專利名稱：碳弧滲碳的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有關金屬表面滲碳的一種新工藝。
為了強化金屬表面，增加其表面硬度、耐磨性和疲勞強度，對金屬表面進行滲碳是達到這一目的的一種現(xiàn)行的傳統(tǒng)的工藝方法。
現(xiàn)行的滲碳工藝即是把低碳鋼工件放在滲碳性介質中，加熱到單相奧氏體區(qū)(一般采用920～930℃)，保溫足夠長的時間，使表面層的碳濃度提高的一種熱處理方法。它屬于化學熱處理的一種。
滲碳一般由分解、吸收、擴散三個基本過程組成分解過程就是由做為活性介質的化合物中分解出活性原子的過程。例如滲碳時，由CO或CH4分解出活性碳原子〔C〕，反應如下
吸收過程就是活性原子由鋼的表面進入鐵的晶格的過程。由于在鋼的表面上存在大量的位錯露頭和晶界露頭，為活性原子的滲入提供了方便的通道。由于碳原子半徑較小，所以是以間隙方式進入鐵的晶格的。
擴散過程就是滲入鋼中的碳原子由表面向內部擴散遷移的過程。溫度越高，擴散越快，因而滲層增長越快。表面濃度越高，擴散也越快，滲層增長也越快。
一般來說，在上述三個基本過程中，擴散是最慢的一個過程，整個滲碳過程的速度就是受擴散速度所控制，它是最費時的一個過程。
在鋼的化學熱處理當中，滲碳是應用最廣泛的一種工藝，主要是應用于齒輪、活塞銷、軸類等另件。滲碳用鋼都是含0.10～0.25%C的低碳鋼及合金鋼，如15、20、20Cr、20CrmnTi等。
滲碳另件大都是在交變載荷、沖擊載荷、很大接觸應力和嚴重磨損條件下工作的，因此要求表面層硬而耐磨，心部強而韌，具有高的疲勞強度、表層不崩裂、不壓陷、不點蝕。
經過大量科學研究和生產實踐了解到，滲碳層的表面碳濃度在0.8～1.1%之間為好，尤其是在0.85～1.05%之間最好。表面碳濃度過低則不耐磨，疲勞強度也低。反之，表面碳濃度過高，則滲碳層變脆，一旦出現(xiàn)網狀或塊狀碳化物，更易剝落。
根據(jù)滲碳介質的狀態(tài)不同，可以分為固體滲碳、膏劑滲碳、液體滲碳和氣體滲碳。
其中固體滲碳、膏劑滲碳和液體滲碳由于其自身的缺點所限，除在個別情況下應用外，均已被氣體滲碳所代替。
氣體滲碳是在專用的井式滲碳爐或貫通式滲碳爐中進行的，工件在高溫的滲碳氣氛中進行滲碳。
爐內的滲碳氣氛有兩種供給方式一種是把吸熱式氣體和富化氣(CH4、C3H8等)由管道通入爐內;另一種是把煤油、苯、甲醇等有機液體直接滴入爐內，高溫裂解形成滲碳氣氛。
滲碳氣氛主要由CO、CO2、H2、H2O以及CH4等組成，一般要求CO2＜0.5%，H2O＜0.5%，CH4＜1.5%。
氣體滲碳反應如下
通過最后這個“水煤氣反應”，氣氛中的幾種氣體含量始終保持平衡，因此只要測出H2O或CO2的含量便可知氣氛的碳勢高低。由于CH4的滲碳活性大于CO，CH4含量的微小變化就使氣氛碳勢發(fā)生很大波動，很難控制，所以CH4含量不希望太多，一般都控制在1.5%以下即可。因此氣體滲碳主要是依靠CO分解來形成活性碳原子。
目前工廠中廣泛采用的是在井式滲碳爐中滴煤油滲碳。
井式爐氣體滲碳的工藝參數(shù)各廠不一樣，目前比較成功的典型工藝如附

圖1及附圖2所示。
從圖中可以看出，氣體滲碳一般分為三個階段1)排氣階段由工件入爐升溫開始，直到爐內氣氛達到要求的碳勢為止，稱為排氣階段。排氣階段不僅包括整個升溫時間，還要包括儀表到溫后的30-60分鐘保溫時間。這一階段也稱“換氣階段”。
2)強滲階段進入這一階段時，爐內氣氛已建立起高碳勢，工件也已加熱，于是鋼的表面碳濃度很快達到碳勢值，并向內很快地擴散。此時滲碳的三個基本過程都強烈地進行著。強滲階段的時間根據(jù)滲層深度要求來定，一般在1～2小時左右。
3)擴散階段這一階段的目的是調節(jié)表面碳濃度達到最佳范圍，并使?jié)B層達到要求深度。這一階段的保溫時間可為強滲階段的2倍。
從上述分析可以看出，盡管氣體滲碳被目前廣泛采用，但其仍存在很多缺點
1)需要專用設備，設備投資大。如一臺60千瓦井式氣體滲碳爐(料筐尺寸為φ450×600)，其價格即為4萬～5萬元。如果采用可控氣氛氣體滲碳爐，其造價將更昂貴，可達幾十萬甚至上百萬元。
2)不適宜單件小批生產，受爐膛尺寸限制，更不適宜大件的生產。
3)滲碳周期長，成本高，生產率低。一般氣體滲碳時間均在十幾小時以上，故造成電能的浪費，并降低了生產率，增加了產品的成本。
針對上述氣體滲碳的缺點及局限性，為了解決單件小批另件尤其是大型另件的滲碳及另件局部滲碳的需要，本發(fā)明將提供一種快速簡便的滲碳新工藝-碳弧滲碳。
本發(fā)明的原理是利用碳(或石墨)做電極，通過焊接電源產生電弧，將碳原子直接過渡到金屬表面，在金屬表面形成滲碳層，從而達到強化金屬表面的目的。
用碳(或石墨)電極滲碳時，電弧在碳(或石墨)的電極與被滲工件之間燃燒(見附圖3)。由于碳電極的熔點(3800℃)和它的沸點(4200℃)相近，所以在滲碳時，不是碳電極的熔化，而主要是它的蒸發(fā)。
當采用直流正極性(碳極為負，工件為正)時，電弧穩(wěn)定，但此時由于電極溫度較低(低于沸點)，電極消耗較慢，只有在短弧(弧長＜5mm)時才能引起工件的滲碳，但不強烈。此種電弧只適于碳弧焊接。
當采用直流反極性時(工件接負，電極接正)，由于陽極(碳極)溫度高(與碳的沸點相當)，此時碳電極大量蒸發(fā)，產生大量的碳蒸汽，并向工件過渡，使熔化的工件表面強烈滲碳，最大的碳含量能達到1%左右，正好在常規(guī)的滲碳范圍內。為使電弧能正常工作、反極性時，電弧長度不能大于10mm。
采用反極性滲碳時，可在焊接回路中串聯(lián)一個由6～12圈組成的電感線圈，可大大增加電弧的穩(wěn)定性。也可在工件表面上涂以浠釋的水玻璃、碳酸鉀溶液及其它易電離物質做成的膏劑來增加電弧的穩(wěn)定性。
滲碳時，碳電極的消耗為每分鐘幾毫米，它取決于電弧電流密度的大小。為了減少電極的消耗和防止其氧化燒損，在大面積滲碳時(如軋輥表面滲碳)需采用氮氣或氬氣保護，并采用相應的裝置來自動輸送電極、自動調節(jié)弧長，以保證滲碳過程的穩(wěn)定性。
碳弧滲碳其深度為3-5毫米。當所需滲層較薄(＜3mm)時，為了滲后減少加工余量，可在滲完后，用鎢極氬弧焊(TiG)對表面進行電弧整容，使工件表面光滑，然后進行表面機加工(如車削和磨削)。
碳弧滲碳時，為防止?jié)B后表面形成裂紋，應將工件予熱。予熱溫度由工件滲層成份決定，一般在500℃以下，具體溫度可參照相應成份的工件焊接時防止發(fā)生冷裂紋而進行予熱的溫度。
滲后，為達到所需性能，應對工件進行相應的熱處理(兼顧工件心部和表層)。具體工藝可參照一般的氣體滲碳后的熱處理工藝進行。
滲層的深度及碳濃度的控制主要取決于電弧電流密度，弧長及移動速度。電流的選擇原則是既保證電弧的一定的穩(wěn)定性，又不要使電極沿整個長度發(fā)紅，以防電極過快燒損。為了獲得所需的滲層深度和表層碳濃度，應事先采用試樣進行試驗，當符合要求時，焊接時即可用該參數(shù)進行。當用手工進行小件或局部滲碳時，滲層的深度及表層碳濃度控制取決于焊工的經驗，手工滲碳一般用于要求不高的地方。
滲碳時所用電源設備可采用普通自動焊電源或手工焊電源。
由于石墨電極具有高的導電性和在空氣中高溫時有較好的抗氧化穩(wěn)定性，故允許采用較大的電流密度和相應地減少它們的直徑，應優(yōu)先選用(與碳電極相比)。
綜上所述，碳弧滲碳工藝是一種與傳統(tǒng)的滲碳工藝原理不同的新的工藝方法。它具有設備簡便(利用普通焊接設備)，操作容易(與一般焊接相同)，快速、成本低的優(yōu)點，尤其適于大型另件的滲碳，例如冷軋輥表面堆焊層滲碳和大模數(shù)齒輪單齒表面滲碳及工件的局部滲碳等，此時具有其獨到之處，是現(xiàn)行的其它滲碳方法所不可比擬的。
權利要求
1.在碳(或石墨)電極與金屬表面之間形成電弧，將碳原子直接過渡到金屬表面形成滲碳層。
全文摘要
本發(fā)明涉及有關金屬表面滲碳的一種新工藝。原有的金屬表面滲碳工藝設備復雜，周期長、成本高。本發(fā)明采用普通焊接電源，利用碳(或石墨)產生電弧將碳原子直接過渡到金屬表面，形成滲碳層，從而達到強化金屬表面的目的。本發(fā)明滲碳迅速、操作容易、設備方便，尤其適于大型零件的表面及零件表面的局部滲碳。
文檔編號C23C14/24GK1069527SQ91105440
公開日1993年3月3日 申請日期1991年8月9日 優(yōu)先權日1991年8月9日
發(fā)明者張鴻儉 申請人:東北重型機械學院