20Gr 碳氮共渗 - 图文

京 江 学 院

JINGJIANG COLLEGE OF J I A N G S U U N I V E R S I T Y

综合实验论文 20Cr碳氮共渗

学生学号： 3091161029 学生姓名： 何磊 专业班级： J金属0901

13年 1 月

20Cr碳氮共渗

摘要：在相同温度、相同时间下对20Cr试样进行碳氮共渗，通过对不同的冷却环境下对实

验样品进行对比，分析碳氮共渗不同冷却介质对20Cr材料的影响。

关键词：20Cr、碳氮共渗、共渗层厚度、硬度、冷却介质

一、实验原理

气体碳氮共渗，是把含碳、氮的气体或液体有机化合物通入炉内，使其在一定温度下析出碳和氮的活性原子并渗入工件表面的工艺。气体碳氮共渗不用氰盐，只要把一般气体渗碳设备稍加改装，便可进行共渗处理。化学热处理包括三个基本过程，即①化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；②活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程；③被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。

气体碳氮共渗使用的介质可分为两大类：一是渗碳剂加氨，另一类是含有碳氮元素的有机化合物。在本次试验中采用的是第一种。

在渗碳剂加氨中，渗碳剂是供碳源，可用以丙烷富化的吸热式气体，也可以用碳氢化合物有机液体。本实验中我们采用的是液体渗碳剂煤油和稀释剂甲醇；氨气则是供氮源。碳氮共渗时，将上述两种气体按比例同时通入炉罐，它们除各自发生渗碳反应和渗氮反应外，还相互作用：

CH4+NH3→HCN+3H2 CO+NH3→HCN+H2O

新生的氰化氢（HCN）又在工件表面分解产生活性原子

HCN→H2+2[C]+2[N]

活性碳氮原子被工件表面吸收并向内部扩散，形成共渗表层。调整和控制炉气的碳势与氮势，就能控制渗层质量。 二、实验设计 1.实验目的

主要是通过亲手操作20Cr的碳氮共渗实验，了解化学热处理的操作步骤与实验过程，从而熟悉钢的化学热处理实验；通过碳氮共渗后的不同热处理来比较钢的表面硬度的变化，来分析碳氮共渗后热处理对钢的性能的影响。 2.实验设备

井式碳氮共渗炉、砂轮机、锯条、砂纸（粗细共7种）、镶嵌机、抛光机、吹风机、棉球、金相显微镜、洛氏硬度装置、照相机。 3.实验器材

20Cr试样2块、甲醇、煤油、氨气、3%硝酸酒精溶液、无水乙醇、抛光液、镶嵌粉等。 4.实验过程

1）将2块20Cr试样分别用铁丝串好，调节碳氮共渗炉的各项参数，即共渗温度、碳势、氮势等，确保煤油、甲醇和氨气的通入量合理。然后将两块试样放入井式炉中进行碳氮共渗。 2）试样保温4小时后，开炉取出其中的一块试样迅速进行水淬处理，另一块继续放在炉中进行炉冷，此时应关掉煤油、甲醇和氨气的通入。

3）将水淬后的试样的一面稍微打磨一下，测量其表面硬度，记录数字。

4）再将此圆形试样锯掉其三分之一，然后通过镶嵌机进行镶嵌；再在砂轮机上进行打磨镶嵌好的试样，较平整时转用砂纸从粗到细进行处理。

5）将磨好的试样测量其心部硬度；再经过抛光腐蚀后观察其渗层组织、心部组织，并拍照；测量并计算碳氮共渗层的厚度，进行记录。 6）炉冷的试样出炉后也打磨后测量其表面硬度。 三、实验内容 1、碳氮共渗气氛控制

通常共渗气氛中，氨气含量为25～35％，对于碳氧共渗炉气的控制一般采用在稳定炉气氮气的基础上控制炉气的碳势。稀释剂甲醇除了可以控制炉内气氛成分的稳定外，还可以配合废气排出孔开启的程度控制炉内的气氛压力。

本次试验的碳氮共渗过程为：预渗→装炉→排气→强渗→扩散，其中预渗和强渗时的气氛不同。共渗介质的供应量应能满足下列工艺要求：供应适量的碳氮原子，并使炉内保持正

压，保证气氛均匀流动。排气阶段要输入大量共渗介质，以迅速排除炉内的氧化性气氛，恢复炉气的正常成分。扩散阶段应适当减少介质供应量，以控制渗层碳氮浓度，减少淬火后的残余奥氏体数量。一些资料介绍，碳氮共渗时气体介质每小时的正常流量应为炉罐容积的6~10倍，即保证每小时换气6~10次。如果采用煤油+氨共渗，可将煤油每小时的滴入量换算成渗碳气体的体积（炉温850℃时，煤油的产气量为0.7~0.8m3/L）进行计算，换气次数要低些，一般为3~8次。

我们本次试验中在预渗阶段只通入煤油和甲醇，用于营造共渗气氛，其中煤油的滴量为25滴/min，甲醇的滴量为200滴/min。

强渗阶段同时通入氨气、煤油和甲醇，其中通入量分别为：氨气200L/h，煤油55滴/min，甲醇30滴/min。 2、共渗温度的确定

温度直接影响碳氮共渗介质的活性和碳、氮原子的扩散系数，从而对渗层碳氮浓度、渗层厚度乃至渗层组织等均有较大的影响。因此，正确地选择共渗温度，对提高渗层质量和加快共渗速度具有重要意义。

对于要求具有良好综合力学性能的工件应选取中上限（850~880℃）；对于易变行的复杂件或薄壁件选取中下限（820~850℃）。

实验发现一定温度范围内，共渗温度越高则共渗层越厚，当温度高于880℃时渗层厚度的增加趋于缓慢（如图1所示），但却由于温度的增加而使晶粒变的粗大，故都采选温度为860℃。

图1 共渗温度对共渗层的影响

3、共渗时间的确定

共渗时间既会影响到共渗层厚度，也会影响渗层的碳氮浓度。；当共渗时间过长时，化合物量随之增加，甚至出现明显的网状碳化物，损害渗层的性能。

根据经验公式δ=K√t求的共渗时间 δ——共渗层深度 t——共渗时间

K——材料系数（20Cr中K=0.3）

一般常用钢种K值如下表1所示

表1常用钢种k值

钢 号 20Cr 20CrMnTi 20CrMnTi 20MnMo 10或20钢 共渗温度 ℃ 850-870 850-870 820-840 840 850-870 K值 0.30 0.32 0.31 0.34 0.28 常在较低的温度下碳氮共渗时，表面硬度随时间的延长而迅速增加；但当共渗时间继续延长时表面硬度不再增加。而在较高的温度下碳氮共渗时，表面硬度值所对应的时间是2～3小时，如时间继续延长，表面硬度反而有下降的趋势。在本次试验中，我们预计深层深度为0.6mm，因此代入公式X=Kτ，通过计算我们的共渗时间是3h。

我们把共渗阶段分为两段，即30分钟的强渗阶段和150分钟的扩散阶段，同时扩散阶段的滴量和炉内压力要适当降低。分析原因在共渗初期试样表面还没有形成一定厚度的渗层，其共渗过程的控制因子主要是产生活性原子的界面反应和吸收活性原子的过程。 因此，催渗的效果明显。共渗150分钟后，表面的碳氮原子已基本饱和，吸附碳氮原子的速度减慢。这时，应该预防的是高温下工件表面的脱氮，即已经渗入工件表面的部分氮原子又回到气体介质中。所以在扩散阶段和降温阶段仍然要保持一定的炉内气氛的压力。通过对实验数据分析得出最终的热处理工艺曲线如下图所示。

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