化學(xué)成分，滲碳劑的配比和質(zhì)量，以及爐子類(lèi)型和滲碳箱的形狀，大小等等，故上列數(shù)據(jù)只能作為制定工藝的參考。
�、冻鰻t前的試棒檢查：
保溫完畢大約半小時(shí)抽檢試棒，可把試棒淬于水中，折斷后觀察斷口，或?qū)嗝鎾伖夂笥?%硝酸酒精腐蝕，以檢查滲碳層所達(dá)到的深度，滲碳深度達(dá)到了技術(shù)要求則可出爐。如還未達(dá)到滲碳層深度，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。
試棒檢查方法有以下幾種：
�、俳鹣鄼z查法：金相檢查法是一種可靠的測(cè)定辦法。它是將試棒正火后磨去端面碳層，然后進(jìn)行研磨拋光，再用4%硝酸酒精溶液浸蝕，干燥后放在顯微鏡下觀察，從表面至中心部分，直到含碳約0.45%處為止，為滲碳層總深度，其中分過(guò)共析層(最外層)共析層(接過(guò)共析層)和亞共析層(接共析層)。含碳量均勻遞減為好。滲碳層總深度，可由金相顯微鏡上測(cè)出。若總滲碳層為1.2mm，其過(guò)共析層深約0.2-0.4mm，共析層0.4-0.6mm，亞共析層(0.45%C)深0.3-0.4mm。
�、诟g法：試棒按金相檢查法制成試樣，也用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用肉眼觀察新面，發(fā)現(xiàn)一層灰色圓圈，用尺量一下這圓圈的厚度，即為滲碳層總深度。
�、勰繙y(cè)法：沒(méi)有金相顯微鏡，也沒(méi)有研磨拋光，浸蝕條件的情況下，就用目測(cè)法。目測(cè)法是將試棒從爐中取出，放在水中淬火，此時(shí)滲碳層應(yīng)為高碳馬氏體組織，中心為低碳馬氏體組織。再將試棒于780~800℃在水中淬火一次，然后在壓機(jī)上壓斷(或敲斷)，觀看斷口，因?yàn)闈B碳層為高碳馬氏體，中心部分為鐵素體和低碳馬氏體，眼睛目測(cè)或10倍放大鏡觀看試棒，表層的細(xì)馬氏體層呈光亮的圓圈。由于表層是脆性斷裂：而中心有鐵素體，它是塑性斷裂，故表層斷口光亮，中心斷口不光亮。這樣估計(jì)總滲碳深度還包括含0.45%以下的部分，故此目測(cè)法的深度比金相法約深0.2—0.3mm。
試棒經(jīng)過(guò)兩次淬火，都在水中冷卻，加之滲碳后的試棒表層與心部含碳量相差很大，淬火時(shí)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，往往使?jié)B碳層與心部部分分裂開(kāi)來(lái)，如樹(shù)皮剝落一般，這樣更利于判斷滲碳層的深度。
�、房刂乒腆w滲碳表層含碳濃度的方法：
固體滲碳，由于零件密封于滲碳箱內(nèi)，在滲碳過(guò)程中不能調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣氛，滲碳劑又直接與零件接觸，故滲碳作用強(qiáng)烈，滲碳后表面的碳濃度往往超過(guò)要求(特別是含有滲碳時(shí)易形成碳化物的Cr、Ti、Mo、等元素的鋼)，對(duì)于一些抗彎和沖擊性能有較高要求的零件(如汽車(chē)齒輪等)，將產(chǎn)生不利的影響，為了克服這一缺點(diǎn)，有關(guān)研究部門(mén)和工廠，通過(guò)試驗(yàn)，摸索出如下降低滲碳表層含碳量的方法：
�、侔汛邼B劑的含量控制在一定的范圍內(nèi)，用于低碳合金鋼的滲碳劑，含催滲劑2—4%;用于碳素鋼的滲碳劑，含催滲劑10-15%;舊滲碳劑與新滲碳劑之比例為3：1。
�、趯�(duì)于一些含有易形成碳化物元素的滲碳鋼，除用上述配比的滲碳劑外，還采用降溫，保溫，擴(kuò)散的方法，以盡可能減少零件表層的碳濃度。
