20钢固体渗碳工艺研究

毕业论文中文摘要20 钢固体渗碳工艺研究摘要：伴随着社会的发展进步，机械设备日趋小型化和高性能化，这就强烈地要求机械零件具有更高的力学性能和良好的可靠性。本文研究了 20 钢表面渗碳的工艺。旨在通过对 20 钢固体渗碳的方法，来增强 20 钢的综合力学性能和改善渗碳层的组织和性能，固体渗碳采用渗碳剂和工件加热到一定保温时间来实现工件表面渗碳的工艺过程。运用固体渗碳实验法来确定渗碳工艺的参数(渗碳温度、渗碳时间) 对渗碳层厚度的影响，从而确定合理的渗碳工艺路线。用光学显微镜、金相显微镜、显微硬度计等仪器和设备来观察渗层的组织和测试渗层的性能。实验研究了 20 钢淬火整体强化的热处理工艺，对金相组织，硬度的影响，结果显示，20 钢经不同的强韧化工艺整体强化后，性能有所差别。关键词：20 钢 渗碳表面强化 整体强化 力学性能毕业论文英文摘要Processing Research for Solid Carburization of the 20 steelABSTRACTWith the development of the society, the mechanical equipment became smaller and with more functions. So it is necessary for the machine part to be credible and with excellent mechanical properties.This paper is about the research on the surface carburizingprocess of the 20steel. The present paper is for the purpose of through to 20 steel solid carburizing method, strengthens 20 steel the comprehensive mechanics performance and the improvement carburizing level organization and the performance, the solid carburizing thecarburizing e medium and the work piece heats up to certain soaking time realizes the work piece surface carburizing technological process. Using the solid cucarburizing t-and-try method determined thecarburizing e craft the parameter carburizing temperature time, rare earth join quantity and chromium join quantity) to thecarburizing level thickness influence, thus determines the reasonable carburizing aft route. With instruments and the equipment and so on light microscope, metallography microscope,micro sclerometer observe infiltratethelevel theorganization and the test infiltrate the level the performance.The effect to the microstructure hardness, by direct hardening of 20steel was studied .Results indicate that the performance of 20steel are distinction with different technology.Keyword： 20steel carburizing case hardening direct hardening mechanical properties目 录1 绪论 .11.1 金属热处理 .11.1.1 金属热处理的定义 .11.1.2 金属热处理工艺 .11.1.3 金属热处理的分类 .11.2 化学热处理 .21.2.1 化学热处理的概念 .21.2.2 化学热处理的目的 .21.2.3 化学热处理的类别 .31.2.4 化学热处理的基本过程 .31.3 渗碳工艺 .41.3.1 渗碳的历史 .41.3.2 渗碳的原理 .41.3.3 渗碳的种类和特点 .51.3.4 三种渗碳方式的比较 .61.3.5 固体渗碳 .71.4 影响渗碳工件质量的因素 .111.5 渗碳处理的意义 .111.6 课题研究的内容 .112 20 钢固体渗碳的过程 .112.1 实验前的准备 .112.1.1 实验材料的选用 .112.1.2 渗碳方法的选择 .122.1.3 实验设备的选用 .122.1.4 渗碳工艺参数的确定 .152.1.5 实验试样的制备 .162.2 渗碳实验方案 .203 渗碳实验结果分析 .213.1 渗碳以后硬度的分析 .213.1.1 20 钢经不同热处理以后硬度的测定 .213.1.2 硬度的分析 .213.2 渗碳以后金相分析 .223.2.1 金相观察 .223.2.2 金相分析 .24结论 .26参考文献 .27致谢 .28- 1 -20 钢固体渗碳工艺研究1 绪论1.1 金属热处理1.1.1 金属热处理的定义金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。1.1.2 金属热处理工艺金 属 热 处 理 是 机 械 制 造 中 的 重 要 过 程 之 一 ， 与 其 他 加 工 工 艺 相 比 ， 热 处 理 一 般 不 改变 工 件 的 形 状 和 整 体 的 化 学 成 分 ， 而 是 通 过 改 变 工 件 内 部 的 显 微 组 织 ， 或 改 变 工 件表 面 的 化 学 成 分 ， 赋 予 或 改 善 工 件 的 使 用 性 能 。 其 特 点 是 改 善 工 件 的 内 在 质 量 ， 而这 一 般 不 是 肉 眼 所 能 看 到 的 ， 所 以 ， 它 是 机 械 制 造 中 的 特 殊 工 艺 过 程 ， 也 是 质 量 管理 的 重 要 环 节 。 为 使 金 属 工 件 具 有 所 需 要 的 力 学 性 能 、 物 理 性 能 和 化 学 性 能 ， 除 合 理 选 用 材料 和 各 种 成 形 工 艺 外 ， 热 处 理 工 艺 往 往 是 必 不 可 少 的 。 钢 铁 是 机 械 工 业 中 应 用 最 广的 材 料 ， 钢 铁 显 微 组 织 复 杂 ， 可 以 通 过 热 处 理 予 以 控 制 ， 所 以 钢 铁 的 热 处 理 是 金 属热 处 理 的 主 要 内 容 3。 另 外 ， 铝 、 铜 、 镁 、 钛 等 及 其 合 金 也 都 可 以 通 过 热 处 理 改 变其 力 学 、 物 理 和 化 学 性 能 ， 以 获 得 不 同 的 使 用 性 能1.1.3 金属热处理的分类金 属 热 处 理 工 艺 大 体 可 分 为 整 体 热 处 理 、 表 面 热 处 理 和 化 学 热 处 理 三 大 类 。1)整 体 热 处 理 是 对 工 件 整 体 加 热 ， 然 后 以 适 当 的 速 度 冷 却 ， 以 改 变 其 整 体 力 学性 能 的 金 属 热 处 理 工 艺 。 钢 铁 整 体 热 处 理 大 致 有 退 火 、 正 火 、 淬 火 和 回 火四 种 基 本 工 艺 。2)表 面 热 处 理 是 只 加 热 工 件 表 层 ， 以 改 变 其 表 层 力 学 性 能 的 金 属 热 处 理 工 艺 。为 了 只 加 热 工 件 表 层 而 不 使 过 多 的 热 量 传 入 工 件 内 部 ， 使 用 的 热 源 须 具 有- 2 -高 的 能 量 密 度 ， 即 在 单 位 面 积 的 工 件 上 给 予 较 大 的 热 能 ， 使 工 件 表 层 或 局部 能 短 时 或 瞬 时 达 到 高 温 。 表 面 热 处 理 的 主 要 方 法 有 火 焰 淬 火 和 感 应 加 热热 处 理 ， 常 用 的 热 源 有 氧 乙 炔 或 氧 丙 烷 等 火 焰 、 感 应 电 流 、 激 光 和 电 子 束等 。3)化 学 热 处 理 是 通 过 改 变 工 件 表 层 化 学 成 分 、 组 织 和 性 能 的 金 属 热 处 理 工 艺 。化 学 热 处 理 与 表 面 热 处 理 不 同 之 处 是 后 者 改 变 了 工 件 表 层 的 化 学 成 分 。 化学 热 处 理 是 将 工 件 放 在 含 碳 、 氮 或 其 他 合 金 元 素 的 介 质 (气 体 、 液 体 、 固体 )中 加 热 ， 保 温 较 长 时 间 ， 从 而 使 工 件 表 层 渗 入 碳 、 氮 、 硼 和 铬 等 元 素 。渗 入 元 素 后 ， 有 时 还 要 进 行 其 他 热 处 理 工 艺 如 淬 火 及 回 火 。 化 学 热 处 理 的主 要 方 法 有 渗 碳 、 渗 氮 、 渗 金 属 。1.2 化学热处理1.2.1 化学热处理的概念化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺 4。由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，表面层的性能尤为重要。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢，表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合，它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。1.2.2 化学热处理的目的1） 提 高 零 件 的 耐 磨 性 采 用 钢 件 渗 碳 淬 火 法 可 获 得 高 碳 马 氏 体 硬 化 层 2； 合金 钢 件 用 渗 氮 方 法 可 获 得 合 金 氮 化 物 的 弥 散 硬 化 表 层 。 用 这 两 种 方 法 获 得 的 钢 件 表面 硬 度 分 别 可 达 HRC58 62 及 HV800 1200。 另 一 途 径 是 在 钢 件 表 面 形 成 减 磨 、 抗粘 结 薄 膜 以 改 善 摩 擦 条 件 ， 同 样 可 提 高 耐 磨 性 。 例 如 ， 蒸 汽 处 理 表 面 产 生 四 氧 化 三铁 薄 膜 有 抗 粘 结 的 作 用 ;表 面 硫 化 获 得 硫 化 亚 铁 薄 膜 ,可 兼 有 减 磨 与 抗 粘 结 的 作 用 。近 年 来 发 展 起 来 的 多 元 共 渗 工 艺 ,如 氧 氮 渗 ， 硫 氮 共 渗 ， 碳 氮 硫 氧 硼 五 元 共 渗 等 ,能 同 时 形 成 高 硬 度 的 扩 散 层 与 抗 粘 或 减 磨 薄 膜 ， 有 效 地 提 高 零 件 的 耐 磨 性 ， 特 别 是抗 粘 结 磨 损 性 。 - 3 -2） 提 高 零 件 的 疲 劳 强 度 渗 碳 、 渗 氮 、 软 氮 化 和 碳 氮 共 渗 等 方 法 ， 都 可 使 钢 零件 在 表 面 强 化 的 同 时 ， 在 零 件 表 面 形 成 残 余 压 应 力 ， 有 效 地 提 高 零 件 的 疲 劳 强 度 。 3） 提 高 零 件 的 抗 蚀 性 与 抗 高 温 氧 化 性 例 如 ， 渗 氮 可 提 高 零 件 抗 大 气 腐 蚀 性 能 ；钢 件 渗 铝 、 渗 铬 、 渗 硅 后 ， 与 氧 或 腐 蚀 介 质 作 用 形 成 致 密 、 稳 定 的Al2O3、 Cr2O3、 SiO2 保 护 膜 ， 提 高 抗 蚀 性 及 高 温 抗 氧 化 性 。 通 常 ， 钢 件 硬 化 的 同 时 会 带 来 脆 化 。 用 表 面 硬 化 方 法 提 高 表 面 硬 度 时 ， 仍 能保 持 心 部 处 于 较 好 的 韧 性 状 态 ， 因 此 它 比 零 件 整 体 淬 火 硬 化 方 法 能 更 好 地 解 决 钢 件硬 化 与 其 韧 性 的 矛 盾 3。 化 学 热 处 理 使 钢 件 表 层 的 化 学 成 分 与 组 织 同 时 改 变 ， 因 此它 比 高 、 中 频 电 感 应 、 火 焰 淬 火 等 表 面 淬 火 硬 化 方 法 效 果 更 好 。 如 果 渗 入 元 素 选 择适 当 ， 可 获 得 适 应 零 件 多 种 性 能 要 求 的 表 面 层 。1.2.3 化学热处理的类别化 学 热 处 理 的 方 法 繁 多 ， 多 以 渗 入 元 素 或 形 成 的 化 合 物 来 命 名 ， 例 如 渗 碳 、 渗氮 、 渗 硼 、 渗 硫 、 渗 铝 、 渗 铬 、 渗 硅 、 碳 氮 共 渗 、 氧 氮 化 、 硫 氰 共 渗 和 碳 、 氮 、 硫 、氧 、 硼 五 元 共 渗 ， 及 碳 （ 氮 ） 化 钛 覆 盖 等 。 化 学 热 处 理 应 根 据 零 件 的 性 能 要 求 以及 工 艺 的 易 行 性 与 经 济 指 标 ， 合 理 地 选 用 工 艺 类 型 。 例 如 ， 渗 碳 与 渗 氮 可 提 高 零 件的 耐 磨 性 ； 但 渗 碳 是 在 高 温 (900 1000 )下 进 行 ,在 不 太 长 的 时 间 内 （ 6 10 小时 ） 可 获 得 可 观 的 渗 层 ,故 一 般 要 求 硬 化 层 较 深 (0.9 2.5mm)的 耐 磨 零 件 多 采 用 渗碳 处 理 ， 既 可 满 足 性 能 要 求 ， 又 较 经 济 。 当 零 件 尺 寸 变 形 要 求 很 严 时 ,采 用 低 温(500 600 )进 行 的 渗 氮 处 理 ,可 保 证 零 件 尺 寸 精 度 ； 但 渗 氮 层 增 厚 缓 慢 ， 渗 氮 时间 常 需 十 几 甚 至 几 十 个 小 时 ， 是 一 种 不 经 济 的 方 法 8。1.2.4 化学热处理的基本过程化 学 热 处 理 包 括 三 个 基 本 过 程 ， 即 化 学 渗 剂 分 解 为 活 性 原 子 或 离 子 的 分 解 过 程 ； 活 性 原 子 或 离 子 被 钢 件 表 面 吸 收 和 固 溶 的 吸 收 过 程 ； 被 渗 元 素 原 子 不 断 向 内部 扩 散 的 扩 散 过 程 。1.3 渗碳工艺1.3.1 渗碳的历史在各种表面硬化法中，渗碳的历史较久，是机械制造中广泛应用的一种化学热处- 4 -理工艺。渗碳法中，固体渗碳历史最长，自十八世纪中期就有应用 9，1910 年美国的煤气炉公司（Am. Gas. Furnace Co）在卧式回转炉中实现了渗碳 10。但是由于当时的渗碳气氛、渗碳机理、耐热钢和耐火材料等方面尚有许多未解决的问题，所以正式制造工业规模的渗碳炉并投使用是在 1925 年前后，其后做了许多改进，取得顺利发展，同时入渗碳操作走上进一步普及和进步的道路。渗碳工艺在中国可以上溯到 2000 年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在 20 世纪出现并得到广泛应用的。美国在 20 年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30 年代，连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60 年代高温(9601100)气体渗碳得到发展。至 70 年代，出现了真空渗碳和离子渗碳。1.3.2 渗碳的原理 渗碳与其他化学热处理一样,也包含分解、吸收、扩散 3 个基本过程。1） 分 解：含碳化合物的分解，形成活形碳原子(用C表示)：2CO CO 2 + C (一氧化碳) (二氧化碳) CH4 2H 2 + C (甲烷) (氢)2）吸附：活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加。3）扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差，表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度，同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。渗碳的结果取决于上述三个基本过程的关系。通过调整上述三个过程的关系，应满足如下主要的渗碳层质量的要求： 到达规定的渗碳层厚度(渗碳层厚度之计算，一般是从零件表层开始测量到过渡的二分之一处)。如渗碳层太薄时，在高负荷作用下，会使渗碳层压穿，如渗碳太厚，也将影响渗碳零件的抗冲击能力。渗碳表层含碳浓度应控制在 0.81.05%范围内。如含碳浓度过低(小于 0.8)，则达不到所要求的高硬度，高耐磨性。如果含碳浓度过高(大于 1.05%)，则过剩碳化物较- 5 -多，也使渗碳层强度，尤其是疲劳强度下降，特别当碳化物以针状或网状形式存在时由于马氏体被这些脆性组织所割裂，对渗碳层强度起着特别有害的影响。 含碳量沿深度的变化(也称浓度梯度)要和缓，表层和心部之间的过渡区无明显分界，以避免在使用过程中产生渗层剥落现象。 过共析、共析层应占整个渗碳层厚度的 6070，最低限度应不小于 50，这样，使淬火后得到大致均匀的硬度，也不妨碍对渗碳层的最后研磨。1.3.3 渗碳的种类和特点渗碳的种类按含碳介质的不同可分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳，碳氮共渗。1) 固体渗碳 所 用 的 渗 剂 是 具 有 一 定 粒 度 的 固 态 物 质 。 它 由 供 渗 剂 （ 如 渗 碳 时 的 木 炭 ） 、 催 渗 剂（ 如 渗 碳 时 的 碳 酸 盐 ） 及 填 料 （ 如 渗 铝 时 的 氧 化 铝 粉 ） 按 一 定 配 比 组 成 。 这 种 方 法较 简 便 ， 将 工 件 埋 入 填 满 渗 剂 的 铁 箱 内 并 密 封 ， 放 入 加 热 炉 内 加 热 保 温 至 规 定 的 时间 即 可 ， 但 质 量 不 易 控 制 ， 生 产 效 率 低 。2)液 体 渗 碳渗 剂 是 熔 融 的 盐 类 或 其 他 化 合 物 。 它 由 供 渗 剂 和 中 性 盐 组 成 。 为 了 加 速 化 学 热处 理 过 程 进 行 ， 附 加 电 解 装 置 后 成 为 电 解 液 体 渗 。 在 硼 砂 盐 浴 炉 内 渗 金 属 的 处 理 法是 近 年 发 展 起 来 的 工 艺 ， 主 要 应 用 于 钛 、 铬 、 钒 等 碳 化 物 形 成 元 素 的 渗 入 11。3)气 体 渗 碳所 用 渗 剂 的 原 始 状 态 可 以 是 气 体 ， 也 可 以 是 液 体 （ 如 渗 碳 时 用 煤 油 滴 入 炉 内 ） 。但 在 化 学 热 处 理 炉 内 均 为 气 态 。 对 所 用 渗 剂 要 求 能 易 于 分 解 为 活 性 原 子 ， 经 济 ， 易于 控 制 ， 无 污 染 ， 渗 层 具 有 较 好 性 能 。 很 多 情 况 下 可 用 其 他 气 体 （ 如 氢 、 氮 或 惰 性气 体 ） 将 渗 剂 载 入 炉 内 ； 例 如 渗 硼 时 可 用 氢 气 将 渗 剂 BCl3 或 B2H6 载 入 炉 内 。 等离 子 体 渗 法 是 气 体 渗 的 新 发 展 ,即 辉 光 离 子 气 渗 法 ;最 早 应 用 于 渗 氮 ， 后 来 被 应 用于 渗 碳 、 碳 氮 共 渗 、 硫 氮 共 渗 等 方 面 。 气 相 沉 积 法 也 是 一 种 气 渗 的 新 发 展 ， 主 要 应用 于 不 易 在 金 属 内 扩 散 的 元 素 （ 如 钛 、 钒 等 ） 。 主 要 特 点 是 气 态 原 子 沉 积 在 钢 件 表面 并 与 钢 中 的 碳 形 成 硬 度 极 高 的 碳 化 物 覆 盖 层 ， 或 与 铁 形 成 硼 化 物 等 。 气 体 渗 碳 适用 于 大 批 量 生 产 ， 易 于 控 制 质 量 和 自 动 化 ， 劳 动 条 件 好 。4)碳 氮 共 渗以 渗 碳 为 主 同 时 渗 入 氮 的 化 学 热 处 理 工 艺 。 共 渗 时 ， 加 到 气 体 渗 碳 气 氛 中 的 氨- 6 -分 解 成 氢 和 单 原 子 氮 ， 氮 与 来 自 渗 碳 气 体 的 碳 一 起 吸 附 在 工 件 的 表 面 上 。 由 于 氮 的同 时 渗 入 ， 铁 碳 的 共 析 转 变 温 度 可 以 降 低 ， 使 共 析 转 变 能 在 较 渗 碳 为 低 的 温 度 下 进行 ， 因 而 处 理 温 度 较 低 。 同 时 由 于 氮 的 作 用 ， 马 氏 体 临 界 冷 却 速 度 （ 见 淬 火 ） 也 得以 降 低 ,可 在 较 缓 和 的 淬 冷 介 质 中 淬 冷 ,减 小 淬 冷 畸 变 和 开 裂 的 倾 向 。 碳 氮 共 渗 层 中因 有 碳 氮 化 物 ， 能 提 高 硬 度 ， 从 而 提 高 耐 磨 性 。 金 属 工 件 表 面 的 碳 、 氮 含 量 和 总 的渗 层 深 度 ， 决 定 于 气 氛 中 的 碳 势 、 温 度 和 时 间 。 碳 氮 共 渗 层 深 度 较 渗 碳 的 浅 ， 一 般为 0.05 0.75 毫 米 。 碳 氮 共 渗 层 淬 冷 后 显 微 组 织 为 马 氏 体 、 残 余 奥 氏 体 、 碳 化 物和 碳 氮 化 合 物 ， 心 部 为 低 碳 马 氏 体 或 含 有 非 马 氏 体 组 织 。 对 载 荷 不 大 的 零 件 可 允 许有 少 量 铁 素 体 。 碳 氮 共 渗 工 件 的 材 料 一 般 采 用 低 碳 或 中 碳 钢 及 合 金 钢 ， 适 用 于 处 理耐 磨 零 件 和 小 汽 车 、 轻 型 载 重 车 变 速 箱 齿 轮 和 驱 动 轴 。 碳 氮 共 渗 和 渗 碳 一 样 ， 也 可以 控 制 碳 势 ， 处 理 后 也 要 进 行 淬 火 和 回 火 。1.3.4 三种渗碳方式的比较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）适合多种少量生产。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：- 7 -（a）不适于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）适于大量生产。（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。1.3.5 固体渗碳1）固体渗碳是一种应用最早的渗碳方法。所 用 的 渗 剂 是 具 有 一 定 粒 度 的 固 态 物 质 。2）渗碳剂的成份及其作用：固体渗碳剂主要是由木炭粒和碳酸盐(BaCO3 或 Na2CO3 等组成。木炭粒是主渗剂，碳酸盐是催渗剂。木炭颗粒均匀，并要求 36mm 左右的占 80%，13mm 左右占 20%左右，1mm 以下的不大于 1%，如果是大零件渗碳，大颗粒木炭应多些，小零件，小颗粒应多些。常用的渗碳剂成份 12 如表 1-1 所示。表 1-1 渗碳剂成分成分%木炭 碳酸钡 碳酸钠 碳酸钙- 8 -1 90-95 5-102 90-95 5-103 87 10 3渗碳加热时，炭与其间隙中的氧作用(不完全燃烧)，生成一氧化碳。2C + O2 2CO 一氧化碳在渗碳条件下，是不稳定的，当它与钢件表面接触，便按下式分解得活性碳原子： 2CO CO 2 + C 活性碳原子被钢件表面吸收，并向内部扩散。整个反反应过程可用下式示意表示：C + CO2 2CO CO 2 + C 工件单独用木炭进行渗碳，周期长，效果差，为了增加渗碳剂的活性，增加活性碳原子数量，一般加入一定数量的碳酸盐作为催渗剂。催渗剂在高温下与木碳产生如下反应：BaCO3 + C(木炭) BaO 2 + CO Na2CO3 + C(木炭) Na 2O + 2CO 2CO CO 2 + C 渗碳过程中，木炭受到了烧损，但催渗剂分解氧化物，在开箱冷却时与空气接触，如按下方程式进行还原，这使催渗剂消耗大为减少。BaO + CO2 BaCO 3Na2O + CO2 Na 2CO3 为了提高催渗剂再生效果，在此介绍一种有效的方法，即将高温下倒出来的渗碳剂，立刻用水喷洒(水的重量是渗碳剂重量的 45%)。通过这样的处理，碳酸盐可得较完全的再生，其原因是：BaO+CO 2BaCO 3这个过程随温度下降而缓慢，如果在高温下喷水，就能使 BaO 变成氢氧化钡，而氢氧化钡向碳酸钡转变不受温度的限制。其反应如下：BaO + H2O Ba(OH) 2Ba(OH)2 + CO2 BaCO 3 + H2O喷水还可以减少木炭的烧损和促进少量甲烷发生，甲烷吸附在木炭的孔隙中，也能加速渗碳。 经过喷水处理的渗碳剂，加少量新渗碳剂便可使用。3） 配制渗碳剂：- 9 -由于全新的渗碳剂催渗作用过于强烈，易导致零件渗碳后表层浓度过高和出现粗大或网状碳化物。因此，一般新旧混合使用，其中新渗碳剂占 2040%，旧渗碳剂占6080%。回收的旧渗碳剂应筛去灰粉后，才能与新渗碳剂配合使用。 渗碳零件，渗碳前的准备处理：要渗碳的零件，表面应尽可能洁净，不应有严重锈斑及油垢，以免影响渗碳正常进行，造成零件渗碳后深度不均匀和产生软点。对于要求局部渗碳的零件，要认真进行防渗，常见的防渗方法有如下几种： 预留余量切除法：即在零件不应渗碳的部位，预先留出比渗碳层稍厚的加工余量，渗碳后再用机械方法把这部分切除。这种方法比较可靠，但材料和工时的损失较大，形状复杂的零件，要切除余量也较困难。而且不能进行直接淬火。 涂料法：用 13 铅丹和 23 氯化铜加上占两种材料总量 1015的松脂混合，溶于有机溶剂(酒精、汽油)中成糊状，用毛笔涂于不需渗碳部位，厚度约 0.71.0mm，干燥后再涂一层。 镀铜法：在不需要渗碳的部位用电镀方法镀上厚度为 0.020.04mm 的铜层，可以比较可靠的防止碳的渗入。 装箱：渗碳箱一般用钢板焊成或铸铁铸成，渗碳箱不宜过大，其外形尺寸应尽可能适合工件的要求，箱子最好与炉底板架空，受热均匀。在生产中，往往发现这样一种现象，由于渗碳箱过大，造成内外温差大(渗碳剂是不良的热导体)，结果同一箱零件(外缘和中心)渗碳层极不均匀，故对渗碳箱的设计，必须考虑零件大小，形状。同时应根据零件大小，渗碳时选用合适的渗碳箱，尽可能做到近似尺寸的零件同炉渗碳，尽量避免尺寸相差悬殊的零件同炉渗碳或小件用大箱渗碳。零件装箱时，在渗碳箱底部先铺上一层渗碳剂(厚 3040mm)，随后即往箱内放工件，工件间距须保持 1015mm，工件和箱壁的距离则为 2025mm。装好一层工件后，铺上一层渗碳剂并细心捣实，然后放上第二层工件，上下两层工件之间渗碳剂厚度为 1525mm.。在装工件的同时，应装上试棒，试棒放置位置应尽可能的反映工件的实际渗碳情况。在箱内放入最后一层工件后，上面放的渗碳剂厚度不得小于 3040mm。- 10 -装箱好后，用耐火粘土(加上 35%)食盐加水调好进行封盖，以防止在渗碳过程中渗碳气体的逸出。 渗碳箱封好后，即在箱盖上插入长试棒一根，同时也用耐火粘土封好试棒与箱盖孔之间隙，如零件为低碳钢，试棒材料应与零件相同，如零件为低合金或中合金钢，试棒可用 20#钢制成，试棒直径可用 1012mm，其插入深度为接近上层零件之间。 装炉与升温：零件可在低温入炉并用分段升温的方法。但对于连续生产，这种方法不经济，故通常采用高温入炉的方法。 由于固体渗碳时零件装于密封的渗碳箱内，热量要通过箱壳及箱内渗碳剂传递到零件上，如果控制不当，容易造成炉温与零件实际温度或箱内表层和中心的温度差很大，零件渗碳深度不均匀。因此，一般制定工艺时，均在炉温升到 820850范围保温一段时间，使备部分温度均匀一致后，才以缓慢的加热速度升至 900930的渗碳温度。 保温时间：零件在渗碳温度下需要保温时间视渗碳层深度要求而定，表 1-2 列出渗碳深度与保温时间的关系 16。 表 1-2 深层深度与保温时间的关系渗碳温度（）渗层深度（mm）880 990 920 940 960 9800.4 3.5 3.0 2.75 2.5 2.0 1.50.8 6.5 6.0 5.0 4.5 4.0 3.01.2 9.0 8.0 6.5 5.5 5.0 4.01.6 12.0 10.0 8.0 7.0 6.0 5.02.0 14.5 12.0 9.5 8.5 7.0 6.01.4 影响渗碳工件质量的因素渗碳处理后工件质量指标包括表面碳浓度、渗碳层深度、沿渗碳层深度的碳浓度- 11 -分布、渗碳层组织状态、以及工件的表面力学性能等几方面。1.5 渗碳处理的意义渗 碳 处 理 的 意 义 是 :提 高 表 面 层 的 耐 磨 性 (碳 含 量 高 的 M),同 时 保 持 心 部 有 高 的 耐 冲击 能 力 ,即 强 韧 性 .将 含 碳 (0.1 0.25)的 钢 放 到 碳 势 高 的 环 境 介 质 中 ,通 过 让 活 性 高 的 碳 原 子 扩 散 到钢 的 内 部 ,形 成 一 定 厚 度 的 碳 含 量 较 高 的 渗 碳 层 ,再 经 过 淬 火 回 火 ,使 工 件 的 表 面 层得 到 碳 含 量 高 的 M,而 心 部 因 碳 含 量 保 持 原 始 浓 度 而 得 到 碳 含 量 低 的 M,M 的 硬 度 主要 与 其 碳 含 量 有 关 ,故 经 渗 碳 处 理 和 后 续 热 处 理 可 使 工 件 获 得 外 硬 内 韧 的 性 能 。1.6 课题研究的内容本 课 题 研 究 的 内 容 有 ：（ 一 ） 20 钢 未 经 渗 碳 处 理 和 渗 碳 处 理 后 的 金 相 组 织 和 硬 度 。（ 二 ） 20 钢 经 渗 碳 以 后 不 同 的 热 处 理 对 金 相 组 织 和 硬 度 的 影 响 。2 20 钢固体渗碳的过程机械零件经过渗碳工艺处理后，由于其表层化学成分及金相组织的改善，使其力学性能有了明星提高，怎样进一步提高其硬度、耐磨性、冲击韧性等研究越来越为人们所关注。2.1 实验前的准备2.1.1 实验材料的选用表 面 渗 碳 一 般 情 况 下 用 于 低 碳 钢 的 处 理 ， 低碳钢(low carbon steel)又称软钢，含碳量从 0.10至 0.30%。常见的渗碳钢有 20：Q195、Q215、Q235、08、10、15、20、25 碳钢，15Mn、20Mn、25Mn、15Mn2、20Mn2、 20Mnv、20Cr15Cr、20CrV、20CrMn、20CrMnTi、30CrMnTi、20CrMnTi、20CrMo 等。本实验我们选用 20 钢渗碳。- 12 -20 钢强 度 比 15 号 钢 稍 高 ， 很 少 淬 火 ， 无 回 火 脆 性 。 冷 变 形 塑 性 高 、 一 般 供 弯曲 、 压 延 、 弯 边 和 锤 拱 等 加 工 ， 电 弧 焊 和 接 触 焊 的 焊 接 性 能 好 ， 气 焊 时 厚 度 小 ， 外形 要 求 严 格 或 形 状 复 杂 的 制 件 上 易 发 生 裂 纹 。 切 削 加 工 性 冷 拔 或 正 火 状 态 较 退 火 状态 好 、 一 般 用 于 制 造 受 力 不 大 而 韧 性 要 求 高 的 。 20 钢 的 化 学 成 分 20：表 2-1 20 钢 的 化 学 成 分碳C硅Si锰 Mn硫S磷P铬Cr镍Ni铜Cu0.170.240.170.370.350.65 0.035 0.035 0.25 0.25 0.252.1.2 渗碳方法的选择由于固体渗碳设备费便宜，操作简单，不需高度技术，加热用热源，可用电气、瓦斯、燃料油，大小工件均可，尤其对大形或需原渗碳层者有利，适合多种少量生产。所以本实验选用固体渗碳方法。固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与 15%20%的碳酸盐扽混合物。木炭提供渗碳所需的活性碳原子，碳酸盐起催化作用。2.1.3 实验设备的选用本实验用到的设备有：1) 箱式渗碳炉（渗碳用）- 13 -图 2-1 箱式渗碳炉2) 箱式渗碳炉（回火用）图 2-2 箱式渗碳炉3) 抛光机- 14 -图 2-3 抛光机4) 立式金相显微镜图 2-4 立式金相显微镜- 15 -5) 硬度测定仪器图 2-5 硬度测定仪器2.1.4 渗碳工艺参数的确定1) 渗碳碳势的选择碳势与炉气内的气相组成有关，反映的气氛的渗碳能力，碳势越高，渗碳的速度越快，渗层的碳浓度越高，越容易生成碳化物，碳化物数量越多。但碳势过高，由于会出现炭黑，而造成碳势控制的失败，渗碳不均匀，炉子合金和耐火材料粘污等，清理成本增高和工作条件变换。所以选用比较常用的 Cp=1.1%，碳势控制在 1.1%到 1.11%之间。 2) 渗碳温度的选择温度的影响始终是渗碳过程中不可忽视的重要因素。随着渗碳温度的升高，在相同参数下，碳化物极限值将会降低。这是因为渗碳温度越高，碳在钢中的固溶度越大，因而碳在奥氏体中的活度值增大。其次，温度是制约碳化物形态、尺寸、大小和分布的重要因素之一，低温渗碳有利于碳化物的形成，因为低温时，碳在奥氏体中饱和度低，且在奥氏体中的活度高，在炉气较低碳势下就可以达到饱和渗碳 18、19、20、 ，这样，过饱和奥氏体中的碳不仅沿奥氏体晶界析出碳化物，同时在晶内也形核。因为温度低，聚集长太慢，所以获得- 16 -弥散且均匀分布提供了有利条件。渗碳温度对于渗碳速度有很大影响，碳在奥氏体中的扩散系数随着温度的升高而呈指数增加大，同时碳在奥氏体中的溶解度也随着温度的提高而增加。因此，在同样的时间内，渗碳温度增加 100 摄氏度几乎可使总的深层深度增加一倍，但神坛的温度过高，渗层的晶粒增大，碳化物聚集长大，将严重影响深层的质量。还要考虑设备的承受能力与加热时间的成本计算。所以我们选用 930 和 790 作为本次实验的渗碳温度。3) 渗碳时间的选择为了使渗碳工艺具有一定的实用性，深层必须达到一定的厚度，根据实际情况我们设定厚度为 1.2mm。根据深层厚度在实验中确定最终的渗碳时间为 5 小时。2.1.5 实验试样的制备1) 从实验室选用一段 20 钢。图 2-6 20 钢选用2) 用 6140 车床去除表面的锈斑及油垢- 17 -图 2-7 用车床车去表面一层3) 用 6123 万能铣床把材料洗 7 个 20*10*10 的长方体图 2-8 万能铣床- 18 -图 2-9 加工出的实验样品4) 用 200#、400#、800#的沙纸磨长方形块图 2-10 加工试样用的砂纸5) 装入渗碳箱- 19 -图 2-11 渗碳箱6) 将装有渗碳剂和铁块的渗碳箱用泥密封以后装入最高温度为 1000的箱式渗碳炉内，将温度调至 930 以后，经过一段时间的预热温度到 930 以后开始计时，加热五小时。图 2-12 箱式渗碳炉- 20 -2.2 渗碳实验方案方案一：渗碳后直接淬火低温回火图 2-12 直接淬火低温回火方案方案二：一次加热淬火后低温回火9300CC 图 2-13 一次加热淬火后低温回火方案表 2-2 渗碳后铁块的编号及处理方法编号 处理 渗碳后空冷 渗碳后淬火 渗碳 9300C 淬火后低温回火 渗碳后随炉冷 7900C 一次加热后淬火 7900C 一次加热后淬火后低温回火 不处理样品9300CC 5h 1800C2ht5h 7900C0.5h1800C2ht- 21 -3 渗碳实验结果分析3.1 渗碳以后硬度的分析3.1.1 20 钢经不同热处理以后硬度的测定在渗碳及渗碳以后各种热处理以后，用设备测试每个样品的硬度。各个硬度值如表所示：（用维氏硬度 HV 表示）表 2-3 用不同方法处理后的硬度值编号 处理 硬度（HV） 渗碳后空冷 114 渗碳后淬火 157 渗碳 9300C 淬火后低温回火 96 渗碳后随炉冷 79 7900C 一次加热后淬火 187 7900C 一次加热后淬火后低温回火 142 不处理样品 603.1.2 硬度的分析1) 由、与硬度值的差别，分析得出渗碳以后 20 钢的硬度明显比渗碳之前高，因为，渗碳以后 20 钢表面渗入大量碳原子，使 20 钢表面达到高碳钢的含碳量，所以表层硬度明显提高。2) 由、与的硬度值比较得出，淬火以后获得了马氏体，提高的钢的力学性能。淬火是强化刚的主要手段，是最重要的热处理工艺，是热处理中应用最为广泛的工艺之一。3) 、的硬度值比较得出，一次淬火可以使钢的组织得到一定程度的细化，从而提高了表面的硬度和耐磨性。4) 、的硬度值比较得出，直接淬火以时，由于渗碳温度高，奥氏体晶粒长大，- 22 -淬火后马氏体较粗，残余奥氏体增多，耐磨性和韧性较差。而经过低温回火以后，能消除淬火应力和提高韧性，表面获得细小的片状马氏体，及少量的渗碳体， 。5) 、与比较的得出，20 钢经渗碳、淬火和低温回火以后，表面硬度较高，耐磨性较好，因为表面形成了细小的片状马氏体及少量渗碳体。而心部韧性较好，硬度较低。疲劳强度高表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。3.2 渗碳以后金相分析3.2.1 金相观察将渗碳后的试样用 200#、400#、800#的金相砂纸进行研磨再抛光，最后用 4%的硝酸和 96%的酒精进行腐蚀。将腐蚀好的样品用立式金相显微镜进行分析，其照片见下图。图 3-1 20 钢样品组织（200 倍） 20 钢样品组织（400 倍） - 23 -图 3-2 20 钢渗碳空冷后表面组织的组织（200 倍） 20 钢渗碳空冷后的组织（400 倍）图 3-3 渗碳后随炉冷表面组织（200 倍） 渗碳随炉冷后组织（400 倍）图 3-4 渗碳淬火后表面组织（50 倍） 渗碳淬火后内部组织（400 倍）- 24 -图 3-5 一次淬火后组织（100 倍） 图 3-6 930淬火后低温回火（100 倍）图 3-7 790淬火后低温回火（50 倍）3.2.2 金相分析1) 由图 3-1 的金相图可以看出，20 钢在没有渗碳时，由铁素体和珠光体组成，是亚共析组织。2) 由 3-2、3-3 的金相图可以看出，当低碳钢渗碳缓冷后，表面为珠光体和二次渗碳体，属于过共析组织，而心部仍为原来的珠光体和铁素体，中间为过度组织。工件中磨损轻接触应力小的零件，渗碳层可以薄些，而渗碳含碳量低时，渗碳层可以后些。一般机械零件的渗碳层厚度在 0.5mm2mm 之间。本次渗碳层厚度平均为 0.1mm。3) 由 3-4 的金相图可以看出，20 钢在渗碳淬火后由表面组织为，细小针状马氏体+少量残留奥氏体+细小颗粒状碳化物；过度层的组织为，高碳马氏体+残留奥- 25 -氏体；心部组织为低碳马氏体。4) 由 3-5 的金相图可以看出，在渗碳缓慢冷却以后，重新加热到临界温度以上保温后淬火，与直接淬火相比，一次淬火可以使钢的组织得到一定程度的细化。心部组织要求高时，一次淬火的加热温度略高于 AC3.对于受载不大但表面有较高耐磨性和较高硬度性能要求的零件，淬火温度应选在 AC1以上 3050，使表层晶粒细化，而心部组织无大改善，性能略差一些。5) 由 3-6、3-7 的金相图可以看出，经过低温回火以后，得到由细小的 -碳化物和较低过饱和度的针片状 相组成的回火马氏体组织。此阶段淬火应了、力部分消除，纤维裂纹大部分填合。与淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的硬度、高强度和良好的耐磨性又适当提高了韧性。- 26 -结论本文对 20 钢进行渗碳处理后，通过对其金相组织和硬度的研究，得出以下结论：1 .通过对 20 钢表面渗入碳原子的化学热处理，可以改变 20 钢化学成分和组织，使其表面达到高碳钢的含碳量，提高表层硬度，增强表面的抗磨损能力，同时保持心部的良好韧性，使其达到能够抵抗冲击载荷的技术要求。2. 为了充分发挥渗碳层的作用，使渗碳表面获得高硬度和高耐磨性，心部保持足够的强度和韧性，渗碳以后必须进行淬火加低温回火的热处理工艺。3渗碳后直接淬火虽然具有生产效率高，成本低，氧化脱碳等优点，但是由于渗碳温度高，奥氏体晶粒长大，淬火后马氏体较粗，残余奥氏体也较多，所以耐磨性和韧性较差。只适用于本质细晶粒钢和耐磨性要求不高的或承载低的零件。4在渗碳缓慢冷却以后，从新加热到临界温度以上保温后淬火，可使钢的组织得到一定程度的细化。5. 经淬火后得到的马氏体性能很脆，存在组织应力，容易产生变形和组织开裂，并且淬火后得到了不稳定的淬火马氏体和少量残余奥氏体组织，在工作中会产生分解，导致零件尺寸变化，所以淬火以后一般不直接使用，必须进行回火。回火时，不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体会转变为稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两混合物，从而保证了工件在使用过程中形状和尺寸的稳定性。- 27 -参考文献1 侯书林，朱海，徐杨，陈晖.机械制造基础工程材料及热加工工艺基础.D.中国林业出版社.北京大学出版社，2006.2 谷春瑞，王桂新.热加工工艺基础.M.天津大学出版社，2009.3 潘健生，胡明娟.热处理工艺学.D.高等教育出版社，2006.4 唐殿福，卯石刚.钢的化学热处理.D.辽宁科学技术出版社.5 李炯辉.金属材料金相谱图.M. 机械工业出版社,2006.6 冯再新.直齿轮“渗碳温挤”成形技术.D.国防工业出版社,2006.7 任颂赞.钢铁金相图谱.D 2003 年 06 月,上海科学技术文献出版社.8 朱元兴，刘忆.金属学与热处理.J 中国林业出版社.2006.9 丁仁亮，金属材料及热处理第 4 版.D机械工业出版社.10 刘新佳，王建中 . 高级热处理工技术与实.M 江苏科学技术出版社.11 至丰.金属工艺学（机械工程材料）.J 机械工业出版社,200