钢的渗碳热处理简介

克虏伯火炮

第一楼，渗碳速度和渗碳层深度、硬化层深度。
如对基本原理不很了解，请看后面楼层。
碳在钢中的扩散速度很慢，通常是毫米/每小时的速度单位。
碳的扩散速度还与温度有关，温度越高，则扩散速度就越快些。
但要注意，渗碳速度并不是恒定的。在渗碳初期，因零件表面处含碳量很低，与环境的碳浓度梯度最显著，所以此时渗碳速度大，渗碳层厚度增加较快；而随着过程的继续，碳的浓度梯度逐渐减缓，渗碳层厚度增加速度也变缓，并在一定时间之后趋于恒定。
下表是气体渗碳时渗碳层厚度与保温时间的关系。

从表中可见，以在850摄氏度下渗碳时为例，第一个小时中渗碳层厚度增加了0.4毫米。第二个小时中增加了0.13毫米，的三个小时中增加了0.1毫米；此后增加速度虽有个别跳动现象（不排除是测定误差的影响），但大体上是逐渐减小的；而到了8小时以后基本上稳定在0.05毫米/小时的水平了。
再看900摄氏度下的渗碳速度，同样，第一个小时之内渗碳层厚度增加了0.53毫米，第二个小时增加了0.23毫米，第三个小时增加了0.18毫米，第四个小时增加了0.13毫米；10小时之后平均速度基本恒定在0.07毫米/小时的水平。
可见，即使采用气体渗碳、时间长达2周也就是336小时、渗碳温度按照1000摄氏度估算，则渗碳层厚度也就是60毫米的水平。

表面渗碳硬化装甲的“硬化层”，指的是从装甲硬化表面向内一直到硬度明显高于基材硬度的范围。典型的两种表面硬化装甲板硬度变化规律如下：

克虏伯火炮

渗碳淬火处理
钢的渗碳，就是将低碳钢零件置于富含碳元素的高温还原性氛围中并保持一定时间，让碳原子从低碳钢零件表面向内扩散，最后使零件得到表面碳含量高、而内部而保持较低碳含量的不均匀微观组成状态。
渗碳之后都配合淬火热处理。如上述的零件进过淬火之后，零件表面因碳含量高，可以得到以马氏体为主的高硬（但韧性差）组织结构，而内部则因碳含量较低，不形成马氏体组织，而保持良好的韧性。韧性好的零件不会发生突然断裂，而且断裂时消耗的外力功也更大。因为可以这样近似，断裂消耗的外力功等于断裂前伸长量（也就是材料的延伸率指标）乘以屈服强度。
渗碳只能在温度高于Ac3温度才能实现，这是因为高于此温度时钢的合金组织是奥氏体，其溶碳能力较大，碳元素在其中扩散能力也较强。

进行渗碳淬火处理的钢都是低碳钢，这是因为这种零件就是要求心部保持良好的韧性和延伸率，中高碳钢自身韧性就不足，难以满足这个要求。

含碳量低于0.2%的碳素钢是无法淬火的，因为它的碳含量低，不能形成足够的马氏体。

沼泽

维基中有如下说法渗碳深度最大不超过6.4mm实际上超过2m的都属于深度渗碳，而且渗碳时温度也没那么高一般在900度以下防止基材变形
This manufacturing process can be characterized by the following key points: It is applied to low-carbon workpieces; workpieces are in contact with a high-carbon gas, liquid or solid; it produces a hard workpiece surface; workpiece cores largely retain their toughness and ductility; and it produces case hardness depths of up to 0.25 inches (6.4 mm).
而硬化层也不是硬度高于基材部分而是基材的马氏体部分，而这个并不是渗碳时决定的而是分差硬化时选择的淬火深度

克虏伯火炮

沼泽 发表于 2013-1-12 23:23
维基中有如下说法渗碳深度最大不超过6.4mm实际上超过2m的都属于深度渗碳，而且渗碳时温度也没那么高一般在9 ...

你给的维基信息，指的是常见的渗碳处理吧？
我认为BB装甲不能算做常见的渗碳处理，毕竟它们动辄要进行2-3周甚至更长时间的连续渗透，常规零件当然不需要这样处理，也不经济。渗碳层深度能超过6.4毫米是无疑的，那表格我记得是某博士论文中的，那是“刚刚”进行十几个小时的渗透厚度。

硬化层不论是根据淬火深度而来还是根据化学成分而来，其厚度就是以硬度衡定的，请见那张VH/VC硬度变化图，上面标明了chill的范围。
而我倾向于硬度区别是其化学组成即含碳量导致的。一方面钢自身的热导率是固定的，“淬透性”是各种钢材自身的特性，难以在淬火过程中控制淬火深度，另一方面是渗碳钢都是低碳钢，含碳量甚至不足0.2%，这种含碳量通常是淬不上火、无法明显提高其硬度的。

沼泽

克虏伯火炮 发表于 2013-1-13 08:24
你给的维基信息，指的是常见的渗碳处理吧？
我认为BB装甲不能算做常见的渗碳处理，毕竟它们动辄要进行2-3 ...

Harvey armor used a single plate of steel, but re-introduced the benefits of compound armor. The front surface was converted to high carbon steel by "cementing". In this process, the steel plate would be covered with charcoal and heated to approximately 1200 degrees Celsius for two to three weeks. The process increased the carbon content at the face to around 1 percent; the carbon content decreasing gradually from this level with distance into the plate, reaching the original proportion (approximately 0.1–0.2 percent) at a depth of around an inch. After cementing, the plate was chilled first in an oil bath, then in a water bath, before being annealed to toughen the back of the plate. The water bath was later replaced with jets of water to prevent the formation of a layer of steam which would insulate the steel from the cooling effect of the water. The process was further improved by low temperature forging of the plate before the final heat treatment.
渗碳在一英寸左右消失即使超过6.5mm也并非想象中的深还是浅浅的一层而且25.4mm的渗碳厚度碳中的含量递减，达到一定含硬度也就是含碳量相对较高的恐怕也不会多深，还有就是克虏伯装基材甲含碳量是0.2%。所以硬化层不是含碳层而是马氏体层，奥氏体就是延展性好的那部分。与渗碳无关

magicfire

问个可能比较2的问题：
像战列舰这种需要做两周以上的超过60mm厚度的完全饱和深度渗碳的装甲板，为何不直接用高碳钢和低碳钢板锻压制作，或者先生产出高碳钢板，再用低碳钢钢水浇在高碳钢钢板上并经锻打成型，不比渗碳来的快捷方便吗？

克虏伯火炮

magicfire 发表于 2013-2-3 22:28
问个可能比较2的问题：
像战列舰这种需要做两周以上的超过60mm厚度的完全饱和深度渗碳的装甲板，为何不直 ...

这问题，对于不是机械相关专业的人来说，绝对不2，而恰好说明你是一个喜欢动脑子的人。
简单说几句。
首先，对于渗碳层是一部分饱和状态+逐渐过渡层，是我脑补了。实际上渗碳层整体就是逐渐降低浓度的。
其次“60毫米”是我按照比较理想的条件，算出来的较大值。实际上装甲板很难有那样好的条件，所以实际渗碳深度一般不超过1英寸上下。
再次，高碳钢板+低碳钢板，就算用钢水浇上，它们之间的结合强度也没有渗碳硬化来得牢固。
最后，要想省去渗碳这道费时的工序，可以使用单纯的热处理来实现。苏联级所用的装甲板就是单纯以热处理方法得到硬的表面和韧的背层的。但是这样的话，需要使用自身含碳量较高的钢材，显然其背层的韧性要比常规表面渗碳钢板的低一些。
大和用的VH，其含碳量就比别国表面渗碳硬化装甲的高一些。

magicfire

克虏伯火炮 发表于 2013-2-3 23:39
这问题，对于不是机械相关专业的人来说，绝对不2，而恰好说明你是一个喜欢动脑子的人。
简单说几句。
首 ...

火炮大人谬赞了。

关于表面渗碳我还有一点疑问，因为之前看过虎式坦克的装甲介绍，有一个说法是从豹D之后的豹A坦克装甲就已经不做表面硬化了。虎式坦克也是没做表面硬化的。从英国人缴获的编号为250570虎式坦克的表面装甲硬度测试可以知道虎式坦克的装甲硬度在255-335之间，且内层和表面硬度一致。相比之下IV号G型坦克所使用的就是表面硬化装甲，布氏硬度460-520，里层则约在260左右。

而不做表面硬化的原因据说是因为采用了APC被帽穿甲弹后靠硬化装甲表面崩碎敌人的穿甲弹或者使装甲弹弹飞的可能性已经极低，硬化表面形成不了更强的保护作用反而因为脆性增加而造成崩裂，因此表面硬化装甲变得有害无益，遂被各国相继取消。

如果以上理论成立的话，那么军舰的装甲表面硬化是否有同样的问题呢，考虑到军舰炮战一色的都是大口径火炮，被帽穿甲弹基本是标配（HE的伤害对于装甲带来说基本可以不考虑吧？），似乎表面硬化意义也不是很大了？但是各国仍然在军舰装甲上花如此高的价钱保持表面硬化，又是为何呢？

克虏伯火炮

magicfire 发表于 2013-2-4 00:09
火炮大人谬赞了。

关于表面渗碳我还有一点疑问，因为之前看过虎式坦克的装甲介绍，有一个说法是从豹D之 ...

我对坦克装甲的材质，尤其是设置角度不懂，所以无法和你共同分析其中的原因了，抱歉。
另，你确定是因为普通的APC而不是APBC、APCBC或者APCR等形式炮弹？

STG44突击步枪

magicfire 发表于 2013-2-3 15:28
问个可能比较2的问题：
像战列舰这种需要做两周以上的超过60mm厚度的完全饱和深度渗碳的装甲板，为何不直 ...

这不就是钢面铁甲的制作方法么

STG44突击步枪

magicfire 发表于 2013-2-3 17:09
火炮大人谬赞了。

关于表面渗碳我还有一点疑问，因为之前看过虎式坦克的装甲介绍，有一个说法是从豹D之 ...

消灭坦克硬化装甲的是钨合金和破甲弹吧？

坦克首上相当于击中战舰水平装甲了

magicfire

克虏伯火炮 发表于 2013-2-4 00:17
我对坦克装甲的材质，尤其是设置角度不懂，所以无法和你共同分析其中的原因了，抱歉。
另，你确定是因为 ...

火炮和44两位的问题我也不是非常清楚。

但是按说APC就是Armor Piercing Capped，被帽穿甲弹。APBC是Armor Piercing shot Ballistically Capped钝头被帽穿甲弹(多数有风帽）。钝头设计主要是为了防止在倾斜装甲上跳弹。APCBC是Armor Piercing Capped and Ballistically Capped，是同时有钝头和被帽设计的穿甲弹。至于APCR是Armor Piercing Composite Rigid，刚芯穿甲弹）。虽然说二战时期是APBC和APCBC弹头占了绝大部分，但如果说从对付表面硬化的问题来说，似乎APC就已经能良好解决弹头崩解效应问题了。

至于破甲弹，门罗效应面前似乎一切表面硬化都是浮云，但是破甲弹比较普及的时代已经是二战后期了，个人观感上觉得表面硬化装甲的退场比破甲弹的大规模登场还稍早一点。而且对付破甲弹当时一般都是采取的增加一层额外的外挂侧甲（如3H和4J）或者临时挂装辅助装甲（如毛子在T-34侧面焊上德国佬家里的弹簧床垫，米醋在谢尔曼前面绑上沙包砌上水泥防护层等）的办法凑合，至于真正的解决办法出台得等复合装甲登场了。

碎甲榴弹是二战时期英国的丹尼斯·博尼博士开发出的技术，但印象中几乎没在二战中登场。博尼博士发明的两种采用碎甲弹原理的无后坐力炮最终都没有被英国军方列装，而战后最早被列装的采用碎甲弹原理的火炮是英国的4.5 in“BAT”无后坐力炮，但其列装已经是二战结束8年后的事了。

但是总地来说提这个问题并不是打算讨论坦克装甲的，只是想问问既然表面硬化装甲无法对APC产生有效的防护效果，那么为何表面硬化装甲仍然在二战造舰技术中成为主流？

seven_nana

magicfire 发表于 2013-2-4 12:03
火炮和44两位的问题我也不是非常清楚。

但是按说APC就是Armor Piercing Capped，被帽穿甲弹。APBC是Armo ...

不对，Ballistic Cap是风帽

APC是被帽穿甲弹

APBC是风帽穿甲弹

APCBC是被帽风帽穿甲弹

一般来说有风帽的穿甲弹同时也有被帽，所以APBC一般与APCBC同意

seven_nana

我印象中二战德国坦克用的硬化装甲，并没有渗碳这个工序，只是经过了热处理。与军舰的渗碳硬化装甲是不可同日而语的。

magicfire

seven_nana 发表于 2013-2-4 15:51
我印象中二战德国坦克用的硬化装甲，并没有渗碳这个工序，只是经过了热处理。与军舰的渗碳硬化装甲是不可同 ...

没有渗碳，坦克表面装甲用的是TL装甲，硬化是采用的火焰硬化，也就是通过在装甲表面用瓦斯喷焰加热然后迅速淬火的方式在坦克装甲表面形成硬化层。

wellbull

挖坟。如果不能挖，请版主删了。
1、渗碳处理。我在厂里时一般都是搞碳氮共渗。不是专业热处理，只记得介绍说这样更容易渗透。但是处理后，我们需要获取的主要不是马氏体，一般说是要碳化X和氮化X。钢件就是碳化铁和氮化铁，合金就会碳化铁、碳化钛、碳化钨等等。碳化或氮化金属表面很硬（50~67），也很耐磨，缺点也就是很脆（但是比马氏体好太多）。感觉与钢甲渗碳很类似。
还有个，一般渗碳都是800度左右，而且是40个大气压以上，5毫米以下一般都是一天左右。克虏伯兄的资料没给出压力，难道是10个压以下？
2、二战，虎用的合金装甲，所以不热处理。虎王缺乏稀有金属，无奈只能表面淬火，拿来蒙小胡子的。亨舍尔（还是克虏伯？）测试过，在被帽穿甲弹打击下，表面淬火硬化更容易被击穿。