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1、滲碳工藝講師:時間:主要內(nèi)容主要內(nèi)容滲碳的目的和應用范圍滲碳的目的和應用范圍3 1滲碳的基本過程滲碳的基本過程2滲碳方法滲碳方法3滲碳層成分、組織和厚度滲碳層成分、組織和厚度4滲碳后的熱處理滲碳后的熱處理5相關字母定義相關字母定義6一、滲碳的目的和應用范圍一、滲碳的目的和應用范圍定義定義滲碳:滲碳:將鋼件置于具有足夠碳勢的介質中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫,使其表層形成一個富碳層的熱處理工藝。碳勢:碳勢:純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時達到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時的表面含碳量。 主要目的主要目的:是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度,同時保持心部具有一定強度和良好的塑性與韌性。 應用范

2、圍應用范圍:在機器制造業(yè)中,有許多重要零件,如汽車變速箱齒輪、活塞銷、摩擦片等??梢詽B碳的鋼一般是碳的質量分數(shù)為0.1%-0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。經(jīng)滲碳的機車經(jīng)滲碳的機車從動齒輪從動齒輪滲碳屬于化學熱處理的一種滲碳屬于化學熱處理的一種常用的化學熱處理:常用的化學熱處理:滲碳、滲氮(俗稱氮化)、碳氮共滲(俗稱氰滲碳、滲氮(俗稱氮化)、碳氮共滲(俗稱氰化和軟氮化)等?;蛙浀┑取;瘜W熱處理過程包括化學熱處理過程包括分解、吸收、擴散分解、吸收、擴散三個基三個基本過程。本過程。以氣體滲碳為例:以氣體滲碳為例: 于沃斯

3、田鐵于沃斯田鐵化溫度下,由一氧化碳化溫度下,由一氧化碳(CO)(CO)或或甲烷甲烷(CH(CH4 4) )氣體氣體分解得到的碳分解得到的碳(C)(C),滲入鋼鐵滲入鋼鐵(Fe)(Fe)表面,表面,經(jīng)過一段時間逐漸擴散向內(nèi)層經(jīng)過一段時間逐漸擴散向內(nèi)層。反應式反應式如下:如下:2CO + Fe Fe2CO + Fe Fe【C C】(活性碳活性碳)+ CO+ CO2 2 或或CHCH4 4 + Fe Fe + Fe Fe【C C】(活性碳活性碳) + 2H+ 2H2 2 滲碳過程中滲碳過程中,若二氧化碳,若二氧化碳(CO(CO2 2) )或或氫氫(H(H2 2) )濃度過高濃度過高,則,則反應反應向

4、左向左()(),變成脫碳變成脫碳,欲繼續(xù)滲碳欲繼續(xù)滲碳,則則要要增加增加COCO或或CHCH4 4的的濃度濃度。n介質介質(滲劑滲劑)的分解的分解: 分解的同時釋放出活性原子分解的同時釋放出活性原子。n工件表面的吸收工件表面的吸收: 碳原子與鋼中某些元素形成化合物。碳原子與鋼中某些元素形成化合物。n碳原子向內(nèi)部擴散。碳原子向內(nèi)部擴散。 氮化擴散層氮化擴散層二、滲碳的基本過程二、滲碳的基本過程氣體滲碳氣體滲碳法示意圖法示意圖n根據(jù)滲碳劑的不同,滲碳方法可分為根據(jù)滲碳劑的不同,滲碳方法可分為氣體滲碳氣體滲碳、固體滲碳固體滲碳和和液體滲碳液體滲碳。 氣體滲碳法氣體滲碳法將工件放入密封爐內(nèi),在高溫滲碳

5、氣氛中滲碳。將工件放入密封爐內(nèi),在高溫滲碳氣氛中滲碳。n氣體滲碳,由于適合大量生產(chǎn)化,作業(yè)可以簡化,品質管制容易算特點,目前最普遍被采用。此法有變成氣體(或稱發(fā)生氣體)及滴注式之兩種。n 變成氣體方式之方法是將碳化氣體(C4H10,C3H8,CH4等)和空氣相混合后送入變成爐(Gas generator),在爐內(nèi)10001100之高溫下,使碳化氫和空氣反應而生成所謂變成氣體(Converted Gas),由變成爐所生成的氣體有各種稱呼,本文方便上叫做變成氣體。變成氣體以CO、H2、N2,為主成份,內(nèi)含微量CO2、H2O、CH4,然后將此氣體送進無外氣泄入的加熱爐內(nèi)施行滲碳。滲碳時,因所需的滲碳

6、濃度不同,在變成氣體內(nèi)添加適當量的C4H10 、 C3H8 、CH4等以便調滲碳濃度。n滲碳劑滲碳劑:氣體氣體 (煤氣、液化氣等煤氣、液化氣等)或有機液體或有機液體(煤煤油、甲醇等油、甲醇等)。三、滲碳方法三、滲碳方法滲碳反應式滲碳反應式n氣體滲碳有關的反應如下所示:n 2CO =C+ CO2 (1)n CO + H2 =C+ H2O (2)n CH4 =C+ 2 H2 (3)n C2H6 =C+ CH4 + H2 (4)n C3H8 =C+ C2H6 + H2 (5)n 此處析出的碳為活性碳C,此碳滲入鋼中擴散而滲碳。n 高級碳化氫以式(4)、(5)的反應依序分解,成為低級碳化氫,最后成為C

7、H4,進行式(3)的分解,式(4)、(5)的分解速度比式(3)快。n 這些反應還會引起下示的副反應n H2 + CO2 = CO + H2O (6) n CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 (7)n CH4 + H2O = CO + 3 H2 (8)n 以上為氣體滲碳的基本反應。n前述反應與鐵(Fe)組合成滲碳反應。2CO + Fe Fe2CO + Fe Fe【C C】(活性碳活性碳)+ CO+ CO2 2 或或CHCH4 4 + Fe Fe + Fe Fe【C C】(活性碳活性碳) + 2H+ 2H2 2n優(yōu)點優(yōu)點: 質量好質量好, 效率高;效率高;n缺點缺點: 滲層成分與深度不易

8、控制滲層成分與深度不易控制 固體滲碳法固體滲碳法 固體滲碳是將工件置于填滿木炭固體滲碳是將工件置于填滿木炭(90%(90%左右左右) )和促進劑和促進劑(BaCO3(BaCO3、 CaCO3 CaCO3或或 Na2CO3 Na2CO3等等)(10%)(10%左右左右) )的固體滲碳箱內(nèi)進行的滲碳的固體滲碳箱內(nèi)進行的滲碳方法方法 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,不適於連續(xù)處理大量工件,作業(yè)環(huán)境不良,已有衰

9、退傾向,不過爐及其他設備也較簡單,多種少量的處理也較方便,不至於完全絕跡。 滲碳劑滲碳劑:木炭:木炭為主為主,另一部分,另一部分為促進劑(為促進劑(碳酸鋇碳酸鋇BaCOBaCO3 3: :碳酸鈉碳酸鈉NaNa2 2COCO3 3 約約4 4:1)1)圖1固體滲碳箱1滲碳劑2工件3箱體46mm鐵板4泥封5試棒?10mm6蓋:鐵板厚68mm滲碳反應式滲碳反應式n固體滲碳的滲碳機構以氣體滲碳為基礎,亦即箱內(nèi)的固體滲碳劑與箱內(nèi)空氣中的氧反應,成為二氧化碳(CO2), CO2再與碳反應,生成一氧化碳(CO)。 n C + O2 = CO2 (1)n C + CO2 = 2 CO (2)n CO在鋼表面分

10、解,析出碳C。n 2 CO =C+ CO2 (3)n C異於普通的碳,此種在鋼表面分解的原子狀碳(atomic Carbon)即稱為活性碳或初生態(tài)碳(nascent Carbon)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,此反應連續(xù)反覆進行,碳從鋼材表面侵入擴散,而滲碳。n 前述反應與鐵(Fe)組合成滲碳反應。n Fe + 2 CO = Fe - C + CO2 (4) n優(yōu)點:操作簡單;優(yōu)點:操作簡單;n缺點:滲速慢,勞動條件差缺點:滲速慢,勞動條件差 液體滲碳法液體滲碳法液體滲碳是以氰化鈉氰化鈉(NaCN)為主成

11、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)部應力較少,同時因C、N同時慘入,所以耐磨性佳。滲碳劑滲碳劑:氰化鈉氰化鈉(NaCN)為主,一般用的滲碳劑是在中添加碳酸鈉(Na2 CO3)、氯化鋇(Ba Cl2)、氯化鈉(Na Cl2)等圖2井式氣體滲碳爐1風扇電動機2廢氣火焰3爐蓋4砂封5電阻絲 6耐熱罐7工件8爐體滲碳反應式滲碳反應式n 液體滲

12、碳反應是利用氰化物(NaCN)分解,先在浴面與空氣中的氧、水分、二氧化碳反應變成氰酸鹽。n2 NaCN + O2 = 2 NaCNO (1)nNaCN + CO2 = NaCNO + CO (2)n氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。n4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N (3)n在較低溫時反應如下:n5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N (4)n生成的CO及N與Fe反應而進行滲碳及氮化。nFe + 2 CO = Fe - C + CO2 (5)nFe + N = Fe - C (6)n 優(yōu)點優(yōu)點:液體滲碳技術滲層性能優(yōu)良

13、,工藝簡單,采用無毒低氰滲劑容易操作,且對人體危害小,可以廣泛的得到推廣與應用滲碳視頻欣賞以氣體滲碳為例:氣體滲碳工藝流程_標清.flvn滲碳溫度:滲碳溫度:900-950 n滲碳層厚度滲碳層厚度(由表面到過渡層一半處的厚度):(由表面到過渡層一半處的厚度): 低碳鋼滲碳緩冷后的組織低碳鋼滲碳緩冷后的組織l滲碳層表面含碳量:滲碳層表面含碳量:以以0.85%-1. 05%為最好。為最好。l滲碳緩冷后組織:滲碳緩冷后組織:表層表層為為P(珠光體)(珠光體)+網(wǎng)狀網(wǎng)狀Fe3C(二次滲碳體)(二次滲碳體); 心部心部為為F(鐵素體)(鐵素體)+P(珠(珠光體)光體); 中間為過渡區(qū)。中間為過渡區(qū)。四、

14、四、 滲碳層成分、組織和厚度滲碳層成分、組織和厚度n淬火淬火+低溫回火低溫回火, 回火溫度為回火溫度為160-180。淬火方法有:淬火方法有:n 預冷淬火法預冷淬火法n滲碳后預冷到略高于滲碳后預冷到略高于Ar1溫度直接淬火。溫度直接淬火。滲碳后的熱處理示意圖滲碳后的熱處理示意圖五、滲碳后的熱處理五、滲碳后的熱處理n一次淬火法一次淬火法:即滲碳緩冷后重新加熱淬火。:即滲碳緩冷后重新加熱淬火。n 二次淬火法:二次淬火法:n即滲碳緩冷后即滲碳緩冷后第一次加熱為心部第一次加熱為心部Ac3+30-50,細化心部細化心部;第二次加熱為第二次加熱為Ac1+30-50,細化表層細化表層。 滲碳后的熱處理示意圖

15、滲碳后的熱處理示意圖n常用方法是滲碳緩冷后,重新加熱到常用方法是滲碳緩冷后,重新加熱到Ac1+30-50淬火淬火+低低溫回火。溫回火。此時組織為:此時組織為:n表層:表層:M回回+顆粒狀碳化物顆粒狀碳化物+A(少量少量)n心部:心部:M回回+F(淬透時)(淬透時)滲碳淬火后的表層組織滲碳淬火后的表層組織M+FnF鐵素體(相),鐵原子呈體心立方排列(通常晶格間隙會固溶部分碳原子),在金相中通常呈白色。nP珠光體(組織),鐵素體和滲碳體的混合組織,通常兩者呈片 層交替分布,在金相中通常呈黑色。nM馬氏體nB貝氏體nAc1: 加熱時珠光體向奧氏體轉變的開始溫度。nAr1 冷卻時奧氏體向珠光體轉變的開始溫度。nAc3 加熱時2鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的終了溫度。nAr3 冷卻時奧氏體開始析出自由鐵素體的溫度。nAccm 加熱時二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度。nArcm 冷卻時奧氏體開始析出滲碳體的溫度。六、相關字母定義六、相關字母定義滲氮與滲碳相比:滲氮與滲碳相比:u滲氮層硬度和

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