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    不銹鋼管滲碳的基本過程:分解、吸收和擴散及其具體表現形式是什么?

    來源:小編 發布時間:2021-09-13 次瀏覽

    滲透碳是目前機械制造工業中應用最廣泛的化學熱處理方法。其技術特點是將不銹鋼管和低碳合金鋼零件在增碳活性介質(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。

    根據碳介質的狀態,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滲透碳,都有分解、吸收、擴散三個基本過程。

    1.滲透碳介質的分解過程。

    分解是活性介質在一定溫度下進行化學分解,分析活性(初生態)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不完全燃燒,產生一氧化碳(CO)。一氧化碳在不銹鋼管表面分解活性碳原子[c],其反應如下

    2CO->;C02[c]。

    另外,在氣體滲透碳的情況下,煤油在高溫熱分解時產生的甲烷(CH4)在不銹鋼管的表面根據以下反應分解活性碳原子[c]

    CH4->;2H2[c]。

    化學介質分解的速度取決于化學介質的性質、數量、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)與金屬原子結合進入金屬表層的過程。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)。

    吸收的強弱與活性介質的分解速度、滲透元素的性質、擴散速度、不銹鋼管的成分及其表面狀態有關。

    3.滲透元素的擴散過程。

    擴散是指被不銹鋼管表面吸收的活性原子(或離子)轉移到不銹鋼管深處,形成一定厚度的擴散層(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。間隙固溶體中的擴散機構是溶質原子從一個間隙位置到另一個間隙位置的連續移動。如圖10-1所示。交換固溶體中溶質原子的擴散,被認為是通過空位進行的??瘴幻看伟l生位移,相當于鄰近的原子朝著空位的方向移動到空位。如圖10-2所示。

    固溶體中溶質原子的轉移方向是任意的。但是,固溶體內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原子,以濃度均勻為目標。這種原子的方向性轉移導致擴散物質的宏觀流動。擴散物質的擴散數量可以用擴散的第一法則來表示,這是第一章。

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

    實際使用時,為了解決擴散的第二法則,必須提出具體的邊界條件。

    擴散層的深度隨著擴散時間的增加而加深,其加深速度大致遵守拋物線的規律。

    滲透碳時,滲透碳層的深度是溫度和時間的函數。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遠強于時間延長對滲透層的作用。

    化學熱處理是受上述分解、吸收、擴散三個基本過程的控制,受三者相互制約的結果。例如,在滲透碳的情況下,在吸引碳的階段是強滲透碳的階段,滲透碳的介質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量少于表面吸收的數量,就會使不銹鋼管表面層碳量達不到應有的濃度,因而減少了碳濃度梯度,使碳原子的擴散速度減慢,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,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。但到擴散階段,不銹鋼管表面吸收了一定數量的碳原子向深處擴散時,介質所提供的活性碳原子的數量則要與碳原子向深處擴散的數量相適應。在一般生產的條件下,碳原子往深處擴散的速度總是小于表面吸收的速度,所以擴散階段所要提供的活性原子的數量應比吸收階段少得多。為此,在滲碳操作時應在滲碳的各個階段隨時調整滲碳介質的供應量。

    分解、吸收、擴散是各種化學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熱處理。



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