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渗碳

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现代的渗碳炉
现代的渗碳炉

渗碳(Carburizing[1]、carburising、carburization)是热处理方式,让铁或钢在富含碳的材料中(例如木炭一氧化碳中)加热,使碳吸收到金属中。渗碳的目的是使金属表面更硬,依照渗碳温度及时间的不同,其影响的区域含碳量也会不同。渗碳时间越长,温度越高,会使得碳渗透的深度变深。当淬火快速冷却时,外层高含碳量的部位会由奥氏体变质为马氏体,因此表面会变硬,而其内部仍维持较软且较坚韧的铁素体或(及)珠光体微结构英语microstructure[2]

渗碳制程的特点有以下几点:应用在低含碳的工件上,工件会和高含碳的气体、液体或固体接触,之后会产生硬的工件表面,而工件内部仍维持韧性延展性,其表面硬化的深度可以到0.25英寸(6.4毫米)。有时渗碳制程可以补救在之前加工时不希望出现的脱碳英语decarburization情形。

方法

钢的渗碳是指在有高含碳物质的条件下,对金属表面进行热处理[3],渗碳可以增加低碳钢的表面硬度[3]

早期的渗碳会直接用木炭包裹在要处理的工件上(当时用此方式进行表面硬化),而现代的技术使用含碳的气体或是等离子(例如二氧化碳甲烷),渗碳主要和炉内气体的组成以及炉内温度有关,因为热也会影响工件其他部分的微组织,因此需要小心控制。若是需要精密的控制气体组成,可以在很低压下,甚至是真空中进行渗碳。

等离子渗碳的应用已越来越多,可以改善许多金属的工件表面特性(例如抗磨损、抗腐蚀能力、硬度、荷载能力,以及一些和品质相关的参数),最典型的是应用在不锈钢上。相较于气体渗碳或固体渗碳,此制程对环境很友善。因为等离子可以穿透孔洞以及很小的缝隙,因此也可以用来处理复杂几何形状的工件,因此在零件的处理上有很大的弹性。

渗碳制程作用的原理是靠碳原子扩散到金属的表层内,金属的结构是由金属原子组成的晶体结构,碳原子可以扩散到金属结构中,可能溶解在金属晶体内,形成固溶体(多半是发生在低温),或是和金属反应,形成金属碳化物(多半是发生在高温)。若碳原子是在固溶体中,之后可以将金属加热,以硬化金属。这两种机制都可以强化金属的表面,前者会形成珠光体或是马氏体,后者会形成碳化物,这些都是坚硬耐蚀的材料。

气体渗碳一般会在900至950 °C之间进行。

氧炔焊中,碳化熖是氧气含量较少的火熖,会产生有煤烟的低温熖。碳化熖常用在金属的退火上,使其在焊接时有展性,及可挠性。

在工件渗碳时的主要目的是让工件表面和含碳物质设法有最大面积的接触,在气体渗碳及液体渗碳中,工件会放在网架上或是用线吊着。若是和固态碳的包裹渗碳,工件和木炭会放在容器中,并且维持最大面积的接触。包裹渗碳(pack carburizing)的容器一般会用碳钢制成,并且镀铝,或是其他耐热的镍铬合金,并且用耐火粘土封住所有的开口。

渗碳材料

有许多富含碳,可以用在渗碳上的材料。典型的有一氧化碳(CO)、氰化钠碳酸钡或是硬质炭。若是气态渗碳,会用丙烷天然气来提供一氧化碳。若是液态渗碳,一氧化碳会从由氰化钠和氯化钡(BaCl2)组成的熔盐中产生。若是包裹渗碳,会由硬质炭提供一氧化碳。

工件的几何要求

有许多工件都可以渗碳,意思是在几何外形上几乎没有限制。不过若有非匀质的工件,或是非对称截面的工件,需要详细的设计及估算,不同的截面可能会有不同的冷却速率,造成材料过多的应力,使材料破裂[4]

尺寸变化

在本质上不太可能有工件在渗碳的尺寸完全没有变化。变化的量视工件材料、渗碳的方式、工件的原始尺寸及形状而定。相较于其他热处理,渗碳的尺寸变化不大[4]

材料性质的变化[4]
工件性质 渗碳的效果
机械
  • 增加表面硬度
  • 增加抗磨性
  • 增加疲劳强度及抗张强度
物理
  • 可能会有晶粒的成长
  • 可能会有尺寸的变化
化学
  • 增加表面的含碳量

工件材质

一般而言会渗碳的材料是初始含碳量在0.2%至0.3%的低碳钢或合金钢。工件表面需要清除油污、氧化物或是碱性溶液的污染物,这些污染物会让碳无法渗入到工件的表面[4]

不同渗碳方法的比较

一般而言,包裹渗碳设备可以比液态渗碳或气态渗碳要处理更大型的工件,但液态渗碳、气态渗碳的速度更快,可以进行机械化的材料处理。渗碳相较于渗碳氮化的优点是影响的深度可以比较深(可以到0.3吋甚至更大)、扭曲量较小、冲击强度较大。因此适用于高强度及需耐磨损的应用(例如剪刀或是剑)。其缺点是费用、加工温度较高、以及加工时间较长等[4]

设备选择

一般来说,气体渗碳用在较大的工件上。液体渗碳用在小型或是中型的的工件。包裹渗碳可以用在大工件,或是将小工件批量集中处理。真空渗碳(低压渗碳或是天然气渗碳)配合油淬火或高压气体淬火(HPGQ)结合使用,可以用在许多不同的工件,依工件中的合金元素而定[4]

相关条目

参考资料

  1. ^ Carburizing of Steel. The Free Dictionary By Farlex. [2012-05-25]. (原始内容存档于2011-08-31). 
  2. ^ Oberg, E., Jones, F., and Ryffel, H. (1989) Machinery's Handbook 23rd Edition. New York: Industrial Press Inc.
  3. ^ 3.0 3.1 Low-carbon steels. efunda. [2012-05-25]. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Robert H. Todd, Dell K. Allen and Leo Alting Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc., 1994. pp. 421–426

延伸阅读

  • Geoffrey Parrish, Carburizing: Microstructures and Properties. ASM International. 1999. pg 11

外部链接

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