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不銹鋼管滲碳的基本過程:分解、吸收和擴(kuò)散及其具體表現(xiàn)形式是什么?

來源:小編 發(fā)布時間:2021-09-13 次瀏覽

滲透碳是目前機(jī)械制造工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的化學(xué)熱處理方法。其技術(shù)特點(diǎn)是將不銹鋼管和低碳合金鋼零件在增碳活性介質(zhì)(增碳劑)中加熱到高溫(900~950℃),將碳原子滲透到表面層,淬火低溫再火,使零件表層和心部具有不同的成分、組織和性能。

一、滲透碳的基本過程。

根據(jù)碳介質(zhì)的狀態(tài),可分為氣體碳、固體碳和液體碳。但是,無論用什么樣的碳介質(zhì)滲透碳,都有分解、吸收、擴(kuò)散三個基本過程。

1.滲透碳介質(zhì)的分解過程。

分解是活性介質(zhì)在一定溫度下進(jìn)行化學(xué)分解,分析活性(初生態(tài))原子(或離子)的過程。

例如,在固體滲碳時,木炭在密閉的滲碳罐內(nèi)不完全燃燒,產(chǎn)生一氧化碳(CO)。一氧化碳在不銹鋼管表面分解活性碳原子[c],其反應(yīng)如下

2CO->;C02[c]。

另外,在氣體滲透碳的情況下,煤油在高溫?zé)岱纸鈺r產(chǎn)生的甲烷(CH4)在不銹鋼管的表面根據(jù)以下反應(yīng)分解活性碳原子[c]

CH4->;2H2[c]。

化學(xué)介質(zhì)分解的速度取決于化學(xué)介質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量、分解的溫度、壓力和催化劑的有無。

2.活性原子被金屬表面吸收過程。

吸收是活性原子(或離子)與金屬原子結(jié)合進(jìn)入金屬表層的過程。吸收的方法是活性原子溶解在鋼的固溶體中或形成化合物。滲碳時,滲碳介質(zhì)分解的活性碳原子吸附在不銹鋼管表面后,溶解在奧氏體中,形成間隙固溶體。碳濃度超過該溫度時,奧氏體飽和濃度可形成化合物(碳化物)。

吸收的強(qiáng)弱與活性介質(zhì)的分解速度、滲透元素的性質(zhì)、擴(kuò)散速度、不銹鋼管的成分及其表面狀態(tài)有關(guān)。

3.滲透元素的擴(kuò)散過程。

擴(kuò)散是指被不銹鋼管表面吸收的活性原子(或離子)轉(zhuǎn)移到不銹鋼管深處,形成一定厚度的擴(kuò)散層(即滲透層)。

碳、氮、硼等要素滲透到γ-Fe或α-Fe時,形成間隙固溶體。鉻、鋁、硅等滲透到γ-Fe時形成置換固溶體。間隙固溶體中的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)是溶質(zhì)原子從一個間隙位置到另一個間隙位置的連續(xù)移動。如圖10-1所示。交換固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散,被認(rèn)為是通過空位進(jìn)行的。空位每次發(fā)生位移,相當(dāng)于鄰近的原子朝著空位的方向移動到空位。如圖10-2所示。

固溶體中溶質(zhì)原子的轉(zhuǎn)移方向是任意的。但是,固溶體內(nèi)存在濃度差的情況下,從濃度高的同時向濃度低的同時移動很多溶質(zhì)原子,以濃度均勻為目標(biāo)。這種原子的方向性轉(zhuǎn)移導(dǎo)致擴(kuò)散物質(zhì)的宏觀流動。擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散數(shù)量可以用擴(kuò)散的第一法則來表示,這是第一章。

應(yīng)指出,擴(kuò)散的第一定律只適用于固溶體各區(qū)域的濃度不隨時間而變化的情況。但在化學(xué)熱處理過程中,滲透層內(nèi)各區(qū)域的濃度隨時間而變化,滲透要素的擴(kuò)散速度與不銹鋼管表面的濃度有關(guān)??紤]到上述兩個因素對擴(kuò)散的作用,需要用擴(kuò)散的第二法則來表示。

實際使用時,為了解決擴(kuò)散的第二法則,必須提出具體的邊界條件。

擴(kuò)散層的深度隨著擴(kuò)散時間的增加而加深,其加深速度大致遵守拋物線的規(guī)律。

滲透碳時,滲透碳層的深度是溫度和時間的函數(shù)。從圖可以看出,同樣的滲碳溫度,滲透層的深度隨著時間的推移而增加。但是,隨著時間的推移,它的增長速度越來越慢。溫度上升對滲透層的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于時間延長對滲透層的作用。

化學(xué)熱處理是受上述分解、吸收、擴(kuò)散三個基本過程的控制,受三者相互制約的結(jié)果。例如,在滲透碳的情況下,在吸引碳的階段是強(qiáng)滲透碳的階段,滲透碳的介質(zhì)必須分解足夠的活性碳原子,吸收不銹鋼管的表面。如果分解的活性碳原子的數(shù)量少于表面吸收的數(shù)量,就會使不銹鋼管表面層碳量達(dá)不到應(yīng)有的濃度,因而減少了碳濃度梯度,使碳原子的擴(kuò)散速度減慢,造成滲碳速度緩慢。如果提供的活性碳原子過多,未被不銹鋼管吸收的活性碳原子失去活性,以分子形式而呈固相出現(xiàn),即形成碳黑沉積在不銹鋼管表面上,則會阻礙不銹鋼管滲碳。但到擴(kuò)散階段,不銹鋼管表面吸收了一定數(shù)量的碳原子向深處擴(kuò)散時,介質(zhì)所提供的活性碳原子的數(shù)量則要與碳原子向深處擴(kuò)散的數(shù)量相適應(yīng)。在一般生產(chǎn)的條件下,碳原子往深處擴(kuò)散的速度總是小于表面吸收的速度,所以擴(kuò)散階段所要提供的活性原子的數(shù)量應(yīng)比吸收階段少得多。為此,在滲碳操作時應(yīng)在滲碳的各個階段隨時調(diào)整滲碳介質(zhì)的供應(yīng)量。

分解、吸收、擴(kuò)散是各種化學(xué)熱處理共有的基本過程,也適用于氮化、碳氮共滲、滲透金屬等其他化學(xué)熱處理。