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aaron01 发表于 2014-8-27 11:57
是的，我是说的原文有错误，你是在照原文翻译，这篇文章出处？

ASM Handbook_ volume 4_ Heat Treating (Asm Handbook) (Asm Handbook)  

Gas Carburizing of Steels

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Gas Carburizing of Steels

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心情 发表于 2014-8-27 18:32
Gas Carburizing of Steels

渗碳气氛
在本段讨论的渗碳气氛，假设为吸热气氛（甲烷分解），甲烷为富化气，为渗碳提供碳原子。气氛主要成分为CO, N2, H2, CO2, H2O 和CH4，其中N2为中性气体，只用于稀释气氛。CO, CO2, H2, 和H2O的量与可逆反应平衡时气体比例相近。
CO + H2O —CO2 + H2 (Eq 7)
气氛中C，H,O，比例固定，假如所有气体处于平衡状态，可以预测甲烷超出的量。

虽然不清楚渗碳中的反应顺序，但是通过所有的可逆反应可以判断是增碳还是脱碳。
2CO —C (in Fe) + CO2 (Eq 8)
CO + H2 —C (in Fe) + H2O (Eq 9)
渗碳过程仅依靠CO分解进行渗碳，需要很大气体流量来维持渗碳。例如，在927℃时一立方吸热气氛失去0.47g碳，足以使CO:CO2 从249降到132,碳势从1.25%降低到0.8% 。0.47gC 与工件表面积100cm2，渗碳层1mm的碳量 相同。
吸热气氛中的甲烷通过缓慢反应为工艺提供碳源。
CH4 + CO2 -2CO + 2H2 (Eq 10)
CH4 + H2O -CO + 3H2 (Eq11)

甲烷降低了CO2和H2O的浓度，反应再生了CO 和 H2,使 Eq 8 和 9 反应向右进行。考虑到CO2和H2O的存在，渗碳气氛的甲烷含量必须高于平衡状态值，所以反应Eq 10 和 11不能接近平衡。合并反应Eq 8 10和Eq 9 11 ：CH4 —C (in Fe) + 2H2 (Eq 12)

因此，固定的CO2和固定的露点，在渗碳过程中甲烷含量减少和H2含量增加，改变气氛成分。在大部分实践操作，气氛流速很高，甲烷分解速度很低，防止在渗碳过程中产生大量的H2。但是，渗碳零件表面积较大，在开始阶段会使CO含量降低1-3%，开始时候碳的需求量最大。这导致炉内的稀释气氛含有H2

渗碳过程中的碳势控制是通过改变富化气的流量，以及保证稳定的载气（吸热气氛）流量。调节富化气的流量的基本原则，炉内某些气氛的浓度要被监控。
.水蒸汽含量通过露点测量
.二氧化成含量通过红外气体分析仪
.氧势使用氧探头测量

前两种测量的碳势方法是依据反应Eq8，Eq9。氧探头的测量是根据反应Eq13
C (in Fe) + 1/2 O2 -CO (Eq 13)

当气氛中CO含量相对恒定，通过CO2和氧势能够准确的测量出碳势。露点也能有效的测出碳势，但H2和CO的含量必须稳定。由于渗碳或者产生炭黑，使氢的含量升高，相关的二氧化碳含量，氧势，露点，碳势都会改变。因此，一些过程控制系统包含了CO红外线分析仪，测量CO2，或者氧势， 对所有操作条件都能计算出真实碳势。

平衡成分的计算。气体渗碳是一种非平衡过程，因此，气氛的成分不完全相对平衡，气氛与渗碳钢也不能相互平衡。尽管如此，几个重要反应，比如，反应Eq7，Eq8，Eq9，接近平衡时足以通过气氛成分预测渗碳速度。当某些参数保持恒定时，不同设备不同气体流量可以获得相同的渗碳层梯度：
.碳势，通过 CO2, H2O，氧势 测量出。
.渗碳时间
.渗碳温度
为了计算由 碳氢气体和空气 混合反应产生的平衡气体成分：
.假设六种反应气体：CO, CO2, H2, H2O, CH4, 和 N2，五种未知气体分压只要被确定，通过其他已知气体可以计算出第六种气体。
.C:H  O:N  比例固定  因为 碳氢和空气成分固定。C:H比例固定，三个方程式可以得出相关的五种未知气体分压
.两个平衡关系，例如，反应Eq7 Eq10，增加两个方程，所有的分压能够被确定

因为显示表达式中不能写出未知气体，必须使用计算机进行尝试计算（参考 8）。平衡气体成分确定后，可以通过反应Eq8计算出碳势：
  K8 = (aC · PCO2)/(PCO)2 (Eq 14)
PCO 和 PCO2分别是CO，CO2的分压，aC碳的活度(aC = 1 平衡时气氛中碳以石墨形态) K8是反应Eq8平衡常数
K8可以通过 CO和CO2自由能计算出（参考9 表格中的自由能值）：
ΔF° CO2 - 2ΔF°CO = - R T · ln K8 (Eq 15)
ΔF°CO 和 ΔF° CO2是CO和CO2自由能，T绝对温度，R气体常数

碳的活度关系到奥氏体中碳浓度（参考10）
ln aC = ln yC + (9167 yC + 5093)/T - 1.867 (Eq 16)
yC = (4.65 w)/(100 - w)

T克耳文温标，W是奥氏体中碳的重量，YC为C:Fe原子比例，Eq14和16给出了 碳势（平衡时奥氏体中碳浓度）二氧化碳和一氧化碳含量关系。假设计算合理，只测量CO2足以得出碳势。然而，进行渗碳时，气氛中C:H比例会降低，当碳氢比例发生变化时，必须测量两种气体成分，co和co2含量，来精确计算碳势。除非气氛改变很大，一般很少测量CO,CO2，因为计算碳势时增加不确定的测量误差
通过丙烷产生的吸热气氛 co含量为23%，甲烷产生的co为20%，因为，CO含量与碳势一致，丙烷产生的吸热气氛的碳势高于甲烷。图6，图7 列举了分别来自丙烷和甲烷产生的吸热气氛，一氧化碳含量与碳势的关系

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Gas Carburizing of Steels

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心情 发表于 2014-9-4 22:37
Gas Carburizing of Steels

碳黑 炉内气氛碳势过高，会产生碳黑。气氛中的碳脱离时候，会产生氢气。由于氢气稀释使CO含量明显的降低，是产生碳黑的条件之一。当炉子形成碳黑后，炉内碳势就不能可控。因为，调节富化气的流量不再会达到期望的气氛成分变化和碳势变化。实际的解决方法只有清空炉内工件，通入空气进行烧碳。

在烧碳时候需要防止炉内局部过热，典型的，烧碳炉温设定在815℃，向炉内通入空气，可以是打开炉门或者用管道通入空气。燃烧碳黑时使炉温升高要被监控。炉温升高过多需要减少空气的通入量。
现代自动气氛控制系统使气氛成分稳定降低了形成碳黑，供碳量与需求量的一致。然而，即使是最好的系统，碳势设定过高依然会形成碳黑。
Furnace Conditioning  当渗碳气氛通入闲置一段时间或刚刚烧碳的炉子时，为了维持设定碳势，富化气通入量要比一般情况下要高。经过相当长一段时间（通常 12到24小时），稳定碳势的富化气量降低到一固定值。这段过程称为预渗（conditioning a furnace）
在预渗期间，碳渗入耐火砖的缝隙或其他低温区域。产生的原因是气氛碳势随着炉温降低而升高。927℃时气氛碳势1.0%但在温度低于843℃时会产生碳黑。最终，缝隙会填满碳黑。表层的碳能够在高温存在因此不再会发生碳沉积。然而，有些区域，如观察口，取气口，在炉子运行过程中碳黑会不断的沉积。当气氛进入未加热的前室冷却，也会形成碳黑。

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Gas Carburizing of Steels

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心情 发表于 2014-9-5 22:59
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氮甲醇气氛  通过混合氮气和甲醇产生的载气在最近几年比较常用，最大优点是不需要单独的发生机，缺点就是成本更高，但是这也取决于当地天然气和丙烷的价格和使用率
一旦进入加热炉，甲醇分解成 CO和H2,氮甲醇产生的氮氧比例与吸热气氛相同。
上面的气体平衡时 氮甲醇摩尔比1.89与空气甲烷摩尔比为2.39产生的氧，氢，碳，氮的原子比相同，Endogas通常是由空气甲烷比例2.5混合产生，很明显氮甲醇载气要比常
规的Endogas碳势高。这不会在渗碳时产生特别问题，但是会产生碳黑假如氮甲醇气氛通入长期空的炉子。氮甲醇用于中性淬火需要经常通入空气降低碳势。
加热要求：使甲醇汽化，裂解成CO和氢气 与吸热气氛相似。因此，高的炉温和低的载气流速有利于裂解充分。但是，C0含量会升高假如改变载气流量使氮甲醇比例改变。
因为相似的气氛成分，氮甲醇摩尔比1.89 的载气碳势的调节添加甲烷与Endogas使用相同的控制点（图 6 8 10）。唯一增加的问题：需要维持载气固定的摩尔比，尤其是改
变气氛流量的时候。不仅依靠精密的流量计，有些使用者选择测量两种气体成分来控制气氛（例如 CO 和氧势）
高纯度的氮气（残余CO2,水蒸气 10ppm）通过液化空气然后根据不同的沸点来分离氮气。在大多数情况下，液氮是从空气分离公司运输到热处理公司，存储在真空绝热容器中。低纯度氮气可以通过不同方法在现场生产：
.燃烧工艺，空气和天然气燃烧后，把CO2和H2O从气体中吸收和冷凝
.变压吸附，真空吸附。通过沸石分子筛分离空气
.空分膜。不同分子通过薄壁管纤维的扩散速度不同常用于分离氧气和氮气。
低纯度低成本的氮气和甲醇可以满足炉子的气氛。但是，氮气中的氧含量必须保持相对固定，生产氮气工艺必须考虑到这个要求。

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Gas Carburizing of Steels

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心情 发表于 2014-10-7 21:58
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制定工艺过程

设计者通常制定表面硬度，渗碳层深度，心部硬度满足特殊工件的使用要求。工艺工程师的负责制定渗碳工艺达到要求的性能。在制定工艺的时候需要考虑的方面：
.渗层组织
.残余应力
.合金材料的选择
.操作计划
.淬火介质
.重新加热淬火
.回火
.选择渗碳工艺

渗层组织：渗碳表面组织通常是回火马氏体和残余奥氏体。其他组织，如一次碳化物，贝氏体，珠光体需要避免。对于特殊的合金钢，表面残余奥氏体的随着碳含量的增加而增加。当残余奥氏体的量达到15%时，硬度会降低。但对于其他应用如接触载荷，如滚动轴承，残余奥氏体量较高时使用寿命越长，例如残余奥氏体30%-40%。其他应用，尤其是要求很高尺寸稳定性，残余奥氏体的量必须很低。

图12 铁碳合金钢中碳含量和残余奥氏体的关系。相同碳含量，合金钢中存在的奥氏体量要多。因此，控制表面碳含量，能够调整残余奥氏体的量。回火温度在260℃以上能够消除残余奥氏体，但牺牲了表面硬度。


残余应力：渗碳零件表面为压应力和心部的拉应力保持平衡。最大拉应力在工件表面在应用方面有利。（maximum tensile stresses are experienced at the surface of the part 英文有误），例如，弯曲载荷和扭转载荷。其他因素相同时，表面最大残余压应力大小取决于渗碳层与心部厚度比例。假如心部厚度比硬化层厚度越大，表面压应力越高。反之，表面压应力较低，心部压应力较高。因为残余奥氏体密度低于马氏体，残余奥氏体会降低表面压应力。


合金的选择：表格2 列举了常用的渗碳钢，渗碳钢的选择通常依据表层和心部淬透性，合金钢的淬透性数据可以查找资料 SAEJ1268和J1868。通常，普通碳钢中Mn低于1%，渗碳后必须用水淬火才能使表面形成马氏体组织。假如必须用油淬火，可以对粗晶粒钢进行碳氮共渗来获得足够的淬透性。

合金钢主要应用于承载较大的零件，不仅增加了淬透性，而且钢的纯净度标准更高。大部分钢的淬透性相似但在其他重要方面不同。例如，Ni-Mo合金钢渗碳工艺问题相对较少，因为主要的合金元素既不容易氧化也不容易形成碳化物。然而，经济上考虑通常使用便宜的钢材，如Cr-Mn 钢，渗碳时容易产生合金元素贫化（淬透性降低），因为在渗碳时表面容易形成晶界氧化。Cr-Ni-Mo 合金钢，如SAE8620,8720，成本和淬透性之间相对比较合理，渗碳工艺简单，作为多种工件的材料。较贵的钢，如SAE 9310，3310，常用于重载齿轮，一些特殊的渗碳合金钢 CBS1000M，例如，二次硬化特性，能够在550℃以下抗软化。

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Gas Carburizing of Steels

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心情 发表于 2014-10-10 22:34
Gas Carburizing of Steels

操作步骤  为了缩短达到渗碳层所需的渗碳时间，大部分工艺产用强渗扩散工艺，强渗阶段温度和碳势相对较高，加快了渗碳；扩散阶段碳势较低，使表面含碳量降低到要求值。扩散的数学模型，以上描述，对每个阶段选择时间和温度很有帮助。

实际情况，很多注意事项，另外为了缩短工艺时间，讨论工艺参数的选择。连续炉中不能通过内门单独分区，限制整个炉子的温度和碳势的差异。在箱式炉中，温度降低速度取决于炉子的热惯性，装炉量，热损失量；气氛成分的改变速率取决于炉内气氛的停留时间。缺少炉子运行特征的详细数据模型，可以通过一些尝试实验来得到想要的结果。最大的操作温度受到料筐的老化温度限制。对于变形要求高的零件一般使用低的工艺温度。

薄层渗碳零件（0.5mm ，或者更低有效深度）工艺温度在870℃或者以下，因为温度高了渗碳时间短结果不好控制。相同原因，薄层渗碳零件通常使用固定的碳势不产用强渗扩散工艺。有时候
可用的设备，例如，连续推杆炉，对于工艺来说炉子太大，这种情况，炉子运行可能低于常规温度，避免炉门频繁开启使炉子气氛混乱。

淬火介质  渗碳零件可以用盐水或者碱水淬火，水溶性淬火液，油，熔盐。冷却速度越快，对淬透性要求就低，但加大变形。假如工件热处理（无其他操作进行变形控制），使用熔盐进行马氏体分级淬火或者热油。套圈和轴通常进行压淬减少变形，在热的时候固定在夹具中，喷油冷却。合金，淬火介质选择 和制造工艺的设计都是相互联系相互兼容
二次加热淬火   用于渗碳温度相对较高（927℃ 或者 以上），缓慢冷却到环境温度，然后再次加热到低温（例如 843℃），淬火。这种方法的优点：

.最终奥氏体晶粒大小，控制板条针状马氏体的大小，变的更小，因此组织更细。
.低的加热温度限制了碳溶入奥氏体的量，限制了残余奥氏体出现的量。


该工艺主要缺点，不仅增加成本，也增加了工件的变形。有效的调节炉子气氛，和使用本质细晶粒钢，可以减少这种工艺。

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Gas Carburizing of Steels

天字一号

楼主这种精神，佩服！像你学习