渗碳处理技术

1、滲碳處理技術 滲碳硬化乃表面硬化法之一種，屬於化學表面硬化法。滲碳者先於鋼之表面產生初生態之碳，而後使之滲入鋼之表面層，逐漸擴散入內部。初生態之碳乃由CO或CH4等氣體分解而得。CO之來源或由含有CO之氣體得之，或由固體滲碳劑之反應而產生於滲碳容器內，或者由含有氰化物之鹽浴得之。初生態之碳由鋼之表面擴散入內部時，鋼之溫度須增高至沃斯田鐵化溫層範圍內，使初生態之碳埂於擴散，蓋沃斯田鐵可溶解較多之C而肥粒鐵則溶解力極小，故滲碳溫度必須在Ac3要以上之溫度。以便滲碳作用得以進行。再配合各種熱處理法，使得鋼之去面生成高碳硬化心部低碳之低硬度層。使處理供具有表面硬而耐磨，心部韌而耐衝擊之性質。一、滲碳處

2、理之種類與特點：（一）滲碳法之種類滲碳法按使用之滲碳劑而可分為如下三大類：（1）    固體滲碳法：以木炭為主劑的滲碳法。（2）    液體滲碳法：以氰化鈉（NaCN）為主劑之滲碳法。（3）    氣體滲碳法：以天然氣、丙烷、丁烷等氣體為主劑的滲碳法。（二）滲碳法之比較 （1）固體滲碳法長處：（a）設備費便宜，操作簡單，不需高度技術。（b）加熱用熱源，可用電氣、瓦斯、燃料油。（c）大小工件均適，尤其對大形或需原滲碳層者有利。（d）適合多種少量生產。 短處：（a）滲碳深度及表面碳濃度不易正確調節，有過剩滲碳

3、的傾向。處理件變形大。（b）滲碳終了時，不易直接淬火，需再加熱。（c）作業環境不良，作業人員多。 （2）液體滲碳法長處：（a）適中小量生產。設備費便宜。不需高度技術。（b）容易均熱、急速加熱，可直接淬火。（c）適小件、薄滲碳層處理件。（d）滲碳均勻，表面光輝狀態。短處：（a）不適於大形處理件的深滲碳。（b）鹽浴組成易變動，管理上麻煩。（c）有毒、排氣或公害問題應有對策。（d）處理後，表面附著鹽類不易洗淨，易生鏽。（e）難以防止滲碳。有噴濺危險。 （3）氣體滲碳法長處：（a）適於大量生產。（b）表面碳濃度可以調節。（c）瓦斯流量、溫度、時間容易自動化，容易管理。短處：（a）設備費昂貴。（b）處理

4、量少時成本高。（c）需要專門作業知識。    二、固體滲碳法：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，使碳從鋼表面侵入而擴散，處理一定時間後，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，不適於連續處理大量工件，作業環境不良，已有衰退傾向，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。固體滲碳的滲碳機構以氣體滲碳為基礎，亦即箱內的固體滲碳劑與箱內空氣中的氧反應，成為二氧化碳（CO2），CO2再與碳反應，生成一氧化碳（CO）。  C + O2 = C

5、O2 （1） C + CO2 = 2 CO （2） CO在鋼表面分解，析出碳C。 2 CO =C+ CO2 （3） 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，此反應連續反覆進行，碳從鋼材表面侵入擴散，而滲碳。前述反應與鐵（Fe）組合成滲碳反應。 Fe + 2 CO = Fe - C + CO2 （4） 滲碳用之碳素，如以滲碳性之強度順序列之，可排如木炭、焦炭、石墨、骨炭。通常使用木炭為主劑，再

6、添加若干滲碳促進劑。一般以鹼金屬的碳酸鹽為促進劑，碳酸鹽中的碳酸鋰（LiCO3）、碳酸鍶（Sr CO3）、碳酸鉀（K CO3）、的促進能大，但昂貴，工業上採用碳酸鋇（Ba CO3）、碳酸鈉（Na2 CO3）為多。雖促進能不如，但有耐久性，Na2 CO3快劣化，所以通常木炭加Ba CO32030，或再加10以下的Na2 CO3為滲碳劑。固體滲碳處理程序下： 先將處理工件去鏽，脫脂以適當的間隔（2025以上）排列於滲碳箱中，周圍填圍滲碳劑，加蓋以粘土封密裝入如圖五之電氣爐，坑式爐也可用。加熱保持一定時間。 在爐中經過所定後，在爐內徐冷或者由爐中拖出空冷，後進行熱處理。滲碳鋼的表面為高碳鋼，心部為低

7、碳鋼，有必要施行適用各部份的硬化處理，一般籍一次淬火將心部組織微細化，其次藉二次淬火將滲碳層硬化，最後藉回火使硬化層的組織安定化。 但依鋼材的種類及使用目的而有適當的熱處理，鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等的結晶粒粗大化少，未必要一次淬火，滲碳後實施球狀化退火者已達一次淬火的目的，亦無此必要；一次淬火的淬火溫度高，變形大，容易脆裂，要盡量避免；滲碳層淺的小工件通常省略一次淬火。二次淬火後，施行回火，消除應力，賦予韌性、分解殘留沃斯田鐵，防止時效變形，要求高硬度者在150以下長時回火，忌諱時效變形者，可在稍高的180200回火。三、液體滲碳法： 液體滲碳法為將工作件浸漬於鹽浴中行滲碳之方法。因鹽浴之淬火性良好

8、，因此可減少工作件之變形，並可使處理件加熱均勻。升溫迅速，操作簡便，便於多種少量的生產。尤其在同一爐，可同時處理不同滲碳深度的處理件。 液體滲碳是以氰化鈉（NaCN）為主成分，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。一般工業上使用時，係以滲碳作用為主。 液體滲碳法雖硬化層薄，但滲碳時間短，故內部應力較少，同時因C、N同時慘入，所以耐磨性佳。 液體滲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

9、反應變成氰酸鹽。 2 NaCN + O2 = 2 NaCNO （1） NaCN + CO2 = NaCNO + CO （2） 氰酸鹽在高溫分解生成CO或N。 4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N （3） 在較低溫時反應如下： 5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N （4） 生成的CO及N與Fe反應而進行滲碳及氮化。 Fe + 2 CO = Fe - C + CO2 （5） Fe + N = Fe - C （6） 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，比起Na

10、CN單鹽，表面碳濃度低，擴散層增加，900時的碳濃度最高，這是由於鋇鹽的促進作用大，而且熔點變高，浴的粘性也增加，影響滲碳作用。 滲碳鹽浴的容器通常使用軟鐵、鎳鉻鋼、耐熱鋼，不過，氧化侵蝕很激烈，施行滲鋁防鏽法可延長壽命；容器形狀宜是內容積大、表面積小、接觸空氣的面少，蒸發揮散量也少，但是容器的上部與下部滲碳力不同，所以要注意鹽浴攪拌。 與滲碳處理的零件安裝於適當的夾具，預熱到200500後浸入鹽中，盡量防止鹽浴溫度降低及熱變形。浴底堆積很多氧化物，處理品接觸它時會變形，所以須預先調節夾具，使處理品與浴底之間有充分的餘裕。 如前所述，NaCN會隨熔融時間而劣化，滲碳能降低，所以作業中要定期分析

11、CN，CN不夠時，添加指定的補給劑，保持滲碳能在前面所述的鋼箔試驗可簡易試出滲碳能，因NaCN有吸濕性，若將含有水分的補給劑投入加熱浴中，則會濺散，須利用爐的隔熱壁乾燥。 滲碳終了後可直接淬火，不過滲碳溫度高時，可先浸入保持淬火溫度的中性鹽浴中，然後淬火。表6-1為各種淬火方法之比較。 回火係去除淬火時發生之殘留應力。且將之部分之殘留沃斯田鐵變為麻田散鐵。溫度過高則硬度會降低，一般以150200為最適宜。表6-1 液體滲碳後之淬火法舊 方 法新 方 法A 法液體滲碳後冷卻至室溫，然後再加熱至800淬火於水中。液體滲碳後淬火於500600之浴中，然後速即加熱至800淬火於水中。 B 法（高合金鋼

12、） 液體滲碳後冷卻至室溫，在650作中間退火，再加熱至800後水冷。同 上C 法二次淬火法Case，Corc之調質硬化。液體滲碳後淬火於500600之熱浴中再加熱至900，然後再次淬火於500600之熱浴中，最後再次加熱至800後水淬火之。四、氣體滲碳法： 氣體滲碳，由於適合大量生產化，作業可以簡化，品質管制容易算特點，目前最普遍被採用。此法有變成氣體（或稱發生氣體）及滴注式之兩種。 變成氣體方式之方法是將碳化氣體（C4H10，C3H8，CH4等）和空氣相混合後送入變成爐（Gas generator），在爐內10001100之高溫下，使碳化氫和空氣反應而生成所謂變成氣體（Converted G

13、as），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，內含微量CO2、H2O、CH4，然後將此氣體送進無外氣洩入的加熱爐內施行滲碳。滲碳時，因所需的滲碳濃度不同，在變成氣體內添加適當量的C4H10、C3H8、CH4等以便調滲碳濃度。  氣體滲碳有關的反應如下所示： 2CO =C+ CO2 （1） CO + H2 =C+ H2O （2） CH4 =C+ 2 H2 （3） C2H6 =C+ CH4 + H2 （4） C3H8 =C+ C2H6 + H2 （5） 此處析出的碳為活性碳C，此碳滲入鋼中擴散而滲碳。 高級碳化氫以式（4）、（5）的

14、反應依序分解，成為低級碳化氫，最後成為CH4，進行式（3）的分解，式（4）、（5）的分解速度比式（3）快。 這些反應還會引起下示的副反應 H2 + CO2 = CO + H2O （6） CH4 + CO2 = 2CO + 2 H2 （7） CH4 + H2O = CO + 3 H2 （8） 以上為氣體滲碳的基本反應。 進行氣體滲碳時，需要前述的氣體變成爐、處理爐及其他附屬設備，都屬於氣密式爐體，爐內有風扇使滲碳及溫度均勻化。 在變成爐變成的滲碳性氣體，以對應於處理目的的氣體組成或露點的氣體導入處理爐。 此氣體參與鋼的滲碳，會副生CO2，減低滲碳性，為了從鋼材表面除去CO2，有必要以某速度以上使

15、滲碳性氣體流動，調節氣體流量，使爐內氣體每1小時置換510次，又為了防止爐外的氧化性氣體混入，爐內壓力要保持稍高於1氣體。 取出、裝入處理品之際，要實施火陷簾，防止空氣混入，免得爆炸。 滲碳終了後進行淬火，不過滲碳溫度當作淬火溫度時太高的話，可降低氣體的碳位，降低爐溫，成為淬火適溫後淬冷。 淬火用油若不適當，則即使在爐內為光輝狀態，淬入油中時也會氧化著色，達不到光輝處理的目的；淬火油阻害光輝性的因子有油的氧化、殘留碳、硫量等油的性狀或直接與組成有關者，或微量的水分及空氣混入的活，也會降低光輝度。 氣體滲碳後降低溫度至800以後直接淬火於水或油中，此時若使用麻淬火之處理則可減少淬火變形，又氣體滲

16、碳後之組織，其表皮含碳濃度與芯部含碳量之間有顯著之差異，所以滲碳後須施以擴散退火（900950），此後在800淬火之，淬火後必須在150180施以低溫回火。 滲碳後之熱處理一般依滲碳溫度而分為二種：（1）    滲碳溫度在鋼件原含碳量之Ac3上方時，滲碳後中心部份之組織變成微細，表皮則為粗大，此時熱處理只須將表皮之粗大晶粒處理成微細晶粒即可，故將滲碳後之鋼件，加熱至A1稍上方（780附近）淬火即可。（2）    若滲碳溫度在Ac3上方甚高溫度處，則中心部晶粒亦成為粗大，此時須經二次熱處理。第1次淬火之目的在於使未被滲碳之心部組織微細化

17、，即加熱至Ac3上起沃斯田鐵變態，而結晶粒剛微細化時淬火之，故溫度較高。同時在此溫度下，滲碳層之高碳部份的網狀雪明碳鐵可固熔於沃斯田鐵，所以淬火後不再有網狀雪明碳鐵存在。 但是此淬火溫度，作為滲碳層之淬火溫度未免過高，必須再一次在較低之溫度作第二次淬火。此溫度對於滲碳層而言，相當於A1與Acm之間約760附近，故經第二次淬火之鏟，滲碳表面層為麻田散鐵，基地中有許多球狀碳化物存在，故耐磨性高。 回火係去除淬火時發生之殘留應力，且將一部份之殘留沃斯田鐵變為麻田散鐵。溫度過高則硬度會降低，普通以150200為最適宜。 若須較高之硬度時，則宜在100170回火，若須韌性時，則宜在400以上，Ac1以下回火之，則得回火糙斑鐵組織。  五、氣體滲碳氮化法： 氣體滲碳氮化時，滲碳和滲氮作用同時行。氣體滲碳用的氣體滲碳用的氣體用來產生滲碳作用，而N H3氣體用產生滲氮作用。氣體滲碳氮化溫度為704900，其處理時間比氣體滲碳法短，得較薄的硬化層，所得滲碳氮化結果類似於液體滲碳氮化所