文档介绍：第 5 卷第 4 期材料科学与工艺 Vol. 5 No. 4
1997 年 12 月 MAT ERIAL SCIENCE & T ECHNOLOGY Dec. 1997
20 钢在多用炉中气体渗碳时渗层中碳浓度
分布函数研究
阎牧夫刘志儒
( 哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150001)
摘要研究了 20 钢在多用炉中气体渗碳时渗层中碳浓度分布函数。结果表明: 恒定碳势的渗碳过程, 利用扩
散方程的解析解可以预测碳浓度分布; 当渗碳过程中碳势发生变化碳势时, 利用扩散方程的仿型积分解预测碳
浓度分布更为适合。
关键词吸热式气体渗碳; 碳浓度分布; 数学模型
分类号 T G 156. 81
滴注式气体渗碳工艺已广泛应用于生产实 2. 1 恒定碳势且碳的扩散第数不随碳浓度分布
际, 强化金属材料表面, 改善和提高了金属材料表变化
面机械性能。对该工艺过程碳浓度分布函数、渗层气体渗碳过程中, 碳原子在钢中的扩散服从
生长的数学模型方面的研究工作已有很多文献报 Fick 第二定律。并且认为是一维平表面的扩散问
道, 为计算机控制气体渗碳过程打下了坚实基础, 题, 假定碳的扩散系数不随浓度变化, 则渗入的碳
近年来, 利用吸热式气氛在多用炉中进行气体渗浓度分布与时间的关系满足如下偏微分方程:
碳日趋受到国内外同行的重视, 该工艺的开发和
C( x , t)
2C( x . , t)
= 2 ( 1)
应用有利于提高渗碳件质量和生产效率。本文试
t
x
图通过对扩散方程解的研究并结合试验数据, 探初始条件和边界条件为:
索多用炉中气体渗碳过程碳浓度分布的适用模 C( x , 0) = C0 ( 2)
型进而为计算机准确地预测和控制该过程的碳
C
, D
x= 0 =
( Cp - C) ( 3)

x
浓度分布服务。

C

x = = 0 或 C(
, t) = C0 ( 4)
1 试验材料及方法
x
式中 C( x , t) 为碳的重量面分比浓度( %) : C0 为钢
试验材料为 20 钢, 加工成?
20×20mm 的
的原始含碳量 p 为炉内气氛碳势
圆柱试样, 在 75kW 箱式气体多用炉中, 于( % ) ; C ( % ) ; t
920℃、恒定碳势和变碳势条件下对 20 钢进行不为渗碳时间( s) ; x 为试样内部某一点距试样表面
同时间的气体渗碳处理, 然后剥层分析渗入试样的距离( cm) , ! 为层深( cm) ; D 为碳的扩散系数
内碳原子的分布。计算工作是在 IBM 486 计算机( cm 2/ s) ;
为碳原了的界面传递系数( cm / s) 。
上完成的。当渗碳过程中碳势不发生变化时, 方程( 1) ~
2 气体渗碳过程中碳的扩散方程( 4) 的解析解如下:
及其解
收稿日期: 1996- 10- 04
阎牧夫. 副教授, 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 150001
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x 机的相应单元。另外, 把实测的碳浓度分布结果也
C( x , t) = C0 + ( Cp - C0 ) { 1 - er f (
2 Dt 输入计算机。20 钢在 9