CN1069527A - 碳弧渗碳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有关金属表面渗碳的一种新工艺。

原有的金属表面渗碳工艺设备复杂，周期长、成 本高。本发明采用普通焊接电源，利用碳(或石墨)产 生电弧将碳原子直接过渡到金属表面，形成渗碳层， 从而达到强化金属表面的目的。

本发明渗碳迅速、操作容易、设备方便，尤其适于 大型零件的表面及零件表面的局部渗碳。

Description

本发明涉及有关金属表面渗碳的一种新工艺。

为了强化金属表面，增加其表面硬度、耐磨性和疲劳强度，对金属表面进行渗碳是达到这一目的的一种现行的传统的工艺方法。

现行的渗碳工艺即是把低碳钢工件放在渗碳性介质中，加热到单相奥氏体区（一般采用920～930℃），保温足够长的时间，使表面层的碳浓度提高的一种热处理方法。它属于化学热处理的一种。

渗碳一般由分解、吸收、扩散三个基本过程组成：

分解过程就是由做为活性介质的化合物中分解出活性原子的过程。例如渗碳时，由CO或CH₄分解出活性碳原子〔C〕，反应如下：

吸收过程就是活性原子由钢的表面进入铁的晶格的过程。由于在钢的表面上存在大量的位错露头和晶界露头，为活性原子的渗入提供了方便的通道。由于碳原子半径较小，所以是以间隙方式进入铁的晶格的。

扩散过程就是渗入钢中的碳原子由表面向内部扩散迁移的过程。温度越高，扩散越快，因而渗层增长越快。表面浓度越高，扩散也越快，渗层增长也越快。

一般来说，在上述三个基本过程中，扩散是最慢的一个过程，整个渗碳过程的速度就是受扩散速度所控制，它是最费时的一个过程。

在钢的化学热处理当中，渗碳是应用最广泛的一种工艺，主要是应用于齿轮、活塞销、轴类等另件。渗碳用钢都是含0.10～0.25%C的低碳钢及合金钢，如15、20、20C_r、20C_rmnTi等。

渗碳另件大都是在交变载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件下工作的，因此要求表面层硬而耐磨，心部强而韧，具有高的疲劳强度、表层不崩裂、不压陷、不点蚀。

经过大量科学研究和生产实践了解到，渗碳层的表面碳浓度在0.8～1.1%之间为好，尤其是在0.85～1.05%之间最好。表面碳浓度过低则不耐磨，疲劳强度也低。反之，表面碳浓度过高，则渗碳层变脆，一旦出现网状或块状碳化物，更易剥落。

根据渗碳介质的状态不同，可以分为固体渗碳、膏剂渗碳、液体渗碳和气体渗碳。

其中固体渗碳、膏剂渗碳和液体渗碳由于其自身的缺点所限，除在个别情况下应用外，均已被气体渗碳所代替。

气体渗碳是在专用的井式渗碳炉或贯通式渗碳炉中进行的，工件在高温的渗碳气氛中进行渗碳。

炉内的渗碳气氛有两种供给方式：一种是把吸热式气体和富化气（CH₄、C₃H₈等）由管道通入炉内;另一种是把煤油、苯、甲醇等有机液体直接滴入炉内，高温裂解形成渗碳气氛。

渗碳气氛主要由CO、CO₂、H₂、H₂O以及CH₄等组成，一般要求CO₂＜0.5%，H₂O＜0.5%，CH₄＜1.5%。

气体渗碳反应如下：

通过最后这个“水煤气反应”，气氛中的几种气体含量始终保持平衡，因此只要测出H₂O或CO₂的含量便可知气氛的碳势高低。由于CH₄的渗碳活性大于CO，CH₄含量的微小变化就使气氛碳势发生很大波动，很难控制，所以CH₄含量不希望太多，一般都控制在1.5%以下即可。因此气体渗碳主要是依靠CO分解来形成活性碳原子。

目前工厂中广泛采用的是在井式渗碳炉中滴煤油渗碳。

井式炉气体渗碳的工艺参数各厂不一样，目前比较成功的典型工艺如附图1及附图2所示。

从图中可以看出，气体渗碳一般分为三个阶段：

1）排气阶段：由工件入炉升温开始，直到炉内气氛达到要求的碳势为止，称为排气阶段。排气阶段不仅包括整个升温时间，还要包括仪表到温后的30-60分钟保温时间。这一阶段也称“换气阶段”。

2）强渗阶段：进入这一阶段时，炉内气氛已建立起高碳势，工件也已加热，于是钢的表面碳浓度很快达到碳势值，并向内很快地扩散。此时渗碳的三个基本过程都强烈地进行着。强渗阶段的时间根据渗层深度要求来定，一般在1～2小时左右。

3）扩散阶段：这一阶段的目的是调节表面碳浓度达到最佳范围，并使渗层达到要求深度。这一阶段的保温时间可为强渗阶段的2倍。

从上述分析可以看出，尽管气体渗碳被目前广泛采用，但其仍存在很多缺点：

1）需要专用设备，设备投资大。如一台60千瓦井式气体渗碳炉（料筐尺寸为φ450×600），其价格即为4万～5万元。如果采用可控气氛气体渗碳炉，其造价将更昂贵，可达几十万甚至上百万元。

2）不适宜单件小批生产，受炉膛尺寸限制，更不适宜大件的生产。

3）渗碳周期长，成本高，生产率低。一般气体渗碳时间均在十几小时以上，故造成电能的浪费，并降低了生产率，增加了产品的成本。

针对上述气体渗碳的缺点及局限性，为了解决单件小批另件尤其是大型另件的渗碳及另件局部渗碳的需要，本发明将提供一种快速简便的渗碳新工艺-碳弧渗碳。

本发明的原理是利用碳（或石墨）做电极，通过焊接电源产生电弧，将碳原子直接过渡到金属表面，在金属表面形成渗碳层，从而达到强化金属表面的目的。

用碳（或石墨）电极渗碳时，电弧在碳（或石墨）的电极与被渗工件之间燃烧（见附图3）。由于碳电极的熔点（3800℃）和它的沸点（4200℃）相近，所以在渗碳时，不是碳电极的熔化，而主要是它的蒸发。

当采用直流正极性（碳极为负，工件为正）时，电弧稳定，但此时由于电极温度较低（低于沸点），电极消耗较慢，只有在短弧（弧长＜5mm）时才能引起工件的渗碳，但不强烈。此种电弧只适于碳弧焊接。

当采用直流反极性时（工件接负，电极接正），由于阳极（碳极）温度高（与碳的沸点相当），此时碳电极大量蒸发，产生大量的碳蒸汽，并向工件过渡，使熔化的工件表面强烈渗碳，最大的碳含量能达到1%左右，正好在常规的渗碳范围内。为使电弧能正常工作、反极性时，电弧长度不能大于10mm。

采用反极性渗碳时，可在焊接回路中串联一个由6～12圈组成的电感线圈，可大大增加电弧的稳定性。也可在工件表面上涂以浠释的水玻璃、碳酸钾溶液及其它易电离物质做成的膏剂来增加电弧的稳定性。

渗碳时，碳电极的消耗为每分钟几毫米，它取决于电弧电流密度的大小。为了减少电极的消耗和防止其氧化烧损，在大面积渗碳时（如轧辊表面渗碳）需采用氮气或氩气保护，并采用相应的装置来自动输送电极、自动调节弧长，以保证渗碳过程的稳定性。

碳弧渗碳其深度为3-5毫米。当所需渗层较薄（＜3mm）时，为了渗后减少加工余量，可在渗完后，用钨极氩弧焊（TiG）对表面进行电弧整容，使工件表面光滑，然后进行表面机加工（如车削和磨削）。

碳弧渗碳时，为防止渗后表面形成裂纹，应将工件予热。予热温度由工件渗层成份决定，一般在500℃以下，具体温度可参照相应成份的工件焊接时防止发生冷裂纹而进行予热的温度。

渗后，为达到所需性能，应对工件进行相应的热处理（兼顾工件心部和表层）。具体工艺可参照一般的气体渗碳后的热处理工艺进行。

渗层的深度及碳浓度的控制主要取决于电弧电流密度，弧长及移动速度。电流的选择原则是既保证电弧的一定的稳定性，又不要使电极沿整个长度发红，以防电极过快烧损。为了获得所需的渗层深度和表层碳浓度，应事先采用试样进行试验，当符合要求时，焊接时即可用该参数进行。当用手工进行小件或局部渗碳时，渗层的深度及表层碳浓度控制取决于焊工的经验，手工渗碳一般用于要求不高的地方。

渗碳时所用电源设备可采用普通自动焊电源或手工焊电源。

由于石墨电极具有高的导电性和在空气中高温时有较好的抗氧化稳定性，故允许采用较大的电流密度和相应地减少它们的直径，应优先选用（与碳电极相比）。

综上所述，碳弧渗碳工艺是一种与传统的渗碳工艺原理不同的新的工艺方法。它具有设备简便（利用普通焊接设备），操作容易（与一般焊接相同），快速、成本低的优点，尤其适于大型另件的渗碳，例如冷轧辊表面堆焊层渗碳和大模数齿轮单齿表面渗碳及工件的局部渗碳等，此时具有其独到之处，是现行的其它渗碳方法所不可比拟的。

Claims (1)

1、在碳(或石墨)电极与金属表面之间形成电弧，将碳原子直接过渡到金属表面形成渗碳层。

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