中碳钢液相感应碳氮共渗研究.pdf

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1、k 一譬r | t t 硕士论文中碳钢液相感应碳氮共渗研究 摘要 表面处理技术是改善钢铁材料表面性能，提高表面硬度和耐磨性的重要手段，开发 高效率、低能耗、环保的表面处理方法一直是人们努力的目标。液相感应渗入技术是一 种新型表面化学热处理技术，本文采用液相感应渗入技术对中碳钢进行处理，构建了液 相感应渗入试验装置，探讨了在三乙醇胺和甲酰胺溶液中进行碳氮共渗的可行性，研究 了感应加热电流、加热时间对碳氮共渗层的影响，确定了合适的工艺参数，用S E M 、 E D S 等对渗层组织、成分进行了分析，测试了碳氮共渗层从表面到基体的硬度变化。 研究结果表明：在三乙醇胺溶液中未能得到渗层，在甲酰胺溶液能

2、够获得碳氮共渗 层。感应加热电流和感应加热时间是影响渗层形成的重要工艺参数，采用大电流使试样 加热到共渗温度，之后用小电流保持共渗温度的两阶段加热方法既能够防止试样过热， 又能获得共渗层。在电流固定的条件下，渗层的厚度随着保温时间的延长而增加。渗层 均匀致密，由外白层、内白层和过渡层组成，白层中含有碳、氮元素。采用不同的电流 分段加热时，力口热电流与保温电流不能相差太大，否则试样表面的红热状态难以维持。 当选用4 2 5 A 的加热电流，2 8 0 A 的保温电流，处理6 m i n 后，白亮层的厚度为3 4 5 9 m ， 渗层厚达8 0 1 x m ，最大硬度5 9 2 H V 。 关键词

3、：感应加热，甲酰胺，碳氮共渗 A b s t r a e t 硕士论文 A b s t r a c t I no r d e rt oi m p r o v eh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h es u r f a c eo fm e t a lm a t e r i a l s ， t r a d i t i o n a ls u r f a c et r e a t i n gm e t h o d sa r ea l s ot h em a i nm e t h o d s T od e v e l o pa h i

4、 曲e f f i c i e n c y ， l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ys u r f a c et r e a t m e n tm e t h o dh a si so u r g o a l L i q u i di n d u c t i o ns a t u r a t i o nt e c h n i q u ei s an e wt r e a t m e n to ft h e r m o c h e m i c a lp r o c e

5、 s s i n g t e c h n i q u e L i q u i di n d u c t i o ns a t u r a t i o nt e c h n i q u ei ns o l u t i o nw a sa p p l i e df o rs u r f a c em o d i f i e d o fm e d i u mc a r b o ns t e e l W eb u i l dad e v i c eo fl i q u i di n d u c t i o ns a t u r a t i o n 1 h ef e a s i b i l i t yo

6、 f r a p i dc a r b u r i z i n ga n dc a r b o n i t r i d i n gs a t u r a t i o ni nf o r m a m i d ea n dt r i e t h a n o l a m i n ew a s d i s c u s s e d T l l ei n f l u e n c eo ft h ec u r r e n ta n dt i m et ot h et h i c k n e s so ft h el a y e rW a sm a i n l y a n a l y z e d ，t h e

7、b e s tp a r a m e t e ro ft e c h n i c sw a sa p p l i e dt h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t s 1 1 1 e m o r p h o l o g y , s t r u c t u r eo f s u r f a c em o d i f i t i o nl a y e rW a so b s e r v e db yS E M T h ec o m p o s i t i o no f s u r f a c em o d i f i c a t i o nl a y e r

8、i so b s e r v e db yE D S 1 1 1 et h i c k n e s so fs a t u r a t i o nl a y e rw a s m e a s u r e d n er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta p p l i e dh i g hf r e q u e n c yp o w e ri nt r i e t h a n o l a m i n e ，c o u l dn o t a c h i e v ec a r b u r i z i n g 、n i t r i d i n gi nm e d

9、 i u mc a r b o ns t e e l I n d u c t i o nh e a t i n gc u r r e n ta n dt i m ea r e i m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h ef o r m a t i o no ft h el a y e r U s i n gal a r g ec u r r e n tt oh e a tt h e s a m p l et ot h et e m p e r a t u r eo fi n f i l t r a t i o n ，t h

10、e nw i t hs m a l lc u r r e n tt ok e e pt h et e m p e r a t u r eo f t h et w o s t a g eh e a t i n gm e t h o di sn o to n l yt op r e v e n to v e r h e a t i n go ft h es a m p l e ，b u ta l s ot o o b t a i nat o t a lo fd i f f u s i o nl a y e r U n d e rt h ec o n d i t i o n sf i x e di

11、nt h ec u r r e n t ，t h et h i c k n e s so ft h e l a y e ri n c r e a s e d 、析t l lt r e a t e dt i m e n el a y e ri sd e n s ea n du n i f o r mi n c l u d i n gt h eo u t e rw h i t e l a y e r , i n n e rw h i t el a y e ra n db u f f e rl a y e r W h i t el a y e rc o n t a i n sc a r b o n

12、，n i t r o g e n D i f f e r e n t s e g m e n t so ft h ec u r r e n th e a t i n g ，t h eh e a t i n gc u r r e n ta n dh e a tc u r r e n ti sn o tm u c hd i f f e r e n c e ， o rt h er e d h o ts t a t eo ft h es a m p l es u r f a c ei sd i f f i c u l tt om a i n t a i n W h e nt h eh e a t i

13、n gc u r r e n ti s 4 2 5 A ，h e a tc u r r e n ti s2 8 0 A ，al a y e rw i t ht h et h i c k n e s so f8 0p r nw i l la v a i l a b l ew i t h6m i n t u e s t r e a t e d A n dt h et h i c k n e s so f t h ew h i t el a y e ri S3 4 5 p a n ，t h em a x i m a lh a r d n e s si S5 9 2 H V K e y w o r d

14、 s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，f o r m a m i d e ，c a r b o n i t r i d i n g U 硕上论文 中碳钢液相感应碳氮共渗研究 目录 摘要1 ， A b s t r a c t V I 1 绪论1 1 1 钢铁化学热处理现状1 1 1 1 钢铁化学热处理类型1 1 1 2 渗碳。1 1 1 3 渗氮。2 1 1 4 氮碳共渗。3 1 1 5 碳氮共渗3 1 1 6 新型渗入技术4 1 2 钢铁液相感应渗入技术5 1 2 1 液相感应渗入技术背景：5 1 2 2 感应加热原理6 1 2 3 液相感应渗入技术现状7 1

15、 2 4 液相感应渗入技术的应用前景9 1 3 本课题研究内容与意义1 0 1 3 1 课题研究的主要内容。1 0 1 3 2 课题的意义与创新1 1 2 实验材料和方法1 2 2 1 实验材料及试样制备1 2 2 1 1 实验材料l2 2 1 2 试样制备12 2 2 实验设备1 2 2 2 1 液相感应渗入实验装置1 2 2 3 实验分析方法1 3 2 3 1 渗层组织和成分分析1 3 2 3 2 渗层显微硬度分析1 4 2 4 实验方案1 4 3 液相感应渗入工艺参数的选择1 5 3 1 液相感应渗入溶液的选择1 5 3 1 1 三乙醇胺溶液1 5 I I I 目录硕士论文 3 1 2

16、甲酰胺溶液16 3 2 液相感应渗入工艺的研究l8 3 2 1 甲酰胺溶液中渗入规律的研究1 8 3 2 2 电参数的选择19 3 3 最佳工艺参数的选择2 3 3 3 1 正交实验设计2 3 3 3 2 正交实验结果与分析一2 4 3 4 液相感应渗入机理与过程2 9 3 4 1 液相感应渗入机理2 9 3 4 2 液相感应渗入过程31 4 液相感应渗入时间对渗层组织和性能的影响3 2 4 1 时间对白亮层厚度的影响。3 2 4 2 渗层硬度的分布3 5 4 3 不同时间处理试样表面形貌分析3 5 4 4 不同时间处理试样表面元素分析3 7 5 结论4 2 致谢4 3 参考文献4 4 I V

17、 硕士论文中碳钢液相感应碳氮共渗研究 1 绪论 1 1 钢铁化学热处理现状 众所周知，断裂、腐蚀和磨损是零件或构件在工作过程中的三种主要失效形式，由 此产生的经济损失十分惊人，而这些失效现象又大都发生在材料表面或由表面开蝌， 因而采用化学热处理等表面强化技术，提高机械零件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高机 电产品的质量、节省材料、节省能源，对于建设节约型社会、国民经济的可持续发展有 着十分重要的意义【2 】。 现代工业和科学技术的发展，对机电产品的自动化、小型化、可靠性、耐久性的要 求越来越高，零部件的服役条件也越来越恶劣。工作在高速、高载荷、高温、高腐蚀性 环境下的零部件对材料表面使用性能的要求

18、也就越苛刻。然而在很多情况下，很难有同 时满足基体和表面性能要求且较经济的材料。在这方面，化学热处理技术正显示着其重 要地位和作用1 2 。 采用化学热处理技术，减少磨损、腐蚀导致的材料消耗，不仅有助于缓和钢材供需 矛盾，还可以用廉价的钢材代替贵重钢材，创造出显著的经济效益。化学热处理技术对 传统材料性能的优化是非常有效的，对磨损、腐蚀等凡是从表面开始损伤的零件都有显 著的效梨引。 近几十年来，化学热处理的发展及今后的发展趋势仍然是提高渗速和多元共渗，以 降低某些工艺的温度，以扩大应用范剧3 1 。 1 1 1 钢铁化学热处理类型 钢的化学热处理是把工件( 零件、工模具等) 放在一定的活性介质

19、中加热，使活 性物质的原子( 金属或非金属) 渗入工件表层中，改变其表面化学成分的热处理工艺。 化学热处理生产周期长、耗能较多【钔。 广义的化学热处理工艺，包括表面扩散渗入及表面合金覆层两大类。按渗入元素的 数量，可以将它分为单元渗和多元共渗。按渗入元素的类型，可分为渗入非金属，如C 、 N 、B ；渗入金属，如A l 、C r 、S i 、T i 等。此外，还有先在表面镀覆金属层或金属与非 金属的复合层，其后再进行扩散渗或渗入某种元素的化学热处理工艺( 镀渗工艺) 【3 】。 1 1 2 渗碳 渗碳就是将低碳钢工件放在富碳气氛的介质中进行加热( 温度一般为8 8 0 “ - - - 9 5

20、0 ) 、 保温、使活性碳原子渗入工件表面，从而提高表面碳浓度，使工件的表面被碳所饱和从 而获得高碳的渗层组织。保温时间根据钢的化学成分、渗碳层的厚度、需要的组织等技 1 绪论硕士论文 术要求来确定。渗碳后，工件表面的碳含量接近于高碳钢。渗碳后的工件必须进行适当 的淬火和回火，以改善工件的表层的心部组织【2 】。表层为回火马氏体，提高表面硬度及 耐磨性，增强工件的疲劳强度；心部具有足够的韧性和塑性，使工件能满足工作过程中 的需要1 5 l 。 对于在交变载荷、冲击载荷、较大接触应力及严重磨损的条件下工作的机器零件， 如齿轮、活塞销和凸轮轴等，要求工件表面具有很高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，

21、而心部具有足够的强度和韧性，采用渗碳工艺可满足其性能的要求【4 】。 渗碳工艺在中国可以追溯到二千年以前，最早是利用固体介质渗碳。气体和液体渗 碳是在2 0 世纪初出现并随后得到广泛应用的，在上世纪2 0 年代开始采用转筒炉进行气 体渗碳，3 0 年代连续式气体渗碳炉开始在工业上应用，6 0 年代高温( 9 6 0 “ - 11 0 0 ) 气 体渗碳得到发展，至7 0 年代，出现了真空渗氮和离子渗碳【2 l 。渗碳是一种工业中获得 广泛应用的表面硬化技术【叫。 渗碳过程包括了活性碳原子的产生，活性碳原子被钢件表面吸附、吸收和活性原子 在表层的扩散等过程。不论何种渗碳方法，活性碳原子产生的反应

22、如下式： 2 C 0 - - - C 0 2 + C 】 活性碳原子产生之后，被钢件表面吸附、吸收。钢件表面吸收了大量的碳原子，使 得表面的碳浓度增加，在表面形成一定的碳浓度梯度，在渗入温度下，碳原子不断向内 部扩散，随着保温时间的延长，渗层不断加深，最终形成一定浓度梯度的渗碳层【2 1 。 渗碳具有以下优点：可获得比高频淬火硬度高、耐磨性好的表层以及韧性更好的 心部，渗碳工艺不受零件形状的控制【刀；与渗氮工艺比有渗层厚、可承受重载荷、工 艺时间短的优异性。 1 1 3 渗氮 钢铁渗氮研究始于2 0 世纪初，2 0 年代以后获得工业应用。从7 0 年代开始，渗氮 从理论到工艺都得到迅速发展并日

23、趋完善，适用的材料和工件也日益扩大，成为重要的 化学热处理之一。目前生产中采用气体渗氮法为了提高钢铁材料的疲劳强度、耐磨性及 抗蚀能力，但是气体氮化周期太长。为了克服这些缺点，发展了辉光离子渗氮技术【引。 渗氮是将活性氮原子渗入钢件表层的过程，即表面被氮原子饱和的过程，又称氮化。 钢的渗氮在机械工业、石油工业、国防工业等领域应用十分广泛，与渗碳、中温碳氮共 渗相比，具有许多优点。渗氮改变了表面的化学成分和组织形态，因而也改变了钢铁材 料在静载荷和交变压力下的强度性能、摩擦性、腐蚀性。渗氮的目的是提高零件的表面 硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀能力 9 1 。因此，普遍应用于各种精密的高速传动齿轮

24、、 高精度的机床主轴和丝杠等重载工件，在交变负荷下工作要求高疲劳强度的柴油机曲 轴、内燃机曲轴等【2 J 。 2 硕士论文中碳钢液相感应碳氮共渗研究 渗氮过程也包含三个基本过程：活性氮原子的产生、活性氮原子的吸收和活性氮原 子的扩散【10 1 。 一般渗氮都是以氨作为渗氮介质的。氨是一种不稳定的物质，易分解，它的分解率 随温度的升高而增大。在4 0 0 “ - - 6 0 0 ，它的自然分解率接近1 0 0 。氨分解的化学反应 如下： 2 N H 3 2 N 】+ 6 H 】 N 2 + 3 H 2 氨首先分解出活性的氮原子和氢原子，进而活性的氮原子、氢原子又结合成氮分子、 氢分子。由此可见，

25、氨分解出的活性氮原子如不能及时被钢件表面吸收，则会很快结合 成表面吸收不了的氮分子。被钢件表面吸附了的活性氮原子慢慢扩散到钢件内部，从而 形成一定厚度的渗氮层1 2 。 渗氮和渗碳一样，都是以强化零件表面为主的化学热处理，经渗氮处理后的工件具 有以下特点：钢件经渗氮后，其表面硬度很高、良好的耐磨性，这种性能可保持至 6 0 0 左右而不下降；具有高的疲劳强度和抗腐蚀性；处理温度较低( 4 5 0 - - - - 6 0 0 “ C ) ， 所引起零件的变形极小，渗氮后渗层直接获得高硬度，避免了淬火引起的变形 2 1 。： 1 1 4 氮碳共渗 钢的氮碳共渗是在含氮和碳的介质中加热，在渗氮的同时

26、有碳原子的渗入。在氮碳 共渗温度下，氮在铁中的溶解度比碳在铁中的溶解度大1 0 倍，是以渗氮为主的共渗过 程。活性氮原子与活性碳原子渗入到工件表面后，形成氮碳化合物。氮碳共渗是在硬氮 化的基础上发展起来的，与一般硬氮化相比，其渗层硬度低、脆性减少，故简称软氮化。 氮碳共渗可在气体、液体或固体介质中进行，渗层与渗氮相近，而工艺周期较短。 氮碳共渗温度比气体氮化稍有提高，但低于F e - N 状态图中的共析温度( 5 9 0 ) ，通常 为5 4 0 “ - 5 7 0 ，时间l 7 h ，时间短、渗层较浅( 薄) ，共渗层厚度在0 5 m m 以下，在 扩散层中的碳被形成的氮化物吸收，称为氮碳化

27、合物。以F e 附、C ) 为核心，很快可以 得到铁的氮化物薄层，从而加快了氮化速度，缩短了渗氮时间，渗氮后采用快冷方式以 提高氮化工件的抗腐蚀性，疲劳强度等【2 】。 氮碳共渗不仅赋予工件耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗咬合、抗擦伤及抗腐蚀性能，而 且该工艺具有时间短、温度低、变形小、化合物层脆性小等特点，故适合于要求硬化层 薄、负荷较小、不在重载荷条件下工作的工件。对承受载荷不大、需得到良好综合性能 的工件采用氮碳共渗效果甚好【2 】。 1 1 5 碳氮共渗 碳氮共渗是将工件置于能产生碳、氮活性原子的介质内，通过加热与保温，使工件 表面同时吸收碳、氮原子并向内部扩散，形成具有一定碳氮浓度和一定厚度

28、的碳氮共渗 层的化学热处理工斟2 1 。 3 l 绪论硕士论文 碳氮共渗是以渗碳为主的，碳氮共渗的工艺方法和设备，零件共渗后的热处理与渗 碳基本相同。但是，由于碳氮共渗工艺中多了氮的参与，使其物理化学过程和渗层性质 等方面有其自身的特点。碳氮共渗按工艺温度可分为：低温碳氮共渗( 5 2 0 “ - - 5 8 0 ) ， 由于工艺温度低，共渗过程是以氮原子为主、碳原子为辅的渗入过程，因此称低温碳氮 共渗为氮碳共渗或俗称“软氮化”；中温碳氮共渗( 7 8 0 8 8 0 ) ；高温碳氮共渗( 8 8 0 “ - “ 9 3 0 ) 【l 。碳氮共渗工艺的优点是： 与渗碳相比处理温度低，渗后可直接

29、淬火，工艺简单，晶粒不易长大，变形裂倾 向小，能源消耗少，共渗层的耐疲劳性、耐磨性和抗回火稳定性好【1 2 J ； 与渗氮相比，生产周期大大缩短，对材料适用广。 钢的碳氮共渗是机械工业中，特别是汽车、拖拉机、车辆制造中广泛采用的工艺方 法【1 3 】。按照共渗介质的不同，可分为固体碳氮共渗、气体碳氮共渗和液体碳氮共渗n 4 1 。 1 1 6 新型渗入技术 渗碳、渗氮、碳氮共渗技术能够提高工件表面的耐磨耐蚀性，延长工件的使用寿命， 具有重要的意义【l5 1 。但是也存在着以下缺点：传统渗碳、渗氮、碳氮共渗时间长，不仅 增加能耗，而且降低生产效率【l6 1 。因此，为达到快速、深层渗碳、渗氮、碳

30、氮共渗等目 的。许多研究者从多方面进行了研究，已取得了一些有意义的成果。液相等离子体电解 渗透技术和液相感应渗入技术是这几年新兴的快速渗入技术，目前处于研究阶段。 1 ) 液相等离子体电解渗入技术 液相等离子体电解渗碳、渗氮及其碳氮共渗技术是一种新兴的的表面技术，其与传 统的离子渗碳、渗氮及其碳氮共渗技术相比优点是工件处理时间短、整体工件受热轻微、 处理完成后可以即时淬火等优点I l 。 液相等离子体电解渗入之所以称为液相，是因为渗碳、渗氮及其碳氮共渗技术是在 电解液中实现的。其原理是将待处理的材料浸入一定的电解液中作为一个电极，另有一 个金属电极作为对应电极，在两极间施加直流或其它波形的电压

31、。当电压增加到某一程 度时，电极表面发生放电现象，同时伴有弧光产生，此时电极表面及其附近发生复杂的 物理、化学变化【l 引。 不同材料的工件，电解液的选择非常关键。当工件作为阳极时，电解液中的阴离子 在电场力的作用下向工件表面运动，由于放电产生的瞬时高温，使得阴离子分解，并和 基体材料发生反应，冷却后反应的产物凝固在放电通道周围；当工件是阴极时，也有类 似的反应，不过参与反应的是电解液中的阴离子【1 9 2 0 1 。 液相等离子体电解渗入技术作为表面处理的新兴技术，其突出的优点是可提高有色 金属及其合金和黑色金属及其合金材料的耐磨耐蚀性能，延长它们的使用寿命。基于液 相电解渗入技术的方法简单

32、、效率相对较高并且可对工件连续处理，使其在实际工业中 4 硕士论文中碳钢液相感应碳氮共渗研究 有相当大的应用前景1 2 1 , 2 2 , 2 3 1 。 2 ) 液相感应渗入技术 液相感应渗入技术最先由美国人M G u g e l 提出，在1 9 9 8 年，M G u g e 就液相感应 渗入技术以及其设备得研究申请了专利【2 4 】。液相感应渗入技术与传统的离子渗入技术相 比也具有处理时间短、耗能少、工件受热轻微、处理完成后能及时淬火等优点，是一种 很有前途的表面处理技术。 液相感应渗入技术和前文所提到的液相等离子体电解渗入技术一样，渗碳、渗氮及 碳氮共渗都是在液相中进行的，但是也有所区

33、别。液相等离子体渗入技术采用的溶液是 可以导电的电解液，这种电解液大致由以下三部分组成：有机溶液、盐、水。而液相感 应渗入技术所用的是单一的有机溶液、燃油或者机油，不要求溶液的导电性。 液相感应渗入技术的原理是将工件和感应圈均浸没到有机溶液下一定深度，通过感 应圈快速对工件进行加热，使工件表面达到红热状态。在此过程中，工件周围的有机溶 液受热分解，工件表面发生复杂的物理化学变化【2 5 1 。 不同形状的工件，感应圈的选择十分重要。所要求的渗层性能不同，渗入介质的选 择也有所不同。如果想得到渗碳层，则应选择能大量分解出活性C 原子的深入介质； 如果想得到碳氮共渗层，则要选择能同时分解出活性C

34、、N 原子的深入介质1 2 6 1 。 液相感应渗入技术处理周期很短、耗能少、对多种材质和形状的工件均能进行渗入 处理，是一种很有发展前景的表面处理技术。 1 2 钢铁液相感应渗入技术 1 2 1 液相感应渗入技术背景 现在使用最广泛的表面强化技术是高频感应热处理技术和化学热处理技术。工件经 上述两种技术处理之后，表面形成了一层高硬度、高耐磨、高耐蚀的膜层，而心部仍保 持了处理前的良好的韧性和塑性。工件表面的高硬度、高耐磨、高耐蚀膜层可以使工件 表面能够满足在恶劣环境中的使用要求，而心部良好的韧性和强度又使得工件具有良好 的力学性能。 虽然经这两种表面处理方法后，工件所获得的性能相似，但是这两

35、种方法的原理是 完全不一样的。感应热处理通过快速加热和快速冷却来改变工件表面的相结构和性能， 处理过程中，工件表面并没有得到外来元素，没有化学成分的改变。感应热处理需要的 能源很少并且对环境无害，在工业中应用很广泛1 2 4 乃J 。 化学热处理的本质在于可以通过渗入不同的金属或非金属元素来改变工件表面的 化学成分，通过表层化学成分的改变而使得工件表面具有优异的性能。并且在处理的过 程中，工件心部的成分和组织没有变化，心部的强韧性也没变。通过对材料表面进行化 l 绪论硕士论文 学热处理，就可以使用便宜的材料来制作零件，再通过化学热处理来提高其表面的性能， 使其能满足使用要求，具有很大的经济效益

36、。化学热处理可以通过对渗层的不同要求而 渗入不同的元素，所获得的渗层可以在多种环境下使用。 综上所述，感应热处理和化学热处理都具有独特的优点，但是它们的局限性也很大。 对于淬透性比较弱的材料，想提高工件表面的硬度和耐磨性，很难通过感应热处理对工 件进行淬火处理，无法或的高硬度、高耐磨的马氏体层：如果对该种材质的工件进行化 学热处理，能够在工件表面得到所需性能的渗层，但是现有的化学热处理技术处理周期 很长，生产效率比较低。 传统的化学热处理是在固态的、液态的或气态的活性介质中，通常是通过电加热、 真空加热或离子加热对工件进行渗入处理。在这几种方式下，活性原子的渗入速度都很 慢，处理周期很长。感应

37、热处理是通过感应圈对工件进行加热，加热很迅速，处理的周 期也很短。现在结合两种处理方法的优点，在现有化学热处理技术的基础上对其加热方 式进行改进，使用感应圈对工件加热，并选用液态的渗入介质。这样，一种新的感应处 理技术就产生了，它就是液相感应渗入技术口5 。2 引。 1 2 2 感应加热原理 任一导体通过电流时，在它周围就同时产生磁场。磁场强度的大小和方向，可根据 导体中电流的大小和方向来确定。对于一个螺旋线圈的导体来说，若电流强度I 的单位 用安培，螺旋管的长度，用厘米表示，则磁场强度H 为【2 9 1 ： 4 n r t 月= 1 0 l ( 奥斯特) 式中，卜线圈的匝数，村称为安培匝数。

38、 在铁磁性介质中，由于介质被磁化，磁感应强度将由日增大至B ，并用下式表示【2 9 】： B = 曲 式中卜介质的导磁率，钢在感应加热时，“= 2 0 1 0 0 。 当线圈中的电流是交变电流时，在线圈内部和其周围就产生一个交变磁场。在感应 加热时，置于感应线圈内的零件就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁场理论， 变化着的磁场就产生感应电动势e 【3 0 3 。由于感应电动势的存在，在零件表面薄层内将 形成封闭的电流回路。通常把这种电流称为涡流。涡流强度厶决定于感应电动势e 及涡 流回路的阻抗z ，根据欧姆定律【2 9 1 ，则： 垆事安) 由于z 通常很小，故亏能达到很高的值，使涡流回路

39、产生大量的热，其热量可由焦 耳楞次定律确定： 6 硕士论文中碳钢液相感应碳氮共渗研究 Q = 0 2 4 I y 2 R t ( - 号) 零件能够实现感应加热主要是依靠这种热量。其次在感应加热铁磁性材料过程中， 当起始加热温度尚未超过该材料的磁性转变点( 居里点) 的温度之前时，还会由于“磁 滞现象所引起的热效应【2 9 , 3 3 , 3 4 。零件感应加热示意图见下图1 1 。 l ： l 图1 1 零件感应加热示意图 1 2 3 液相感应渗入技术现状 液相感应渗入技术的原理是在燃油、机油或有机溶液中，将感应圈和工件浸没在溶 液下面数厘米处，通过感应圈对工件表面进行快速加热至红热状态，保

40、持一定的时间1 3 5 】。 在这个过程中，工件周围的溶液在高温下分解，产生了很多活性原子，这些活性原子被 工件表面吸附，在高温下从工件表面向心部扩散，处理一定的时间后，即在工件表面形 成了一定厚度的渗层【3 6 ，3 7 1 。 液相感应渗入技术目前在国内还没有研究，但国外十几年前就已经有了这方面的研 究。在1 9 9 8 年，美国人M G u g e l 申请了一篇名为( ( M E T H O DO F A N D D E V I C EF O R P R O D U C I N GC A R B I D EA N DC A R B O NS O L I D S O L U T I O

41、NC O N T A I N I N GS U R F A C E L A Y E R S ，该篇专利介绍了液相感应渗入技术和他们自制的一种液相感应渗入设备。 设备的总体结构见图1 2 【3 7 1 。 7 1 绪论硕士论文 8 图1 2 液相感应渗入设备的整体图 1 电源接口2 机器主要部分：I 空气流通室I I 工作区域l I I 主箱I V 备用箱3 控制系统4 排 气系统5 灯关探测器6 传输装置7 能量提供控制柜8 电脑控制界面9 能量口和感应圈间的 连接设备l O 整体控制柜1 1 观察窗1 2 感应圈水冷线1 3 打印机1 4 冷却水线路 工作空间I I 内部具体结构的放大图见下

42、图1 3 ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 图1 3 工作空间l l 内部具体结构图 1 机械底盘2 电动机3 发动机底座4 。固定器5 侧壁6 - 平台7 轴衬8 传动杆9 轴顶1 0 轴底 1 1 轴的控制轴衬1 2 轴1 3 套管1 4 主要空间 圆 协 仍 硕士论文 中碳钢液相感应碳氮共渗研究 对工件进行处理的部位具体结构图见下图1 4 。 图1 4 工件处理部分结构图 1 待处理工件2 感应圈3 喷雾器4 温度传感控制系统5 传输设备 ： 在上图中，1 表示待处理工件，它是由一个夹具固定的。在感应圈中，工件能够旋 转并且能够上

43、下移动。工件能够旋转，可以使工件表面受热均匀，不会产生局部温度过 高或者过低的现象；工件能够上下移动，对于较长的工件，可以连续地处理【3 6 ，3 7 ，3 引。 1 2 4 液相感应渗入技术的应用前景 虽然液相感应渗入技术在国内研究得还很少，但是这并不能掩盖其广阔的应用前 景。从上个世纪九十年代至今，美国人M G u g e l 对液相感应渗入技术进行了大量的研究， 发现液相感应渗入技术的应用十分广泛，可以对不同材料不同形状的工件进行处理。以 下将就其中的几种进行介绍。 1 、对航天用钛合金进行处理 钛合金质量很轻，并且具有良好的机械性能和耐蚀性能。但是由于其硬度较低，摩 擦磨损性能较差。在不同的活性介质中，通过感应加热，在3 0 m i n 之内可以在钛合金表 面形成一层最高硬度达6 5 “ - 7 0 H R C 的渗层 3 9 , 4 0 J 。 2 、对碳钢和合金钢进行处理 对管状工件进行处理 该工艺可以对圆管状的工件进行处理。M G u g e l 采用此种方法对外径为4 7 5 m m ，内 径为1 6 m m ，高度为7 m m 的工件进行了渗入处理。工件的材质分别为含碳量0 4 5 “ 0 5 的碳钢和含碳量为0