【传输原理】气体渗碳,离子渗碳

1HarbinInstituteofTechnology传输原理论文·二课程名称：传输原理设计题目：气体渗碳、离子渗碳模拟院系：材料科学与工程班级：1219001班设计者：缪克松学号：1121900133哈尔滨工业大学2摘要:渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性的一种金属表面处理方法。气体渗碳是目前应用最广泛的化学热处理工艺。随着机械工业向高精度、高效率和低能耗方向的发展,降低渗碳温度、缩短渗碳时间的要求日趋强烈。结合稀土元素在气体渗碳中的作用，都是为了获得高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。本文以离子渗碳和气体渗碳为例，讨论分析了不同因素如渗碳温度、渗碳时间及渗碳环境对20#钢表面碳浓度分布的影响并进行了数值模拟。关键词：离子渗碳气体渗碳碳浓度分布一、模拟设计题目气体渗碳过程和粒子渗碳过程模拟二、离子渗碳1.离子渗碳工艺1)不会像一般气体渗碳那样产生晶界氧化物和渗碳异常层，可确保渗碳质量。2)渗碳速度快,可大大缩短处理时间,降低能耗。3)可精确控制表面含碳和渗碳深度。4)可实现高浓度渗碳和对用一般渗碳法难以进行渗碳的材料进行渗碳。5)既可将两种气体混合在一起进行复合处理,也可以通过转换处理气体而实现复合硬化（如渗碳后氮化或氮化后渗碳）。2.数学模型基本假设：i.一维问题ii.表面扩散扩散方程：xcDxtc初始条件：20.00,0cxc边界条件：30.1,0pctc0xxc为了便于求解，假定扩散系数与浓度无关，仅是温度的函数，则温度不变情况下扩散方程改写如下：322xcDtc其中，RTQeDD0解得离子渗碳20#钢表面碳浓度表达式如下：Dtxerfcccctxcp2,003.扩散系数与温度关系20#钢渗碳扩散系数公式如下：)/(162.02137800scmeDRT绘出其与温度的关系曲线如下：从该曲线可以看出，扩散系数需要一定的温度，在800℃以上上升幅度剧烈，可以通过温度控制扩散系数的大小。4.不同温度碳浓度分布从之前计算中取出不同温度下碳的扩散系数如下表：温度(℃)8609009501000碳扩散系数(cm2/s)7.18*10-81.183*10-72.108*10-73.589*10-7绘出860℃、900℃、950℃、1000℃这四个温度下离子渗碳保温10h后20#钢表面碳浓度的分布曲线：4从该图中可以看出，相同温度下，渗入的深度越小，碳浓度越高，并且随着深度越深，碳浓度分布曲线越平缓；同一深度不同位置碳浓度随温度的升高而增大即温度越高，碳扩散系数越大，渗入同一深度的碳含量更多。5.不同时间碳浓度分布考察保温时间对碳浓度分布的影响，下面控制加热温度为1000℃时分别渗碳2h、6h、10h、14h这4个时间得到的钢表面碳浓度分布曲线：从图像中可以看出，同一加热深度，保温时间越长，渗入的碳含量越多，并且保温时间越长，碳浓度分布曲线越平缓。6.不同深度碳浓度变化为了研究相同渗碳条件下距渗碳表层不同深度位置的碳浓度变化，下图设计在51000℃加热温度下取距表层0.5mm、1mm、2mm、3mm这4个深度绘制碳浓度随时间的变化曲线：从该图可以看出，距离渗碳表层越近的位置碳浓度从零到有渗碳浓度需要的时间越短，并且碳浓度的增张越快，但所有深度的碳浓度增加的速度都是由大逐渐变小。7.渗碳深度与渗碳温度关系以碳浓度0.38%为界，低于此浓度区域为低浓度区，高于此浓度区域为高浓度区，而碳浓度等于0.38%的深度称为渗碳深度，以δ0.38表示。下面研究渗碳一定时间后其渗碳深度与温度的关系。令Dterfc21.120.038.038.0可得tDk238.0其中98496.0k又RTQeDD0得RTQeDtk2038.02当保温时间12h时，渗碳深度随加热温度的变化曲线如下:6从图中可以看出，离子需要一定的温度，在600℃前，渗碳深度都非常浅，在800℃后深度才迅速增加。8.渗碳深度与渗碳时间关系从式子tDk238.0可知在一定温度下，渗碳深度与渗碳时间呈抛物线关系设置860℃、900℃、950℃和1000℃时渗碳深度与渗碳时间的关系曲线从图中可以看出，在相同加热时间时温度越高，渗入碳层的深度越大，但是即使在1000℃高温下要想达到2mm的渗入深度也很困难，即如果想获得较深的渗入深度，仅仅在高温下加热足够时间是不合理的，还得提高碳的扩散系数。7三、气体渗碳1.气体渗碳工艺气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。2.数学模型基本假设：i.一维问题ii.表面扩散气体渗碳过程，碳原子扩散服从菲克第二定律，并且认为是一维平面的扩散问题，且各向同性、工件内部温度均匀一致，其扩散系数不随碳浓度的变化而变化，则渗碳过程的碳浓度分布满足下式：𝜕𝑐(𝑥,𝑡)𝜕𝜏=𝐷𝜕2𝑐(𝑥,𝑡)𝜕𝑥2式中，𝑐(𝑥,𝑡)是碳浓度（%）；t为渗碳时间（s）；x为试样内部任一点距试样表面的距离（m）；D为碳的扩散系数（𝑚2𝑠⁄），D=16.2𝑒𝑥𝑝(−137800𝑅𝑇)其中，R=8.314J∗𝐾−1∗mol−1，T为渗碳温度（K）。渗碳开始时，工件表面含碳量为其原始含碳量，随着时间延长，表面碳浓度不断增加，因此，有：初始条件：c(𝑥,0)=𝐶0=0.20边界条件：00xpxccxcD其中，𝐶0为原始含碳量（%）；𝐶𝑝为炉内气氛碳势（%）；𝛽为气相与工件表面之间碳的质量传递系数（𝑚𝑠⁄），β=𝛽0𝑒𝑥𝑝(−𝑄𝑅𝑇)气体渗碳，其解析解为：c(𝑥,𝑡)=𝐶0+(𝐶𝑝−𝐶0)erfc(𝑥2√𝐷𝜏)−𝑒𝑥𝑝(𝛽𝑥+𝛽2𝜏𝐷)𝑒𝑟𝑓𝑐(𝑥2√𝐷𝜏+𝛽√𝜏𝐷)3.奥氏体碳饱和浓度拟合之前气体渗碳碳浓度表达式中pc为奥氏体碳饱和浓度，其大小随温度变化。现查铁碳相图可知：727℃下奥氏体饱和碳浓度为0.77%，1148℃下奥氏体饱和碳浓度为2.11%。假定其与温度呈线性关系，得到拟合曲线如下：8因此可得727℃—1148℃温度间碳势与温度（℃）关系为：54.100318.0Tcp4.不同时间碳浓度分布现以吸热气氛-丙烷气体渗碳为例，研究气体渗碳20#钢表面碳浓度分布的变化。该种气体渗碳其表面传递系数表达式如下：)/(143.097382scmeRT计算得到1000℃加热温度下其值为scmC/10443.151000传递系数scmDC/10589.3271000碳势%64.1pc下图绘出了1000℃加热温度下气体渗碳不同时间后其碳浓度分布曲线：9由图可得同一保温时间，碳浓度随渗入深度的增加而降低，并且碳浓度减小都是由快变慢；不同保温时间下渗入的深度随保温时间的增加而增大，并且保温时间越长，同一深度的渗碳浓度也越高。5.不同温度碳浓度分布以吸热气氛-丙烷为例研究不同加热温度下气体渗碳碳浓度分布。计算860℃、900℃、950℃、1000℃温度下其表面传递系数值如下表：温度(℃)8609009501000表面传递系数(cm/s)4.63*10-66.59*10-69.91*10-61.443*10-5下图绘出了860℃、900℃、950℃、1000℃4种温度下气体渗碳10h后20#钢表面碳浓度分布曲线：从图中可得随着温度的升高，相同深度的渗碳浓度也增大，说明温度也是影响气体渗碳的一个因素；由于温度也影响碳的传递系数，并且温度越高碳的传递系数越大，工件表面就越接近气相碳势,就可以获得较大的扩散速度或得到较厚的扩散层。6.不同深度碳浓度变化不同深度其气体渗碳碳浓度变化是不同的，下图绘出了加热温度为1000℃时距渗碳表层为0mm、1mm、2mm、3mm这4个深度的碳浓度随时间的变化关系：10从图中可以看出,表面的碳浓度cs并不是一个恒定值,而是随着渗碳时间的延长逐渐升高,并不断地趋近于炉气碳势。这说明碳原子从气相向工件内部迁移有一个时间过程,此过程进行的驱动力是炉气与工件表面的碳势差值(cp—cs)。因此,在气体渗碳过程中渗层的增长取决于气一固界面反应和碳原子在金属中的扩散速度,即属于混合控制型,而不是一个纯扩散过程；不同深度的碳浓度也是随着保温时间的增加而逐渐增大，增大的速度由快变慢。7.渗碳深度与渗碳时间关系与离子渗碳类似，碳浓度高于0.38%的区域为高浓度区。下图绘出了不同加热温度860℃、900℃、950℃、1000℃下38.0随时间的变化关系：从图中可以看出，随着温度的增加，相同保温时间下渗碳的深度逐渐增加，但是即使在1000℃高温下想要达到2mm的渗层深度也需要8h的较长时间，为了缩短处理时11间，仅仅升高温度也是不够的，可以考虑改变渗碳氛围即改变界面碳的传递系数。8.稀土对气体渗碳影响已知在稀土碳共渗过程中，稀土原子的渗入，可以增加缺陷数目,降低碳原子扩散激活能，从而达到促进渗碳过程的目的。因此下面讨论稀土对气体渗碳的影响。现以煤油和甲醇为渗碳气体，其表面扩散系数和扩散系数与温度关系如下：)/(969.31208301scmeRT)/(162.021378001scmeDRT而添加稀土后关系改为：)/(627.01011662scmeRT1247.1DD假定加热温度为1000℃，计算得：scm/1037.451scmD/10589.3271scm/1026.451scmD/10276.5272下图绘出了有无稀土条件下20#钢表面碳浓度分布曲线：另外，从文献《稀土对气体渗碳过程中碳原子扩散的影响》中查到数据如下：12从以上数据中可以看出，①稀土元素的渗入,碳原子的平均扩散系数有明显提高;②在本实验温度范围内,温度升高,稀土的作用增大;③在整个渗碳过程中,稀土元素的作用贯穿始末。以上结果表明,稀土元素在渗碳过程中的作用是极为显著的。从图中可以看出，稀土对气体渗碳有着促进作用，主要原因在于提高了扩散系数D。观察上面曲线知无稀土其渗碳深度为2.25mm，有稀土为2.75mm，计算增长率如下%22.22%10025.225.275.2即加入稀土后其气体渗碳效率增大20%以上。四、结论1.渗碳应分为以下四步：1)介质中的化学反应,产生渗碳组分。2)介质中某些组分通过边界层向（或离开）表面的扩散。3)相界面反应或表面反应,产生碳原子。4)金属中的扩散，即由表面反应产生的碳原子溶入基体金属中,并向内部扩散.在上述四个过程中,由于介质中的化学反应和气氛中的扩散进行的比较快,一般不会成为渗碳过程的控制环节。所以控制的步骤是其余两步。132.渗碳过程中表面碳浓度较大，但随着深度增大而急剧减小。图中可以看出，要将碳渗入金属内部十分困难，其渗碳深度通常仅在3mm以内。3.稀土原子的渗入不但可以改善渗层的组织、性能,而且还可以起到显著的催渗作用。4.要提高气体渗碳的效率,最根本的措施就是设法提高碳的传递系数值。5.随渗碳时间的延长表面碳浓度增加,当渗碳时间无限长时,表面碳浓度趋向于炉内气氛碳势。五、参考文献[1]闫牧夫，刘志濡(哈尔滨工业大学)，祖国成(哈尔滨船舶工程学院)，气体渗碳过程表面碳浓度增长的数学模型，材料科学进展，199年第3期6月第6卷[2]黄亲国，南昌航空工业学院，气体渗碳过程中表面碳浓度增长规律及传递系数的探讨，科技成果·学术论文[3]杨林，王博文，李德高，稀土对气体渗碳过程中碳原子扩散的影响，沈阳工业大学学报，1994,6，第2期