3气体渗碳课程

1 題目 氣體滲碳講師 張桓中華民國九十三年十月 中華台亞股份有限公司 2 滲碳熱處理 氣體滲碳原理與機構氣體滲碳是在適當之滲碳爐內 送入CO CH4等具有滲碳作用之混合氣體 使低碳鋼在A1變態點以上溫度和混合氣體發生反應 使氣體中的碳原子滲入鋼料表面的一種熱處理 將輸送氣體和增碳氣體如CH4 C3H8一起送入滲碳爐後 在高溫下各成分氣體和鋼料之間會發生下列各種滲碳反應 而使爐氣中的碳從鋼的表面滲入 並擴散到內部去 2CO C CO2 25 CO H2 C H2O 26 CH4 C 2H2 27 C2H6 2 C 3H2 28 C2H6 C CH4 H2 29 C3H8 C C2H6 H2 30 除了上面之主反應外 還引起下面之副反應 H2 CO2 CO H2O 31 CH4 CO2 2CO 2H2 32 CH4 H2O CO 3H2 33 3 吸熱型爐氣及其製造方法吸熱型爐氣的製造方法分為變成爐反應製造與有機液體分解製造兩種 所不同的是 變成爐係獨立於滲碳爐外之氣體發生裝置 所產生之爐氣再輸送至滲碳爐中 而後者是將有機液體直接滴入爐中加熱分解所形成的 1 變成爐反應製造將甲烷 丙烷或丁烷等氣體與空氣以適當比例混合後 通過圖之變成爐 使混合氣體與1000 1100 之Ni觸媒發生反應 即可形成吸熱型爐氣 endothermicgas 俗稱輸送氣體 carriergas CH4 1 2 O2 4H2 CO 20 2H2 40 2N2 40 34 C3H8 3 2 O2 4H2 3CO 24 4H2 30 6N2 46 35 C4H10 2 O2 4H2 4CO 23 5 5H2 29 5 8N2 47 36 因上述反應是吸熱反應 所以生成之變成氣體叫做吸熱型爐氣 實際上 此爐氣除CO H2 N2主成分外 還含有少量的CO2 H2O CH4等 此外 因原料氣體的不同 和空氣混合之比例亦不一樣 甲烷 乙烷與丁烷分別要和2 5倍 7 5倍與10倍之空氣相混合 4 滲碳熱處理 有機液體分解製造這種方法是把含有C H O成分的有機液體直接滴入滲碳爐內使它分解 而在分解氣體中實施滲碳 所用的有機液體以俗稱木精的甲醇為主 此液體於400 500 會熱分解成CO和H2 CO再對鋼料起滲碳作用 CH3OH CO 33 2H2 67 37 CO H2 C H2O 38 不論以何種方法製造出來的吸熱型爐氣 其碳勢 carbonpotential 一般僅能維持在中碳的程度 因此實際滲碳時 還必須自爐外添加甲烷或丙烷等增碳氣體 enrichgas 使在爐內發生下列反應 CO2 CH4 2CO 2H2 39 H2O CH4 CO 3H2 40 此反應可將吸熱型爐氣中不利於滲碳之CO2與H2O轉換成可促進滲碳之CO與H2 因此爐氣之滲碳性變強 使鋼料表面變成高碳量的硬化層 5 滲碳熱處理 爐氣之控制與分析滲碳時將輸送氣體 吸熱型爐氣 自爐外引進滲碳室 然後添加少量增碳氣體來調整滲碳氣氛之碳勢 因吸熱型爐氣之組成變化不大 故先討論如何控制其碳勢 下圖為CH4所生成之爐氣 CO20 H240 在不同溫度時爐氣中H2O CO2的量與爐氣碳勢C 之關係圖 由圖可知 溫度和CO2和H2O若能以儀器事先檢知 就可以求得爐氣碳勢C 圖吸熱型爐氣 CO20 H240 在不同溫度時H2O的量 露點 與爐氣碳勢之關係 6 滲碳熱處理 爐氣之控制與分析圖吸熱型爐氣 CO20 H240 在不同溫度時CO2的量與爐氣碳勢之關係滲碳過程爐氣碳勢必須隨時分析 才能達到監控之目的 較常使用的方法有露點法 紅外線分析法 氧氣分壓測定法 直接測定法諸種 1 露點法露點就是爐氣中的H2O開始凝結成霧的溫度 水氣越多 露點越高 碳勢也越低 露點杯與露點箱是最早被採用的 但只能手動 測定需要較長時間 又有人為誤差 故適合於定期校正之用 而欲自動測定須採用氯化鋰法 7 滲碳熱處理 氣體滲碳氯化鋰感濕元件如圖所示 是利用LiCl的導電性隨吸濕程度而變化之特性所製成的 在一端封閉的玻璃管上先纏一層絕緣玻璃絲帶 然後以兩條平行白金線 鉑絲 纏繞於玻璃管上使呈螺旋狀 而成為一個導電電極 接著在表面塗上一層LiCl溶液 乾燥後將其置於密閉的玻璃氣室中 電極兩端事先通上24V交流電壓 同時為了防止元件因吸收水分過多造成電流過大而燒壞白金線 在外電路上串聯了一只限流燈泡 測定時 使爐氣從玻璃氣室底部進入 爐氣中的水分被LiCl所吸收 白金線間之絕緣被破壞而有電流導通 當吸收的水分越多 電流也越大 白金線所產生之電阻熱也變大 又將吸收的水分蒸發掉 導電性又變小 電流開始下降 如此反覆幾次 最後爐氣中的水分會與LiCl所含水分達到平衡狀態 這時玻璃管中的電阻溫度計所測出的溫度即為平衡溫度 並可自動換算成露點及碳勢 圖氯化鋰感濕元件 8 滲碳熱處理 2 紅外線分析法藉由測定爐氣中CO2之含量 來控制其碳勢 爐氣中的雙原子氣體如H2 N2 O2均不會吸收紅外線 但CO2只吸收波長為4 3 m左右的紅外線 CH4只吸收3 4 m左右的 CO只吸收4 6 m的 各種氣體除了只能吸收某一波長的紅外線外 且對紅外線的吸收程度與氣體的濃度 吸收層厚度有以下之關係 吸收程度Log Io I KxCxD 41 透射率I Io 10 KXCXD 42 式中Io 紅外線入射強度I 透過氣體後的紅外線強度K 氣體對紅外線的吸收係數C 欲測氣體的濃度D 欲測氣體吸收層的厚度由式 42 可知 一但Io與D保持一定時 通過測定I 就可求得氣體的濃度C 圖是紅外線氣體分析儀工作原理 當兩束強度相等之紅外線透過參比氣室和欲測氣室後 變成兩束強度不等之紅外線射入檢驗室 使該室的氣體產生不同的熱膨脹 引起金屬薄膜的振動 從而導致金屬極板和金屬薄膜之間電容量的變化 並可自動換算成CO2氣體濃度 紅外線氣體分析儀的特點是反應靈敏 反應時間30秒以內 測量精度高 CO2測量誤差不超過 0 03 已大量取代傳統之露點法 使用中須確保爐氣充分過濾 否則所得數據也會有誤差產生 9 滲碳熱處理 3 氧氣分壓測定法最新之爐氣控制是以氧氣探針測定爐氣中的氧氣分壓 來進行碳勢的調節 圖為氧氣探針示意圖 以ZrO2為固體電解質 利用濃淡電池之原理 由已知之氧氣分壓Po20 參考極 與測定極之氧氣分壓Po2的差 所產生之電動勢 electromotiveforce emf 來計算測定極 爐氣 之氧氣分壓 Po2 I ZrO2 CaO Po2 II 參考極 測定極 兩極間所生emf與爐氣之Po2有如下之關係 E 0 0496Tlog Po2 ref Po2 43 式中E 氧濃度差電動勢 mv T 爐氣之絕對溫度 0K Po2 ref 空氣之氧氣分壓 Pa Po2 爐氣之氧氣分壓 Pa 圖氧氣探針 10 滲碳熱處理 氧氣分壓測定法圖為氧氣探針電壓輸出與爐氣碳勢之關係圖 例如於930 滲碳時若選擇0 8 C之碳勢 則氧氣探針之電壓輸出應維持在1134mv 氧氣探針可直接插入爐內進行測量 反應時間可小於0 1秒 測量精度更高 碳勢精度可達 0 003 圖各種溫度下氧氣探針電壓輸出與碳勢之關係 爐氣成分CO CO2 20 滲碳鋼料AISI1010 11 滲碳熱處理 2 3氣體滲碳2 3 3爐氣之控制與分析 4 直接測定法前述各種方法係測定爐氣組成後間接求取滲碳性的方法 而直接測定滲碳性之常用方法為鋼箔試驗法 此法是以厚度小於0 1mm 寬度10 20mm 含碳量0 1 C之鋼箔裝入爐中 在其處理溫度保持適當的時間 由於使用極薄的鋼箔 處理後鋼箔含碳量與爐氣組成達到平衡 待冷卻後分析其含碳量或由其重量增加計算其平衡含碳量 重量之增加可以用誤差為萬分之一的精密天平測得鋼箔滲碳前後之重量 然後以下列公式計算碳勢 W2 W1C x100 a 44 W2式中W1 W2 滲碳前後鋼箔之種量a 鋼箔的原始重量C 爐氣碳勢秤重法算出之碳勢 其誤差在 0 02 C範圍內 若使用EDAX分析儀之電子探針 electronprobe 或化學分析法則更為精確 12 滲碳作業之製程條件當吸熱型爐氣和增碳氣體送入滲碳爐內 爐內之氣體組成即時刻在自動氣體分析儀之分析下 並把信號送到增碳氣體之控制系統 藉增碳氣體量的改變 來維持所需的目標碳勢 圖為分批式滲碳作業之製程條件例 滲碳工件裝入滲碳爐內後 大約1 5h就升溫到滲碳溫度920 在這溫度滲碳3 5h後擴散2h 然後降溫到淬火溫度850 保持1 5h後直接淬火 滲碳期間爐氣碳勢控制在1 1 C 為了達到這碳勢 升溫的後期在輸送氣體內添加1 5 左右的C3H8 以避免作業初期的碳勢下降 到了滲碳溫度後把C3H8降到0 3 左右 使碳勢保持在1 1 C 這時露點大約在 12 CO2大約在0 03 為保持這種條件 C3H8量要隨著滲碳時間的增加而遞減 滲碳後緊接著實施擴散處理 此時就不需添加C3H8 擴散期間碳勢會逐漸下降 最後變為大約0 88 C 露點大約在 9 CO2大約在0 09 淬火溫度的保持期間 露點為0 CO2大約在0 27 13 滲碳熱處理 滲碳作業之製程條件滲碳期間所添加之增碳氣體若比需要量多時 會起CH4 C 2H2反應 而將積碳附著於零件表面或爐內各部位 影響爐氣成分之控制 所以必須定期空燒 burnout 除去積碳 但空燒時不宜通入過量之空氣 以防激烈燃燒所致高溫燒壞爐內零件 空燒後逐漸降低至較低之爐溫 最後停止此作業 若欲再進行滲碳 則須將爐溫逐漸升至預定溫度後送入輸送氣體 並保持一段時間 使爐氣調整至所需之碳勢 此作業即一般所謂的爐氣調整作業 seasoning 但切忌為了急速完成爐氣調整 而過早通入過量之增碳氣體 因很容易發生積碳 不需要滲碳的部位 可用下列方法處理 以防止滲碳 1 事先預留加工量 待滲碳後將滲碳層加工除去 2 將不要滲碳的小孔 用砂填滿 兩端再用石棉屑混合粘土塞緊 3 不需滲碳的部位進行鍍銅 厚度約0 03 0 04mm 4 使用防止滲碳塗劑塗敷 其成分為氯化銅33 丙酮33 氧化鋁17 脫脂松香17 的混合物 14 滲碳熱處理 滲碳深度和溫度 時間的關係滲碳深度會因鋼料種類 滲碳方法 溫度 時間等因素而改變 依據F E Harris之研究 滲碳深度和溫度 時間之間有下列之關係 D 800 t 10 3700 T 273 45 圖滲碳深度與溫度 時間之關係曲線式中D 滲碳深度 mm t 滲碳時間 hr T 滲碳溫度 範例如下 D mm 0 635 t927 46 0 533 t899 47 0 457 t871 48 將式 45 可繪製成圖 由圖可迅速預測不同滲碳溫度和時間下之滲碳層深度 15 滲碳熱處理 滲碳深度和溫度 時間的關係若實施的是滲碳與擴散雙重處理 以使用下式較為合適 C C0tc tT 2 49 Cs C0式中tT tc tdtc 滲碳時間td 擴散時間C0 心部含碳量 Cs 滲碳終了時之含碳量 C 目標含碳量 16 滲碳熱處理 傳統氣體滲碳法氣體滲碳因自動化操作程度高 且對還境之汙染較低 因此成為滲碳之主流技術 依使用氣體和方法的不同 而分為Rx氣體滲碳法 滴注式氣體滲碳法 N2基氣體滲碳法三類 1 Rx氣體滲碳法使用吸熱型爐氣 故必須使變成爐產生爐氣 設備費高一些 但因此爐氣之安定性高 可穩定的滲碳 故為目前使用最多之滲碳法 為提高爐氣碳勢 滲碳時須添加增碳氣體CH4或C3H8 其滲碳原理請參考前面說明 2 滴注式氣體滲碳法滴注式滲碳法係於1959年由U Wyss所開發出來的 使用C H O三成分系或C H O N四成分系之低沸點有機液體作原料 事先以一定之比例混合 再直接滴入爐內使其熱分解 生成某一碳勢之滲碳氣體或滲碳氮化氣體 以下為幾種代表性有機液體之熱分解反應 a 甲醇 Mtahanol CH3OH CO 33 3 2H2 66 6 50 b 乙酸乙酯 Eth8lacetate CH3COOC2H5 2CO 33 3 4H2 66 6 2 C 51 17 滲碳熱處理 傳統氣體滲碳法 c 異丙醇 Isopropylalcohol CH3CH OH CO 20 4H2 80 2 C 52 CH3 d 蟻酸HCOOH CO 50 H2 50 O 53 e 丁烷 Butane C4H10 5H2 100 4 C 54 18 滲碳熱處理 傳統氣體滲碳法甲醇分解後因無初生態碳原子 C 之生成 無滲碳能力 其碳勢約在0 4 C 而必須添加其他會產生 C 之有機液體 以增加其滲碳能力 蟻酸分解後因氣體中含 O 不但無滲碳能力 反而有脫碳作用 亦不可單獨使用 而丁烷因本身不含氧 無滲碳氣體CO之生成 析出多量之 C 而引起積碳 由於具有滲碳作用之有機液體價位均較高 為降低成本多採甲醇中添加滲碳性有機液體之方式 其完全分解所生CO 如圖所示 實際上分解氣體中除CO H2外 尚有微量之CO2 H2O及CH4 圖甲醇與各種滲碳性有機液體之混合比與CO 之關係 19 滲碳熱處理 傳統氣體滲碳法 3 N2基氣體滲碳法以有機液體熱分解生成滲碳氣體成本過高 因此有氮基氣體滲碳法之開發 此法以甲醇與N2為主要原料 甲醇分解後產生CO和H2 再以N2稀釋可得40 N2 20 CO 40 H2之氣體組成 此氣體和變成爐所產生之Rx氣體成分相似 故亦可控制其碳勢 此法之氣體送入與停止非常簡單 流量之變更容易 可按操作條件適當調節流量 諸如裝卸階段高流量之送入 滲碳階段低流量之送入 均能調節自如 使氣體消耗量大幅地降低 表分別就技術面 管理面和操作面 將N2基氣體滲碳和早期之變成爐式與滴注式氣體滲碳作一比較 以瞭解每種方法之製程特性 20 滲碳熱處理 2 3氣體滲碳2 3 7氣體滲碳之優缺點優點 1 容易調節表面碳濃度 2 直接將處理品加熱 熱效率良好 3 可均勻滲碳 4 滲碳終了後可直接淬火 5 同一裝置在滲碳終了後可行擴散退火 6 作業清潔 簡易 7 適於大量生產 8 容易自動化 也易品質管理 缺點 1 設備費貴 2 作業上需要專門知識 3 有爆炸的危險 4 托盤會被滲碳 使用壽命短 21 不同方法之比較 22 滲碳熱處理 不同方法之比較 23 滲碳熱處理 不同方法之比較 24 滲碳熱處理 先進滲碳技術流體床滲碳圖為外部電阻加熱式流體床爐 可將其視為一種省略變成爐之氣體滲碳裝置 碳氫氣體與空氣可直接通入爐床 藉生成之爐氣來滲碳 表幾種流體床滲碳與擴散處理所使用之氣體組成 圖外部電阻加熱式流體床爐 美國FluidthermCo 產品 25 滲碳熱處理 鋼鐵在滲碳氣氛中強制滲碳後 表面之碳濃度有時很高 很容易產生碳化物不良組織 若能在中性氣氛中保溫一段時間 則可使表面滲碳層中的碳往心部擴散 而獲得較深之滲碳深度 並使硬度分佈獲致改善 研究資料顯示在930 950 之流體床爐中滲碳1h 可得約0 7mm之滲碳深度 且950 滲碳1 5h之流體床爐中滲碳硬度分佈與925 氣體滲碳6h者相當 亦即流體床滲碳速率很快 對傳統之氣體或鹽浴滲碳有極大之競爭性 幾種可供流體床滲碳與擴散處理之氣體組成 26 滲碳熱處理 真空滲碳法1972年美國的C I Hayes公司發表真空滲碳法 此法是把真空熱處理爐減壓至10 2Torr左右後 通入CH4 C3H8等滲碳性氣體在高溫下進行滲碳的方法 典型之真空滲碳作業方法如圖所示 爐內氣體反應如下 CH4 C 2H2 55 C3H8 C2H4 CH4 56 C2H4 CH4 2CH4 C 57 所產生之初生態碳在真空中參與滲碳作用 27 滲碳熱處理 真空滲碳法真空滲碳的溫度大約在1030 1050 之間 因為溫度高可以縮短滲碳的時間 因此對於不銹鋼 矽鋼等難滲碳材料 或滲碳要求較深者 以此法非常有效 惟高溫加熱有晶粒粗大化的現象 品質上產生許多問題 可使用加有鋁 鈦 釩 鈮等元素所製成之晶粒不成長鋼料 為改良晶粒粗大的缺點 可在擴散完了後急冷於A1溫度下方 550 660 然後再加熱至淬火溫度就可得到微細之晶粒組織 與其他滲碳法比較 此法還具有以下的優點 1 可得均勻的滲碳效果 2 滲碳後的零件仍保輝面狀態 3 滲碳層碳量與深度控制精確 4 不發生公害問題 5 操作簡單 6 能量的消耗少 7 可縮短作業時間 28 滲碳熱處理 離子滲碳法離子滲碳之方法是把真空熱處理爐減壓至10 2 10 3Torr低壓時通入C3H8或CH4氣體 並在爐體 陽極 和工件 陰極 之間通以100 350伏特之高直流電壓 促使兩極之間產生輝光放電 glowdischarge 滲碳氣體因而離子化形成碳離子 此離子因高電位差之作用 而加速衝向工件表面而進行滲碳 圖為離子滲碳系統及其附屬加熱設備 29 滲碳熱處理 離子滲碳法離子滲碳之方法是把真空熱處理爐減壓至10 2 10 3Torr低壓時通入C3H8或CH4氣體 並在爐體 陽極 和工件 陰極 之間通以100 350伏特之高直流電壓 促使兩極之間產生輝光放電 glowdischarge 滲碳氣體因而離子化形成碳離子 此離子因高電位差之作用 而加速衝向工件表面而進行滲碳 圖為離子滲碳設備 由滲碳系統與油淬系統組合而成 圖離子滲碳設備 左側為滲碳系統 右側為油淬系統 30 滲碳熱處理 離子滲碳法離子滲碳具有以下之優點 a 利用滲碳 擴散技術 可在較低碳勢與較短時間內達到所需滲碳深度 b 可使用較高合金含量之鋼料 因化學成份對離子滲碳速率影響不大 c 只要調整時間 就可得到所需表面含碳量 不需另作爐氣分析 d 滲碳時間可縮短 與氣體滲碳比較 可節省15 50 之滲碳時間 e 形狀複雜之零件也可得到均勻之滲碳品質 f 離子滲碳產生煤煙 sooting 之機會少 g 消耗之電力能源小 h 滲碳溫度較具彈性 從650 1100 皆可 i 滲碳層保持輝面 且表層無滲碳異常層發生 j 變形量少 31 滲碳熱處理 1 滲碳用鋼之種類及其熱處理 1 種類滲碳用鋼於滲碳淬火後 表層須硬具耐磨耗性 心部要有韌性能耐衝擊 為得到這種要求 滲碳用鋼須具備以下之性質 a 淬火後心部須具備強 韌與易切削性質 其含碳量須在0 12 0 23 b 不會因滲碳加熱而造成晶粒的粗大化 c 硬化層之硬度要高 耐磨耗性 耐疲勞性要優良 d 須用全靜鋼 淨面鋼易生異常組織 不適合滲碳 為改良心部之韌性和硬化層之耐磨耗性 耐疲勞性 滲碳性 常使用含有Ni Cr Mo Mn等元素之低碳合金鋼 以下說明幾種代表性合金元素對滲碳之影響 Cr 雖然可以改良硬化能 但是因為會減慢碳的擴散速率 所以容易形成過滲碳組織 它的含量以不超過1 為宜 Mo 具有和Cr相同的效果 一般為了改善硬化能和韌性 而在鋼料中添加約0 2 0 7 Ni 會減弱滲碳性 減少滲碳深度和表面碳濃度 但是為了防止沃斯田鐵晶粒的粗大化和改良韌性 通長添加0 5 左右 V 不但能防止晶粒的粗大化 又可以增加滲碳層的強度 因此在較高溫實施滲碳時 須選用含V的合金鋼 Mn 對硬化能的改良上有利 10 以內可增加滲碳性 超過此量會隨著錳的增加而減少 32 滲碳熱處理 下表為JIS滲碳用鋼之種類 主要成分和用途例 視需要選用碳鋼 Cr鋼 Cr Mo鋼 Ni Cr Mo鋼 Mn鋼等合金鋼 表JIS滲碳用鋼之種類 主要成分和用途例 33 滲碳熱處理 表SAE滲碳用合金鋼之化學成分 34 2 熱處理 a 正常化 退火和滲碳前的應力消除退火滲碳鋼因屬低碳 故前製程有使用鍛造來成形者 由於鍛造傳統上係在1000 以上進行 故鍛件有晶粒粗大化 晶粒大小不一 或碳化物之局部凝集等現象 若於機械加工前施以正常化或退火 可得到細化之晶粒和組織 使以後之滲碳淬火獲得較佳之強度與韌性 同時因殘留應力之去除 淬火變形也少 表為滲碳用鋼之正常化和退火條件 以及退火所得硬度 表滲碳用鋼之正常化和退火條件 及退火之硬度對於變形要求特別嚴格之工件 於鍛造後粗加工時 可裕留少量之加工裕度 tolerance 然後於650 700 實施滲碳前之應力消除退火 最後進行精加工 採此法時 因精加工之切削量很少 表面殘留之加工應力低 不至於在滲碳時產生大的變形 35 a 滲碳後之熱處理滲碳用鋼滲碳後熱處理法有一次淬火 二次淬火和回火 其處理條件及熱處理後之機械性質如表所示 回火之目的是為了除去淬火時所引起的內部應力 雖溫度越高越好 但為了防止硬度降低 宜使用100 200 之溫度 若需最高硬度 一般回火於150 左右 而為避免日後使用中變形 則回火於180 200 表滲碳用鋼滲碳後之淬火回火條件和回火後之機械性質 36 滲碳