可控气氛渗碳原理.doc

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可控气氛渗碳原理、工艺及常见问题分析
渗碳原理
1.定义：渗碳是目前机械制造业中应用最广泛的一种化学热处理方法。
它是渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子，经过表面吸收和扩散将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表层，使其达到共析或略高于共析成份时的含碳量，以便将工件淬火和低温回火后，其表层的硬度、强度，特别是疲劳强度和耐磨性较心部都具有显著的提高，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。

2化学热处理是将工件放在一定的活性介质中加热，使金属或非金属元素扩散到工件表层中，改变表面化学成份的热处理方法。
通过改变表面化学成份或随后的热处理，可以在同一种材料的工件上使心部和表面获得不同的组织和性能。譬如，可以在保持工件心部有较高的强韧性的同时，使其表面获得高的强度，硬度和耐磨性能。如渗碳，改善零件间抗咬合及提高抗擦伤能力的如渗氮，使工件具有抗氧化、耐高温和抗蚀性能的如渗铝，渗铬，渗硅。

3.化学热处理的其本过程：
渗剂

金属

Ⅰ
渗剂中的反应

Ⅱ
渗剂中的扩散
Ⅲ
相界面反应
吸附和解吸过程
Ⅳ
金属中的扩散
Ⅴ
金属中的反应

奥氏体中碳浓度升高，二次Fe3C析出（冷却时）。碳在Me周围富集，
碳与Me间相互作用。

由于表面—心部浓度梯度而发生C的扩散
2CO←→[C]+CO2渗入组元C，CO；2CO+Fer←→Fer(c)+CO2
CO+H2O←→CO2+H2
CH4←→[C]+2H2

平衡时：acRM=ac表面

t1＜t2＜t3＜t4＜t5

T—温度t—时间P—总压力Pi—渗剂中组元的分压力ai—元素的活度
Cp—碳势Me—金属RM—渗剂DE-扩散元素acRM—渗碳介质中碳的活度
ac表面—工件表面碳活度
活度ªc—碳在奥氏体中的相对浓度
碳势Cp—表征含碳气氛在一定温度下改变钢件表面含碳量能力的参数。

3.1第Ⅰ过程—渗剂中的反应，平衡常数及其与温度的关系

无论采用何种渗碳剂，主要渗碳组分应均为CO或CH4,产生活性碳原子[C].

反应式平衡常数平衡常数与温度的关系2CO=[C]+CO2K=PCO2/P2COtgK=8720/T-0.901CH4=[C]+H2K=P2H2/PCH4tgK=-4775/T+5.77CO+H2O=CO2+H2K=PCO2PH2/PCOPH2OtgK=1725/T-1.59CO=[C]+1/2O2K=P1/2O2/PCO
当{PCO2/P2CO；P2H2/PCH4；PCO2PH2/PCOPH2O；P1/2O2/PCO}＜K时，反应正向进行，反之逆向进行。气氛的碳势CP=P2CO/PCO2或PCH4/PH2;PCO/P1/2O2,是用来度量介质活性即提供活性碳原子的能力。与其气氛组分的分压即平衡常数直接有关，而K有与温度有密切的关系。同样的组分，温度越高，碳势越低。
因此，只要控制气氛的组分的分压（或体积分数），就可控制反应进行的方向。不仅保护工件不氧化，不脱碳而且还可以实现渗碳。
所谓的碳势控制就是控制这些炉气组分间的相对量。如在RX气氛中由于燃料气体（CH4或C3H8）和空气的比例实际在一个很小的范围内变化（2.38或7.14）。所以H2，CO基本不变，分别为20.7%；38.7%或23%；32%。
要控制炉气的碳势，只需改变其中的微量组分CO2或H2O的含量即可。因为根据水煤气反应，在CO，H2量基本不变的情况的下，CO2或H2O有一定的对应关系，同样O2也与之有对应关系。
控制任意一个因子的分压即可达到控制碳势的目的。这也是CO2红外仪，露点仪，O2探头控制碳势的原理所在。

3.2第Ⅱ过程—渗剂中的扩散，渗剂向零件表面扩散(传递、传输)，然后相界面反应物（CO2，H2O）从界面逸散（包括解吸的渗剂）。与温度T，流速有关。
流速与炉压、气流方向、排气口的开启度，保压阀的调整,风扇的数量、位置、马弗安装，零件的装载方式有关。通过排气口加以观察。（生产中拆卸的保压阀的安全问题，碳黑的清理。举例：火苗的长度、颜色—白烟、爆火星）

3.3第Ⅲ过程—相界面反应：
渗入元素活性原子[C]吸附在零件表面并发生反应。吸附过程可能是单纯的物理吸附。同时也可能是在吸附原子[C]和金属Me表面原子之间发生强烈化合的化学吸附。被吸附的活性介质与金属表面发生吸附—解吸过程。

3.3.1以CO为气体渗碳剂时CO分解过程的相界面反应为例（见前图）
2COCO2+[C]
该反应的实质就是一个CO分子从另一个CO分子中夺取氧原子而生成CO2,同时析出一个活性碳原子。这必然要破坏一个CO分子的C—O键而碳和氧之间的结合力是很强的，如果单靠两个CO分子间猛烈的碰撞来破坏C—O键，完成上述转化过程几乎是不可能。就是说，在气相中