渗碳处理技术

　　渗碳硬化乃表面硬化法之一种，属於化学表面硬化法。渗碳者先於钢之表面產生初生态之碳，而后使之渗入钢之表面层，逐渐扩散入内部。初生态之碳乃由CO或CH4等气体分解而得。CO之来源或由含有CO之气体得之，或由固体渗碳剂之反应而產生於渗碳容器内，或者由含有氰化物之盐浴得之。初生态之碳由钢之表面扩散入内部时，钢之温度须增高至沃斯田铁化温层范围内，使初生态之碳埂於扩散，盖沃斯田铁可溶解较多之〞C〞而肥粒铁则溶解力极小，故渗碳温度必须在Ac3要以上之温度。以便渗碳作用得以进行。再配合各种热处理法，使得钢之去面生成高碳硬化心部低碳之低硬度层。使处理供具有表面硬而耐磨，心部韧而耐衝击之性质。

 

一、渗碳处理之种类与特点：

　　（一）渗碳法之种类

　　渗碳法按使用之渗碳剂而可分為如下三大类：

　　（1） 固体渗碳法：以木炭為主剂的渗碳法。

　　（2） 液体渗碳法：以氰化钠（NaCN）為主剂之渗碳法。

　　（3） 气体渗碳法：以天然气、丙烷、丁烷等气体為主剂的渗碳法。

　　（二）渗碳法之比较

　　（1）固体渗碳法

　　长处：

　　（a）设备费便宜，操作简单，不需高度技术。

　　（b）加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油。

　　（c）大小工件均适，尤其对大形或需原渗碳层者有利。

　　（d）适合多种少量生產。

　　短处：

　　（a）渗碳深度及表面碳浓度不易正确调节，有过剩渗碳的倾向。处理件变形大。

　　（b）渗碳终了时，不易直接淬火，需再加热。

　　（c）作业环境不良，作业人员多。

　　（2）液体渗碳法

　　长处：

　　（a）适中小量生產。设备费便宜。不需高度技术。

　　（b）容易均热、急速加热，可直接淬火。

　　（c）适小件、薄渗碳层处理件。

　　（d）渗碳均匀，表面光辉状态。

　　短处：

　　（a）不适於大形处理件的深渗碳。

　　（b）盐浴组成易变动，管理上麻烦。

　　（c）有毒、排气或公害问题应有对策。

　　（d）处理后，表面附著盐类不易洗净，易生锈。

　　（e）难以防止渗碳。有喷溅危险。

　　（3）气体渗碳法

　　长处：

　　（a）适於大量生產。

　　（b）表面碳浓度可以调节。

　　（c）瓦斯流量、温度、时间容易自动化，容易管理。

　　短处：

　　（a）设备费昂贵。

　　（b）处理量少时成本高。

　　（c）需要专门作业知识。

　　二、固体渗碳法：

　　将表面渗碳钢作成的工件，连同渗碳剂装入渗碳箱而密闭，装入加热炉，加热成沃斯田铁状态，使碳从钢表面侵入而扩散，处理一定时间后，连同渗碳箱冷却，只取出渗碳处理工件，进行一次淬火、二次淬火、施行回火。

　　此固体渗碳在渗碳法中歷史最老，不适於连续处理大量工件，作业环境不良，已有衰退倾向，不过炉及其他设备也较简单，多种少量的处理也较方便，不至於完全绝跡。

　　固体渗碳的渗碳机构以气体渗碳為基础，亦即箱内的固体渗碳剂与箱内空气中的氧反应，成為二氧化碳（CO2），CO2再与碳反应，生成一氧化碳（CO）。

　　C + O2 = CO2 （1）

　　C + CO2 = 2 CO （2）

　　CO在钢表面分解，析出碳〔C〕。

　　2 CO =〔C〕+ CO2 （3）

　　〔C〕异於普通的碳，此种在钢表面分解的原子状碳（atomic Carbon）即称為活性碳或初生态碳（nascent Carbon）的活性强的碳，本讲义表成〔C〕；另一方面，钢材表面副生的CO2再在固体渗碳剂表面依（2）式生成CO，依（3）式分解而析出〔C〕，此反应连续反覆进行，碳从钢材表面侵入扩散，而渗碳。

　　前述反应与铁（Fe）组合成渗碳反应。

　　Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 （4）

　　渗碳用之碳素，如以渗碳性之强度顺序列之，可排如木炭、焦炭、石墨、骨炭。通常使用木炭為主剂，再添加若干渗碳促进剂。一般以硷金属的碳酸盐為促进剂，碳酸盐中的碳酸鋰（LiCO3）、碳酸鍶（Sr CO3）、碳酸钾（K CO3）、的促进能大，但昂贵，工业上採用碳酸钡（Ba CO3）、碳酸钠（Na2 CO3）為多。　　虽促进能不如，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為渗碳剂。

　　固体渗碳处理程序下：

　　先将处理工件去锈，脱脂以适当的间隔（20～25㎜以上）排列於渗碳箱中，周围填围渗碳剂，加盖以粘土封密装入箱式炉，坑式炉也可用。加热保持一定时间。

　　在炉中经过所定后，在炉内徐冷或者由炉中拖出空冷，后进行热处理。

　　渗碳钢的表面為高碳钢，心部為低碳钢，有必要施行适用各部份的硬化处理，一般籍一次淬火将心部组织微细化，其次藉二次淬火将渗碳层硬化，最后藉回火使硬化层的组织安定化。

　　但依钢材的种类及使用目的而有适当的热处理，镍铬钢、镍铬鉬钢等的结晶粒粗大化少，未必要一次淬火，渗碳后实施球状化退火者已达一次淬火的目的，亦无此必要；一次淬火的淬火温度高，变形大，容易脆裂，要尽量避免；渗碳层浅的小工件通常省略一次淬火。

　　二次淬火后，施行回火，消除应力，赋予韧性、分解残留沃斯田铁，防止时效变形，要求高硬度者在150℃以下长时回火，忌讳时效变形者，可在稍高的180～200℃回火。

　　三、液体渗碳法：

　　液体渗碳法為将工作件浸渍於盐浴中行渗碳之方法。因盐浴之淬火性良好，因此可减少工作件之变形，并可使处理件加热均匀。升温迅速，操作简便，便於多种少量的生產。尤其在同一炉，可同时处理不同渗碳深度的处理件。

　　液体渗碳是以氰化钠（NaCN）為主成分，所以同时能渗碳亦能氰化，所以亦称為渗碳氮化（Carbonitriding），有时亦称為氰化法（Cyaniding）。处理温度约以700℃界，此温度以下以氮化為主，

 

渗碳為辅，700℃以上则渗碳為主，氮化為辅，氮化之影响极低。一般工业上使用时，係以渗碳作用為主。

　　液体渗碳法虽硬化层薄，但渗碳时间短，故内部应力较少，同时因C、N同时惨入，所以耐磨性佳。

　　液体渗碳反应是利用氰化物（NaCN）分解，先在浴面与空气中的氧、水分、二氧化碳反应变成氰酸盐。

　　2 NaCN + O2 = 2 NaCNO （1）

　　NaCN + CO2 = NaCNO + CO （2）

　　氰酸盐在高温分解生成CO或N。

　　4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N （3）

　　在较低温时反应如下：

　　5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N （4）

　　生成的CO及N与Fe反应而进行渗碳及氮化。

　　Fe + 2 CO = { Fe - C }+ CO2 （5）

　　Fe + N = { Fe - C } （6）

　　一般用的渗碳剂是在中添加碳酸钠（Na2 CO3）、氯化钡（Ba Cl2）、氯化钠（Na Cl2）等，比起NaCN单盐，表面碳浓度低，扩散层增加，900℃时的碳浓度最高，这是由於钡盐的促进作用大，而且熔点变高，浴的粘性也增加，影响渗碳作用。

　　渗碳盐浴的容器通常使用软铁、镍铬钢、耐热钢，不过，氧化侵蚀很激烈，施行渗铝防锈法可延长寿命；容器形状宜是内容积大、表面积小、接触空气的面少，蒸发挥散量也少，但是容器的上部与下部渗碳力不同，所以要注意盐浴搅拌。

　　与渗碳处理的零件安装於适当的夹具，预热到200～500℃后浸入盐中，尽量防止盐浴温度降低及热变形。

　　浴底堆积很多氧化物，处理品接触它时会变形，所以须预先调节夹具，使处理品与浴底之间有充分的餘裕。

　　如前所述，NaCN会随熔融时间而劣化，渗碳能降低，所以作业中要定期分析CN，CN不够时，添加指定的补给剂，保持渗碳能在前面所述的钢箔试验可简易试出渗碳能，因NaCN有吸湿性，若将含有水分的补给剂投入加热浴中，则会溅散，须利用炉的隔热壁乾燥。

　　渗碳终了后可直接淬火，不过渗碳温度高时，可先浸入保持淬火温度的中性盐浴中，然后淬火。表6-1為各种淬火方法之比较。

　　回火係去除淬火时发生之残留应力。且将之部分之残留沃斯田铁变為麻田散铁。温度过高则硬度会降低，一般以150～200℃為最适宜。　　　　　　　

　　表6-1 液体渗碳后之淬火法

　　旧 方 法 新 方 法 

　　A 法 液体渗碳后冷却至室温，然后再加热至800℃淬火於水中。 液体渗碳后淬火於500～600℃之浴中，然后速即加热至800℃淬火於水中。

　　B 法（高合金钢）液体渗碳后冷却至室温，在650℃作中间退火，再加热至800℃后水冷。 同 上

　　C 法 二次淬火法Case，Corc之调质硬化。 液体渗碳后淬火於500～600℃之热浴中再加热至900℃，然后再次淬火於500～600℃之热浴中，最后再次加热至800℃后水淬火之。

　　四、气体渗碳法：

　　气体渗碳，由於适合大量生產化，作业可以简化，品质管制容易算特点，目前最普遍被採用。此法有变成气体（或称发生气体）及滴注式之两种。

　　变成气体方式之方法是将碳化气体（C4H10，C3H8，CH4等）和空气相混合后送入变成炉（Gas generator），在炉内1000～1100℃之高温下，使碳化氢和空气反应而生成所谓变成气体（Converted 

 

Gas），由变成炉所生成的气体有各种称呼，本文方便上叫做变成气体。变成气体以CO、H2、N2，為主成份，内含微量CO2、H2O、CH4，然后将此气体送进无外气洩入的加热炉内施行渗碳。渗碳时，因所需的渗碳浓度不同，在变成气体内添加适当量的C4H10、C3H8、CH4等以便调渗碳浓度。

　　气体渗碳有关的反应如下所示：

　　2CO =〔C〕+ CO2 （1）

　　CO + H2 =〔C〕+ H2O （2）

　　CH4 =〔C〕+ 2 H2 （3）

　　C2H6 =〔C〕+ CH4 + H2 （4）

　　C3H8 =〔C〕+ C2H6 + H2 （5）

　　此处析出的碳為活性碳〔C〕，此碳渗入钢中扩散而渗碳。

　　高级碳化氢以式（4）、（5）的反应依序分解，成為低级碳化氢，最后成為CH4，进行式（3）的分解，式（4）、（5）的分解速度比式（3）快。

　　这些反应还会引起下示的副反应

　　H2 + CO2 = CO + H2O （6）

　　CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 （7）

　　CH4 + H2O = CO + 3 H2 （8）

　　以上為气体渗碳的基本反应。

　　进行气体渗碳时，需要前述的气体变成炉、处理炉及其他附属设备，都属於气密式炉体，炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。

　　在变成炉变成的渗碳性气体，以对应於处理目的的气体组成或露点的气体导入处理炉。

　　此气体参与钢的渗碳，会副生CO2，减低渗碳性，為了从钢材表面除去CO2，有必要以某速度以上使渗碳性气体流动，调节气体流量，使炉内气体每1小时置换5～10次，又為了防止炉外的氧化性气体混入，炉内压力要保持稍高於1气体。

　　取出、装入处理品之际，要实施火陷帘，防止空气混入，免得爆炸。

　　渗碳终了后进行淬火，不过渗碳温度当作淬火温度时太高的话，可降低气体的碳位，降低炉温，成為淬火适温后淬冷。

　　淬火用油若不适当，则即使在炉内為光辉状态，淬入油中时也会氧化著色，达不到光辉处理的目的；淬火油阻害光辉性的因子有油的氧化、残留碳、硫量等油的性状或直接与组成有关者，或微量的水分及空气混入的活，也会降低光辉度。

　　气体渗碳后降低温度至800℃以后直接淬火於水或油中，此时若使用麻淬火之处理则可减少淬火变形，又气体渗碳后之组织，其表皮含碳浓度与芯部含碳量之间有显著之差异，所以渗碳后须施以扩散退火（900～950℃），此后在800℃淬火之，淬火后必须在150～180℃施以低温回火。

　　渗碳后之热处理一般依渗碳温度而分為二种：

　　（1） 渗碳温度在钢件原含碳量之Ac3上方时，渗碳后中心部份之组织变成微细，表皮则為粗大，此时热处理只须将表皮之粗大晶粒处理成微细晶粒即可，故将渗碳后之钢件，加热至A1稍上方（780℃附近）淬火即可。

　　（2） 若渗碳温度在Ac3上方甚高温度处，则中心部晶粒亦成為粗大，此时须经二次热处理。

　　第1次淬火之目的在於使未被渗碳之心部组织微细化，即加热至Ac3上起沃斯田铁变态，而结晶粒刚微细化时淬火之，故温度较高。同时在此温度下，渗碳层之高碳部份的网状雪明碳铁可固熔於沃斯田铁，所以淬火后不再有网状雪明碳铁存在。

　　但是此淬火温度，作為渗碳层之淬火温度未免过高，必须再一次在较低之温度作第二次淬火。此温度对於渗碳层而言，相当於A1与Acm之间约760℃附近，故经第二次淬火之铲，渗碳表面层為麻田散铁，基地中有许多球状碳化物存在，故耐磨性高。

　　回火係去除淬火时发生之残留应力，且将一部份之残留沃斯田铁变為麻田散铁。温度过高则硬度会降低，普通以150～200℃為最适宜。

　　若须较高之硬度时，则宜在100～170℃回火，若须韧性时，则宜在400℃以上，Ac1以下回火之，则得回火糙斑铁组织。

　　五、气体渗碳氮化法：

　　气体渗碳氮化时，渗碳和渗氮作用同时行。气体渗碳用的气体渗碳用的气体用来產生渗碳作用，而NH3气体用產生渗氮作用。气体渗碳氮化温度為704～900℃，其处理时间比气体渗碳法短，得较薄的硬化层，所得渗碳氮化结果类似於液体渗碳氮化所得者。

　　处理层的硬化能，比由渗碳所得的渗碳层好，所以把渗碳氮化和淬火适当配合时，碳钢或低合金钢也可以得到十分安定的高硬度硬化层。由此法所得的硬化层深度為0.07～0.75㎜。淬火时可採用油淬火，有时可实施气体淬火来防止淬火变形而仍能得到高的表面硬度。

　　渗碳氮化所使用的钢由以低碳构造用钢和低合金构造用钢為主，其主要目的是改善耐磨性。假如同时要满足耐荷重性和耐磨性，首先渗碳1.5～1.8㎜，其次实施渗碳氮化，然后加以油淬火。

　　气体渗碳氮化层因為含有N，其回火软化抵抗性大，所以回火温度要比气体渗碳淬火者高。通常回火於190～210℃时，表面硬度為HRC58以上。