渗碳体

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灰铸铁、球墨铸铁渗碳体的成因与防止

化学元素Ti 球墨铸铁

张文和，丁俊，聂富荣

(铸峰特殊合金有限公司销售公司，南京210002)

摘要：灰铸铁、球墨铸铁铸件生产过程中，往往出现游离渗碳体。本文从铸铁的常规化学成分；反石墨化元素；O、N、H气体元素；共晶团数；冷却速度；铸铁的熔炼；炉料遗传性；共晶最后阶段凝固特点等方面，阐述铸铁渗碳体出现的原因，并提出相应的防止措施。

关键词：渗碳体；石墨化；白口倾向；共晶团；孕育

铸铁凝固时，铁液按稳定系结晶，碳原子以石墨状态析出，铸铁断口呈灰色，得到灰铸铁；铁液按介稳定系结晶，碳原子与铁原子结合成碳化铁，断口呈白色，得到白口铸铁；介于两者之间，得到麻口铸铁。铸铁中碳原子聚合成石墨的过程，称石墨化。

灰铸铁共晶阶段冷却曲线如图1，

TE1——稳定系共晶转变开始温度

TE——介稳定系共晶转变开始温度TE

TEN——共晶生核开始温度

TEU——大量形核温度

TER——共晶回升温度最高值

TS——共晶转变终了温度

如果TEU>TE、TS>TE则得到全部灰口组织；如果TEN、TER则得到全部白口组织。若TEU>TE，Ts，则凝固后出现游离渗碳体；TS略低于TE时，会在最后凝固区域或共晶团间出现少量游离渗碳体。TER，TEU则出现莱氏体。铁液中生核能力强，则生核开始温度TEN高，基晶团数量增加，共晶阶段冷却曲线上移减少共晶转变过冷度，使TS>TE促进形成灰口组织。因此强化孕育增加生核能力，提高共晶团数量，必然减少白口倾向。

影响铸铁共晶阶段冷却曲线的因素有：①是化学元素(合金元素)；②冷却速度；③结晶核心；④生铁的遗传性。例如：石墨化过程在TE一TE共晶区间进行，Cr、V、Ti缩小TE1一TE共晶区间，石墨尚未析出就下降到介稳定共晶转变温度TE以下，碳原子来不及扩散与聚合成石墨，铸铁凝固成白口或麻口。铸铁出现渗碳体显然会降低力学性能和切削性能。

四、渗碳钢

渗碳钢是用于制造渗碳零件的钢种。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表6~8所示。

1、用途 渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。

2、性能要求 ① 表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧；② 具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。

3、成分特点 ① 低碳：含碳量一般为0.1~0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。② 合金元素：主加元素为Cr、Mn、Ni、B等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。

4、热处理和组织特点 渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1+30~50℃。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58~62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。

5、常用钢种

根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类。

① 低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。

② 中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。

气 体 渗 碳

气体渗碳是比较完善和经济的渗碳方法，它的主要优点如下：

① 它不需要渗碳箱，零件直接加热，生产周期较短。

② 易于控制渗碳气氛，产品质量较稳定。

③ 便于直接淬火，便于实现自动化。

④ 周围环境清洁，大大减轻劳动强度。

但是，气体渗碳一般需要专门的设备，因而影响了普遍推广使用。

气体渗碳所采用的炉子，一般有连续式无马弗炉和井式炉。一般中，小批量生产的工厂，大都采用井式渗碳炉进行气体渗碳。渗薄时，把零件装于用耐热钢诸如此类料筐内。放入炉膛中，密封加热，然后输入氢把有机液体(煤油、苯、酒精、丙酮等)滴入炉内。滴入剂的种类很短而以煤油应用得最广泛，因价格便宜，来源充分，且有很强的渗碳能力，可满足渗碳要求。

(一) 气体渗碳的基本原理

煤油滴入渗碳炉后，经过高温热裂分解一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，氧(O2)，氢(H2)和饱和碳氢化合物(CnH2n+2)及不饱和碳氢合化物(CnH2n)等多种混合气体。

气体渗碳主要利用其中一氧化碳，饱和的碳氢化合物和不饱和的碳氢化合物，靠这些气体在渗碳温度分解得到原子状态的碳而产生渗碳作用。

2CO —→ CO2 + [C]

CnH2n+2 —→ (n+1)H2 + n[C]

一氧化碳在高温渗碳时，其分解速度较慢，分解与吸收基本平衡，因此，一般没有过剩碳沉积，而不饱和碳氢化合物，渗碳开始时会猛烈地析出碳，形成一层碳黑，附于零件表面，阻止渗碳的进行。所以，渗碳气体中不饱和碳氢化合物含量应控制低些。

(二) 气体渗碳工艺及操作

⒈ 装炉：把零件与相同钢材的试样一起置于渗碳料筐中，零件之间应留5—10mm间隙，空炉加热(封闭炉盖)至920—940℃时将渗碳料筐迅速吊入炉膛中，扳紧螺母以压紧炉盖，开大甲醇滴量，打开废气孔排气，并启动风扇马达。

⒉ 升温：工件装炉后立即开始升温，此时炉温下降较多，(约800—850℃)，而工件的温度更低。此时不宜滴入大量的渗碳剂(因炉温低，不能充分裂解，而且工件温度低不能吸碳，滴入的渗碳剂将会形成大量的碳黑附于工件表面，影响随后渗碳正常进行)。最好滴入裂解温度较低的，而且裂解后不产生不饱和碳氢化合物的有机液体如甲醇。进行加热时的保护。当炉温升至(920—940℃时，即可滴入煤油。

渗碳

科技名词定义

中文名称：

渗碳

英文名称：

carburizing

定义：

为增加钢件表层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。

应用学科：

机械工程（一级学科）；机械工程(2)_热处理（二级学科）；化学热处理（三级学科）

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求助编辑百科名片

渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分.

相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。

目录

简介

原理

分类

渗碳工艺

渗碳工艺新发展

渗碳的常见缺陷及其防止

编辑本段简介

渗碳（carburizing/carburization）

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。