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* 材料機械性質檢測 題　目：氣體滲碳 講　師：張桓 中 華 民 國 九十 三年十 月 中華台亞股份有限公司 滲碳熱處理 氣體滲碳原理與機構 氣體滲碳是在適當之滲碳爐內，送入CO、CH4等具有滲碳作用之混合氣體，使低碳鋼在A1變態點以上溫度和混合氣體發生反應，使氣體中的碳原子滲入鋼料表面的一種熱處理。 將輸送氣體和增碳氣體如CH4、C3H8一起送入滲碳爐後，在高溫下各成分氣體和鋼料之間會發生下列各種滲碳反應，而使爐氣中的碳從鋼的表面滲入，並擴散到內部去。 2CO→[C]+CO2 (25) CO+H2→[C]+H2O (26) CH4→[C]+2H2 (27) C2H6→2[C]+3H2 (28) C2H6→[C]+ CH4+ H2 (29) C3H8→[C]+ C2H6+ H2 (30) 除了上面之主反應外，還引起下面之副反應： H2+CO2→CO+H2O (31) CH4+CO2→2CO+2H2 (32) CH4+H2O→CO+3H2 (33) .吸熱型爐氣及其製造方法 吸熱型爐氣的製造方法分為變成爐反應製造與有機液體分解製造兩種，所不同的是，變成爐係獨立於滲碳爐外之氣體發生裝置，所產生之爐氣再輸送至滲碳爐中，而後者是將有機液體直接滴入爐中加熱分解所形成的。 (1)變成爐反應製造 將甲烷、丙烷或丁烷等氣體與空氣以適當比例混合後，通過圖 之變成爐，使混合氣體與1000~1100℃之Ni觸媒發生反應，即可形成吸熱型爐氣(endothermic gas)，俗稱輸送氣體(carrier gas)。 CH4+1/2(O2+4H2)→CO(20%)+2H2(40%)+2N2(40%) (34) C3H8+3/2(O2+4H2)→3CO(24%)+4H2(30%)+6N2(46%) (35) C4H10+2(O2+4H2)→4CO(23.5%)+5H2(29.5%)+8N2(47%) (36) 因上述反應是吸熱反應，所以生成之變成氣體叫做吸熱型爐氣。實際上，此爐氣除CO、H2、N2主成分外，還含有少量的CO2、H2O、CH4等。此外，因原料氣體的不同，和空氣混合之比例亦不一樣，甲烷、乙烷與丁烷分別要和2.5倍、7.5倍與10倍之空氣相混合。 滲碳熱處理 有機液體分解製造 這種方法是把含有C-H-O成分的有機液體直接滴入滲碳爐內使它分解，而在分解氣體中實施滲碳。所用的有機液體以俗稱木精的甲醇為主，此液體於400~500℃會熱分解成CO和H2，CO再對鋼料起滲碳作用。 CH3OH→CO(33%)+2H2(67%) (37) CO+H2→[C]+H2O (38) ? 不論以何種方法製造出來的吸熱型爐氣，其碳勢(carbon potential)一般僅能維持在中碳的程度，因此實際滲碳時，還必須自爐外添加甲烷或丙烷等增碳氣體(enrich gas)，使在爐內發生下列反應： CO2+CH4→2CO+2H2 (39) H2O+CH4→CO+3H2 (40) 此反應可將吸熱型爐氣中不利於滲碳之CO2與H2O轉換成可促進滲碳之CO與H2，因此爐氣之滲碳性變強，使鋼料表面變成高碳量的硬化層。 ? 滲碳熱處理 爐氣之控制與分析 滲碳時將輸送氣體(吸熱型爐氣)自爐外引進滲碳室，然後添加少量增碳氣體來調整滲碳氣氛之碳勢。因吸熱型爐氣之組成變化不大，故先討論如何控制其碳勢。 下圖 為CH4所生成之爐氣(CO 20%+H2 40%)，在不同溫度時爐氣中H2O、CO2的量與爐氣碳勢C%之關係圖。由圖可知，溫度和CO2和H2O若能以儀器事先檢知，就可以求得爐氣碳勢C%。 圖 吸熱型爐氣(CO 20%+H2 40%)在不同溫度時H2O的量(露點)與爐氣碳勢之關係 滲碳熱處理 爐氣之控制與分析 圖 吸熱型爐氣(CO 20%+H2 40%)在不同溫度時CO2的量與爐氣 碳勢之關係