表面工程技術(shù)—滲碳表面硬化處理法(1)

滲碳硬化乃表面硬化法之一種，屬于化學表面硬化法。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行。再配合各種熱處理法，使得鋼的表面生成高碳硬化，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：

（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碳劑。有噴濺危險。

（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)備價格昂貴。

（b）處理工件量少時成本高。

（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=CO2

C+CO2=2CO

CO在鋼表面分解，析出碳〔C〕。

2CO=〔C〕+CO2

〔C〕異于普通的碳，此種在鋼表面分解的原子狀碳（atomicCarbon）即稱為活性碳或初生態(tài)碳（nascentCarbon）的活性強的碳，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)進行，碳從鋼材表面侵入擴散，而滲碳。

前述反應(yīng)與鐵（Fe）組合成滲碳反應(yīng)。

Fe+2CO={Fe-C}+CO2

滲碳用之碳素，如以滲碳性之強度順序列之，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劑。一般以堿金屬的碳酸鹽為促進劑，碳酸鹽中的碳酸鋰（LiCO3）、碳酸鍶

（SrCO3）、碳酸鉀（KCO3）、的促進能大，但昂貴，工業(yè)上采用碳酸鋇（BaCO3）、碳酸鈉（Na2CO3）為多。雖促進能不如，但有耐久性，Na2CO3快劣化，所以通常木炭加BaCO320～30％，或再加10％以下的Na2CO3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?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，一般借一次淬火將心部組織微細化，其次借二次淬火將滲碳層硬化，最后借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?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，滲碳后實施球狀化退火者已達一次淬火的目的，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。

2NaCN+O2=2NaCNO

NaCN+CO2=NaCNO+CO

氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。

4NaCNO=2NaCNO+Na2CO3+CO+2N

在較低溫時反應(yīng)如下：

5NaCNO=3NaCNO+Na2CO3+CO2+2N

生成的CO及N與Fe反應(yīng)而進行滲碳及氮化。

Fe+2CO={Fe-C}+CO2

Fe+N={Fe-C}

一般用的滲碳劑是在中添加碳酸鈉（Na2CO3）、氯化鋇（BaCl2）、氯化鈉（NaCl）等，比起NaCN單鹽，表面碳濃度低，擴散層增加，900℃時的碳濃度最高，這是由于鋇鹽的促進作用大，而且熔點變高，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?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。