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 = CO2 （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 CO320～30％，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（20～25㎜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180～200℃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，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NaCN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200～500℃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150～200℃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500～600℃之浴中，然後速即加熱至800℃淬火於水中。 B 法 （高合金鋼） 　 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500～600℃之熱浴中再加熱至900℃，然後再次淬火於500～600℃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1000～1100℃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滲碳性氣體流動，調節氣體流量，使爐內氣體每1小時置換5～10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（900～950℃），此後在800℃淬火之，淬火後必須在150～180℃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，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150～200℃為最適宜。 若須較高之硬度時，則宜在100～170℃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704～900℃，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得者。 處理層的硬化能，比由滲碳所得的滲碳層好，所以把滲碳氮化和淬火適當配合時，碳鋼或低合金鋼也可以得到十分安定的高硬度硬化層。由此法所得的硬化層深度為0.07～0.75㎜。淬火時可採用油淬火，有時可實施氣體淬火來防止淬火變形而仍能得到高的表面硬度。 滲碳氮化所使用的鋼由以低碳構造用鋼和低合金構造用鋼為主，其主要目的是改善耐磨性。假如同時要滿足耐荷重性和耐磨性，首先滲碳1.5～1.8㎜，其次實施滲碳氮化，然後加以油淬火。 氣體滲碳氮化層因為含有N，其回火軟化抵抗性大，所以回火溫度要比氣體滲碳淬火者高。通常回火於190～210℃時，表面硬度為HRC58以上。