摘 要

在现代工业中，随着汽车行业的大力发展，齿轮钢的需求越来越大，相应的渗碳工艺也得到很广泛的普及。由于科学技术的进步，一些新颖的渗碳方式如真空渗碳，等离子渗碳等涌现出来，并广为所用，而传统的固体渗碳工艺现如今仿佛被大部分工厂所遗忘。事实上，这种渗碳工艺仍然有很多可取的地方。

然而，固体渗碳工艺虽然操作简单，设备简易，但其也有诸多弊病，尤其是经固体渗碳处理的钢件，由于其渗碳过程中炉内气氛不易控制，以及渗碳剂效果不一，导致渗碳质量难以达到高的标准。

本实验从研究固体渗碳剂的配比出发，以木炭为供渗剂，碳酸钡、碳酸钠为主要催渗剂，分析了几种不同成分比的渗碳剂分别对渗碳层厚度，表面硬度以及金相组织的影响，并发现了不同种类碳酸盐的催渗效果各有特点，其中，碳酸钠催渗效果强烈，持续性较差，而碳酸钡催渗效果平缓，持续性好。

关键词：固体渗碳；碳酸盐；渗碳剂；催渗剂；硬度；渗碳层

Abstract

In the modern industry, with the vigorous development of the automobile field ,the demand of gear steel is more and more big, correspondingly,the carburizing process also get a very wide range of popularity.Now some new carburizing methods such as vaccum carburizing,plasma carburizing and other are emerging out and widely used due to the progress of science and technology.However,the traditional solid carburizing process now seems to be forgotten by most of the factory.In fact, this carburizing process still has many desirable places.

However, solid carburizing process although the operation is simple, the equipment is simple. But it also has many disadvantages, especially by solid carburizing steel parts, because in the process of carburization furnace atmosphere and not easy to control, as well as carburizing agent, resulting in carburizing quality is difficult to meet the high standards.

This experiment from the ratio of the study of solid carburizing agent starting with charcoal for infiltration agent, barium carbonate, sodium carbonate as main accelerant, analysis the different composition ratio of carburizing agent respectively on carburized layer thickness, surface hardness and metallographic and found different kinds of carbon acid salt catalysis effect have different features, among them, sodium carbonate and catalysis effect is strong, persistent poor, barium carbonate catalysis effect gentle, persistent good.

Key Words：solid carburizing；carbonate；carburizing agent；osmotic agent；hardness； carburizing layer

目 录

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.2 化学热处理 2

1.2.1化学热处理的概念 2

1.2.2 化学热处理的机理与常用类型 2

1.3 渗碳工艺 2

1.3.1渗碳工艺的由来与发展 2

1.3.2 渗碳的原理与分类 3

1.3.3 三种渗碳方式对比 3

1.3.4 渗碳工艺的意义与应用 4

1.3.5 渗碳常用钢材——合金渗碳钢 5

1.3.6固体渗碳工艺 5

1.3.7渗碳过程中常见问题 6

1.4 国内外关于固体渗碳工艺的研究现状 7

1.5 本实验研究课题 7

1.5.1研究课题的背景 7

1.5.2 研究课题内容与意义 7

第2章 实验材料及实验方案 8

2.1 实验前的准备 8

2.1.1实验材料的选择 8

2.1.2 固体渗碳剂的配置准备 8

2.1.3 样品的制作 9

2.1.4 渗碳工艺参数的确定 9

第3章 试样的分析与检测 15

3.1 组织性能与测试 15

3.1.1表面硬度测试 15

3.1.2显微组织观察 15

3.1.3显微硬度测试 15

第4章 实验结果分析与总结 16

4.1 实验结果分析 16

4.1.1显微组织分析 16

4.1.2表面硬度值分析 19

4.1.3显微硬度分析 20

4.2实验总结 22

参考文献 24

致 谢 26

1. 绪论

1.1 前言

金属材料是世界上使用量最大的材料，金属热处理工艺的作用也不得而知，与此同时，金属材料的发展也几乎与人类的文明史相互并进。早从公元前4300年，就已经出现了热加工等工艺的使用。而在公元前2000年的商朝、周朝时期，金属热处理的应用更是到了鼎盛的时期，大量的青铜器，如司母戊大方鼎，编钟等家喻户晓古文物，均出自于此时期。而到了春秋战国时期，我国开始实现了生铁铸造的工艺，随之在农业上得到运用。东汉时期，开始有了形变热处理的工艺，人们锻打钢材，甚至利用淬火来得到锋利坚硬的武器^[1]。到了现如今。金属材料的应用也更为广泛多样，何时何地都能见到金属材料的影子。就拿钢铁材料来说，五花八门的特色种类更是在不同的环境下发挥着自己独特的优异性能:（1）工程结构钢，专门用来制造大型工程结构件的一类钢种，广泛应用于国防、化工、石油车辆、船舶等领域，大型桥梁、输送管道、高压容器等都依靠工程结构钢来制造，每年工程结构钢的产量占钢总产量的90%。（2）工模具钢，广泛运用于制造刃具、模具和量具等各种工具，也可简称工具钢。按其服役条件的不同分类，可以分为刃具钢、模具钢以及量具钢等，大多数工模具是在承受很大的局部压力和强烈磨损条件下服役的，因此要合理调节工具钢韧性与耐磨性的平衡，一般的工模具钢含碳量在0.6%到1.3%之间。（3）不锈钢，是指一些在空气、水、盐水、酸、碱等腐蚀性介质中具有高的化学稳定性的钢。一般来说，不锈钢以不锈和耐蚀为主要特性，且含铬量（质量分数）不少于10.5%，含碳量（质量分数）不大于1.2%。全世界每年有大批的钢材因为腐蚀的原因而提前结束了自己的服役，这个占比达到了整个产量的15%,由此看来，对人类来说，关于不锈钢材料的研究是具有很大的意义的。（4）机械制造结构钢，这类钢种主要应用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件。这些机械零件更是广泛为汽车、拖拉机、机床、航空航天等工业所用^[2]。尽管这些零件尺寸大小不一，甚至相差很大，但它们的服役环境却类似的，主要承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、接触疲劳等各种各样的应力，且作用力可能是多向的、多重的或反复的。这样看来，机械零件需要有足够高的强度和耐磨性，同时可能还要兼具着良好的塑韧性和抗冲击能力。有些机械零件，如汽车的齿轮、转轴等，就需要这种表面强度与心部塑韧性相结合的材料，而这些材料的强化又不得不利用到热处理中的一种方式--化学热处理。总的来说，金属材料的发展离不开人们对金属热处理工艺的研究与改善，金属热处理工艺的进步也带动着金属材料的性能一步一步的被探索与开发。

1.2 化学热处理

1.2.1化学热处理的概念

化学热处理，即利用化学反应来改变钢件表面的化学成分和组织结构，使其某些部位的化学成分改变得比原始组织更为优异^[3]。现代工业中，由于机械零件常在各种恶劣的环境下服役，表面部分经常面临着摩擦，腐蚀和接触疲劳的问题，故零件的损坏、失效以及开裂等一般萌生在零件的表面层。通过化学热处理对表面层成分的改善，使表面部分相比心部原始组织具有更高的耐磨性，耐腐蚀性和抗接触疲劳能力，同时，还兼具着心部的塑韧性，不影响整体的力学性能表现。与表面电镀工艺等不同，经过化学热处理处理过的零件，其表面与心部仍为同一个整体，整体结合强度相比前者高得多。完整的化学热处理工艺包括对渗剂的成分配比，处理过程中的工艺参数确定，试样的准备，以及渗入完成后的后续热处理工艺，如淬火、回火等^[4]。

1.2.2 化学热处理的机理与常用类型

化学热处理主要包括三个过程：①化学渗剂分解为具有活性的离子或原子；②分解出来的活性原子或离子被钢件表面层吸收；③被吸收的原子或离子从表面向心部和其他位置扩散。化学热处理的类型很多，按渗剂成分分类，可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。按渗剂在化学热处理炉中的物理状态分类，可分为固体渗、液体渗、气体渗、液体电解渗、等离子体渗以及气相沉积等^[5]。

1.3 渗碳工艺

1.3.1渗碳工艺的由来与发展

随着社会经济与科技的高速发展，人们的生活水平也不断提高，越来越多的家庭都有了私家车，作为车辆制造中不可或缺的材料，钢材的需求也越来越大，说到这里，就不得不提起汽车中一种很精细的零件——齿轮，齿轮在服役过程中，承受着复杂的环境与应力，齿轮钢材料的要求也非常高，所以对于汽车来说，用钢的好坏往往决定了这辆车的档次，同时，人们对汽车的性能与质量要求也一直在提高，为了得到性能合适的齿轮钢材，人们采用了一种特殊的热处理方式对传统的低碳合金钢进行加工，即渗碳处理。

事实上，渗碳热处理工艺并不是一个新兴的技术，放眼望向历史的长流，从很久远的石器时代开始，期间经铜器时代到铁器时代，热处理的重要性一直在提升，在考古中发现的一些商朝铜器，例如司母戊大方鼎，便是采用了热处理的方式进行熔炼铸造，尤其是一些古代打仗时用的兵器，更是用到了淬火强化的原理，得到锋利强硬的刀剑。如西汉中山靖王墓中所发现的宝剑，经检测后发现心部含碳量低，而表面含碳量高，这一事实证明渗碳技术在很早就已经存在过。直到现在，衍生了各种各样的渗碳方式。但渗碳法中，唯有固体渗碳发展历史最悠久，早在18世纪的中期就得到了应用，1910年美国的一个煤气炉公司在生产过程中实现了渗碳。但是渗碳效果并不理想，除了缺少对固体渗碳工艺的原理了解与掌握，也与渗碳过程中，渗碳气氛，渗碳温度和渗碳剂配置等环境因素的难以控制有关，同时对渗碳用钢的选择也没有一个正确的引导，诸多问题导致渗碳工艺的发展并不是进行的很顺利。不过通过不断的学习研究，并对工艺进行改进，1925年左右，渗碳工艺开始步入发展的快车道。后面到了20世纪中期，出现了液体渗碳和气体渗碳，20世纪60年代高温气体渗碳得到应用，70年代后，真空渗碳和等离子渗碳方式开始出现^[6]。

1.3.2 渗碳的原理与分类

渗碳，顾名思义，就是钢件在渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入钢件表面，使其表面的碳浓度发生改变，从而获得具有一定表面含碳量和一定浓度梯度的热处理工艺，如此，可以得到表面高硬度与耐磨性而心部具有较好韧性的材料。常用的渗碳处理一般有，固体渗碳，气体渗碳，液体渗碳，气相沉积，真空渗碳，电解渗碳等。

1.3.3 三种渗碳方式对比