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不锈钢管渗碳的基本过程:分解、吸取和扩散及其具体表现形式是什么?

来源:小编 发布时间:2021-09-13 次浏览

渗透碳是目前机械制造工业中应用最广泛的化学热处理方法。其技术特点是将不锈钢管和低碳合金钢零件在增碳活性介质(增碳剂)中加热到高温(900~950℃),将碳原子渗透到表面层,淬火低温再火,使零件表层和心部具有不同的成分、组织和性能。

一、渗透碳的基本过程。

根据碳介质的状态,可分为气体碳、固体碳和液体碳。但是,无论用什么样的碳介质渗透碳,都有分解、吸取、扩散三个基本过程。

1.渗透碳介质的分解过程。

分解是活性介质在一定温度下进行化学分解,分析活性(初生态)原子(或离子)的过程。

例如,在固体渗碳时,木炭在密闭的渗碳罐内不完全燃烧,产生一氧化碳(CO)。一氧化碳在不锈钢管表面分解活性碳原子[c],其反应如下

2CO->;C02[c]。

另外,在气体渗透碳的情况下,煤油在高温热分解时产生的甲烷(CH4)在不锈钢管的表面根据以下反应分解活性碳原子[c]

CH4->;2H2[c]。

化学介质分解的速度取决于化学介质的性质、数量、分解的温度、压力和催化剂的有无。

2.活性原子被金属表面吸取过程。

吸取是活性原子(或离子)与金属原子结合进入金属表层的过程。吸取的方法是活性原子溶解在钢的固溶体中或形成化合物。渗碳时,渗碳介质分解的活性碳原子吸附在不锈钢管表面后,溶解在奥氏体中,形成间隙固溶体。碳浓度超过该温度时,奥氏体饱和浓度可形成化合物(碳化物)。

吸取的强弱与活性介质的分解速度、渗透元素的性质、扩散速度、不锈钢管的成分及其表面状态有关。

3.渗透元素的扩散过程。

扩散是指被不锈钢管表面吸取的活性原子(或离子)转移到不锈钢管深处,形成一定厚度的扩散层(即渗透层)。

碳、氮、硼等要素渗透到γ-Fe或α-Fe时,形成间隙固溶体。铬、铝、硅等渗透到γ-Fe时形成置换固溶体。间隙固溶体中的扩散机构是溶质原子从一个间隙位置到另一个间隙位置的连续移动。如图10-1所示。交换固溶体中溶质原子的扩散,被认为是通过空位进行的。空位每次发生位移,相当于邻近的原子朝着空位的方向移动到空位。如图10-2所示。

固溶体中溶质原子的转移方向是任意的。但是,固溶体内存在浓度差的情况下,从浓度高的同时向浓度低的同时移动很多溶质原子,以浓度均匀为目标。这种原子的方向性转移导致扩散物质的宏观流动。扩散物质的扩散数量可以用扩散的第一法则来表示,这是第一章。

应指出,扩散的第一定律只适用于固溶体各区域的浓度不随时间而变化的情况。但在化学热处理过程中,渗透层内各区域的浓度随时间而变化,渗透要素的扩散速度与不锈钢管表面的浓度有关。考虑到上述两个因素对扩散的作用,需要用扩散的第二法则来表示。

实际使用时,为了解决扩散的第二法则,必须提出具体的边界条件。

扩散层的深度随着扩散时间的增加而加深,其加深速度大致遵守抛物线的规律。

渗透碳时,渗透碳层的深度是温度和时间的函数。从图可以看出,同样的渗碳温度,渗透层的深度随着时间的推移而增加。但是,随着时间的推移,它的增长速度越来越慢。温度上升对渗透层的影响远远强于时间延长对渗透层的作用。

化学热处理是受上述分解、吸取、扩散三个基本过程的控制,受三者相互制约的结果。例如,在渗透碳的情况下,在吸引碳的阶段是强渗透碳的阶段,渗透碳的介质必须分解足够的活性碳原子,吸取不锈钢管的表面。如果分解的活性碳原子的数量少于表面吸取的数量,就会使不锈钢管表面层碳量达不到应有的浓度,因而减少了碳浓度梯度,使碳原子的扩散速度减慢,造成渗碳速度缓慢。如果提供的活性碳原子过多,未被不锈钢管吸取的活性碳原子失去活性,以分子形式而呈固相出现,即形成碳黑沉积在不锈钢管表面上,则会阻碍不锈钢管渗碳。但到扩散阶段,不锈钢管表面吸取了一定数量的碳原子向深处扩散时,介质所提供的活性碳原子的数量则要与碳原子向深处扩散的数量相适应。在一般生产的条件下,碳原子往深处扩散的速度总是小于表面吸取的速度,所以扩散阶段所要提供的活性原子的数量应比吸取阶段少得多。为此,在渗碳操作时应在渗碳的各个阶段随时调整渗碳介质的供应量。

分解、吸取、扩散是各种化学热处理共有的基本过程,也适用于氮化、碳氮共渗、渗透金属等其他化学热处理。



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