滲(shen)碳(tan)是(shi)目前(qian)機械工業中應用最廣泛的一種化學(xue)熱處理(li)方法。其工藝特點是(shi)將低(di)碳(tan)鋼或低(di)碳(tan)合金鋼零件(jian)在增碳(tan)的活性介質(zhi)（滲(shen)碳(tan)劑）中加熱到900～930℃，使(shi)碳(tan)原(yuan)子滲(shen)入表(biao)面層，繼之以淬火并低(di)溫回火，使(shi)零件(jian)表(biao)層與心(xin)部具有不同的成分(fen)、組織和性能。滲(shen)碳(tan)可分(fen)為固體(ti)滲(shen)碳(tan)、液體(ti)滲(shen)碳(tan)和氣體(ti)滲(shen)碳(tan)。近期(qi)又發展了(le)真空滲(shen)碳(tan)、可控氣氛(fen)滲(shen)碳(tan)及等離(li)子滲(shen)碳(tan)等。
一、滲(shen)碳(tan)的基(ji)本過程
根據滲(shen)(shen)碳(tan)介(jie)(jie)質狀態的不同(tong)，可以分(fen)為(wei)氣體滲(shen)(shen)碳(tan)、固體滲(shen)(shen)碳(tan)和液(ye)體滲(shen)(shen)碳(tan)。但無(wu)論采用何種滲(shen)(shen)碳(tan)介(jie)(jie)質，都包括分(fen)解、吸(xi)收和擴散三個(ge)基(ji)本(ben)過程。
1. 滲碳介質的分解過程
分解就是活性介質在一定溫度下進行化學分解，析出活性原子（或離子）的過程。例如在氣體滲碳時，煤油在高溫熱分解時產生甲烷（CH4），在鋼件的表面按如下反應分解出活性碳原子［C］，即CH4→2H2+[C]。化學介質分解的速度，取決于化學介質的性質、數量、分解的溫度、壓力以及有無催化劑等。
2. 活性碳原子被金屬表面吸(xi)收(shou)的(de)過程
吸收(shou)(shou)就(jiu)是活性(xing)(xing)原子（或離子）與金(jin)屬原子產生鍵合而進入(ru)金(jin)屬表層的(de)(de)過(guo)程。吸收(shou)(shou)的(de)(de)方(fang)式(shi)可(ke)以是活性(xing)(xing)原子向鋼(gang)的(de)(de)固溶(rong)體(ti)中溶(rong)解或形(xing)(xing)成(cheng)化合物(wu)。滲(shen)碳時，滲(shen)碳介質(zhi)(zhi)所分(fen)解的(de)(de)活性(xing)(xing)碳原子吸附(fu)在鋼(gang)件表面后，溶(rong)入(ru)奧氏(shi)體(ti)中并形(xing)(xing)成(cheng)間隙固溶(rong)體(ti)。當碳濃度(du)(du)超過(guo)該溫度(du)(du)下奧氏(shi)體(ti)的(de)(de)飽和濃度(du)(du)時，可(ke)形(xing)(xing)成(cheng)化合物(wu)（碳化物(wu)）。吸收(shou)(shou)的(de)(de)強(qiang)弱，與活性(xing)(xing)介質(zhi)(zhi)的(de)(de)分(fen)解速度(du)(du)、滲(shen)入(ru)元素的(de)(de)性(xing)(xing)質(zhi)(zhi)、擴散速度(du)(du)、鋼(gang)件的(de)(de)成(cheng)分(fen)及表面狀態有(you)關。
3. 滲入元素的(de)擴散過(guo)程
擴(kuo)散(san)(san)，就(jiu)是被鋼(gang)(gang)件表(biao)面所吸(xi)收的活性原子(zi)（或離子(zi)）向鋼(gang)(gang)深處(chu)的遷移，以形(xing)成(cheng)一定厚度的擴(kuo)散(san)(san)層(ceng)（即滲層(ceng)）。分解、吸(xi)收、擴(kuo)散(san)(san)是各種化學熱處(chu)理所共有的基本(ben)過程，同樣適用于其他化學熱處(chu)理，例如滲氮(dan)、碳氮(dan)共滲、滲硫、滲硼及滲金屬等。
二、氣體滲碳工藝操作
本工(gong)藝(yi)為(wei)某廠氣(qi)體滲(shen)碳(tan)工(gong)藝(yi)規范，適(shi)用于(yu)低碳(tan)鋼和低碳(tan)合金鋼制(zhi)造的零件，其(qi)滲(shen)層深度要求1.1～1.3mm，滲(shen)碳(tan)劑為(wei)煤油。
如圖3-11所示，滲碳過程一般(ban)由(you)排氣、強烈滲碳、擴散和降溫(wen)4個階(jie)段組(zu)成。
1. 排氣
滲碳零(ling)件裝入(ru)滲碳爐(lu)后(hou)必將引起爐(lu)溫降(jiang)低(di)(di)，同時(shi)帶入(ru)大(da)量空氣(qi)(qi)。排(pai)氣(qi)(qi)的(de)作用(yong)在(zai)于恢(hui)復(fu)爐(lu)溫到規定的(de)溫度(du)(du)，并(bing)盡(jin)量排(pai)除爐(lu)內空氣(qi)(qi)。通常采(cai)取加大(da)滲劑(ji)流(liu)量以使爐(lu)內氧化性(xing)氣(qi)(qi)氛迅速減(jian)(jian)少(shao)。排(pai)氣(qi)(qi)時(shi)間往往在(zai)儀表溫度(du)(du)達到滲碳要求(qiu)的(de)溫度(du)(du)后(hou)再(zai)延長30～60min，以使爐(lu)氣(qi)(qi)成(cheng)分達到要求(qiu)，并(bing)使爐(lu)內溫度(du)(du)均勻及工(gong)件燒透。排(pai)氣(qi)(qi)不好會造成(cheng)滲碳質量降(jiang)低(di)(di)和滲碳速度(du)(du)減(jian)(jian)慢。
2. 強烈滲碳
排氣階段結束后(hou)，即進入強烈滲(shen)碳(tan)(tan)階段。其特點(dian)是滲(shen)碳(tan)(tan)劑滴量較(jiao)多或氣氛較(jiao)濃(nong)，使(shi)工件表面的(de)碳(tan)(tan)濃(nong)度(du)高于最后(hou)的(de)技(ji)術要(yao)求，增大表面的(de)碳(tan)(tan)濃(nong)度(du)梯度(du)可以提高滲(shen)碳(tan)(tan)速度(du)。強烈滲(shen)碳(tan)(tan)時間主要(yao)取決(jue)于滲(shen)碳(tan)(tan)零件滲(shen)碳(tan)(tan)層(ceng)的(de)要(yao)求。
3. 擴(kuo)散
滲(shen)碳(tan)進入擴(kuo)散階段是以(yi)減少滲(shen)碳(tan)劑滴量或濃(nong)度(du)(du)為(wei)標志的(de)。此時(shi)(shi)爐內滲(shen)碳(tan)能(neng)力(li)降低，工件表層(ceng)過(guo)剩(sheng)的(de)碳(tan)繼(ji)續向內部擴(kuo)散，最后得(de)到符合要(yao)求(qiu)的(de)滲(shen)層(ceng)深(shen)度(du)(du)及合適(shi)的(de)碳(tan)濃(nong)度(du)(du)分布。擴(kuo)散階段所需時(shi)(shi)間由中(zhong)間試棒的(de)滲(shen)碳(tan)層(ceng)深(shen)度(du)(du)確定。
4. 降溫
對(dui)于可直接淬火(huo)的(de)零(ling)件(jian)應隨(sui)爐冷至適宜的(de)淬火(huo)溫(wen)度（一般在(zai)840～860℃），并保溫(wen)20～30min，使(shi)零(ling)件(jian)內外溫(wen)度均勻后出(chu)爐淬火(huo)；對(dui)于需(xu)要重新(xin)加熱(re)淬火(huo)的(de)滲碳(tan)零(ling)件(jian)，可自滲碳(tan)溫(wen)度出(chu)爐放入緩冷罐中。
三、氣體滲碳操作(zuo)要點
為了保(bao)證滲碳質(zhi)量，滲碳零件在(zai)進入滲碳爐前應清除表面污垢、鐵銹及油脂等。常(chang)用熱水或(huo)含Na2CO3的水溶液(ye)清洗介質(zhi)，對銹蝕工(gong)件可采用噴砂(sha)清理。
零件(jian)裝在料筐或掛具上，彼此間應留出50～10mm的(de)間隙，以保證滲碳介(jie)質能與零件(jian)充(chong)分接(jie)觸和循環流通。
滲碳爐密封要好，并始終保持爐內氣氛為正壓力（一般在20～60mm水柱高）。風扇應始終運轉，以使零件能經常與新鮮氣氛接觸。排氣口要點燃，以免廢氣污染空氣，并便于觀察判斷爐內工作情況。有條件的應該進行爐氣分析。根據生產經驗，用煤油滲碳時，爐內氣氛成分應控制在下列范圍：CnH2n+21.5%,CnH2n≤0.6%%,CO:20%~35%,H2:50%~65%CO2≤0.5%O2≤0.5%,N2余量。在這種氣氛下對低碳合金鋼零件滲碳后表層碳含量在0.8％～1.0％（質量分數），而且炭黑很少。零件出爐時間根據隨爐試樣的層深檢查結果決定。試樣材料應與零件相同。對于不同的鋼種和層深，不宜同爐滲碳。
另外(wai)，對新(xin)滲碳(tan)罐、新(xin)的工夾具應預先滲碳(tan)。在(zai)正常生產情況，停爐較長再(zai)開爐升溫時也應進行爐腔滲碳(tan)。
四、滲(shen)碳(tan)零件(jian)的熱處理(li)
滲碳只(zhi)能(neng)改變(bian)零(ling)件的(de)(de)表面化學(xue)成分，而零(ling)件表面的(de)(de)最終強(qiang)化則必須經(jing)過(guo)適當(dang)的(de)(de)熱(re)處理。通(tong)過(guo)熱(re)處理可(ke)使零(ling)件的(de)(de)高碳表層獲得細小的(de)(de)馬(ma)氏體(ti)，而零(ling)件的(de)(de)心部由低碳馬(ma)氏體(ti)、托氏體(ti)、索(suo)氏體(ti)等組(zu)(zu)織(zhi)所組(zu)(zu)成。滲碳后可(ke)采(cai)用不同(tong)的(de)(de)熱(re)處理方法：直接淬火(huo)(huo)(huo)、一次淬火(huo)(huo)(huo)及(ji)二次淬火(huo)(huo)(huo)，淬火(huo)(huo)(huo)后必須進行低溫(wen)回火(huo)(huo)(huo)。
1. 直接淬火
直接淬(cui)火是指工件(jian)滲碳后(hou)(hou)隨爐(lu)降溫到(dao)高(gao)于Ar1或Ar3溫度（760～850℃），然后(hou)(hou)直接淬(cui)火的方法，淬(cui)火后(hou)(hou)在150～200℃回火2～3h。
隨爐降(jiang)溫或出(chu)(chu)爐預冷的(de)(de)目的(de)(de)是為(wei)了(le)減(jian)少淬火內應力，從(cong)而減(jian)小工件(jian)的(de)(de)變(bian)形(xing)。同(tong)時，還可使高(gao)(gao)碳(tan)的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)析出(chu)(chu)一部分碳(tan)化物(wu)，降(jiang)低奧氏(shi)體(ti)的(de)(de)碳(tan)濃度，從(cong)而減(jian)少淬火后殘留的(de)(de)奧氏(shi)體(ti)，使零(ling)件(jian)表面(mian)獲(huo)得較高(gao)(gao)的(de)(de)硬度。
直接淬火的優(you)點(dian)是：減(jian)(jian)少了加熱和冷卻的次數，使操作簡化(hua)，生產效(xiao)率提高，還可減(jian)(jian)少淬火變形及表面(mian)氧化(hua)、脫碳傾向(xiang)。直接淬火適用于(yu)(yu)低(di)碳合金鋼等(deng)本質細晶粒(li)(li)鋼，不適用于(yu)(yu)本質粗晶粒(li)(li)鋼及滲碳時表面(mian)碳濃(nong)度高的零(ling)件。
2. 一(yi)次淬火
一次淬火是指零件滲碳后立即出爐或降溫到860～880℃出爐，在冷卻坑內冷卻至室溫，然后再重新加熱淬火。適于本質粗晶粒鋼零件，以及不宜直接淬火的零件。
3. 二次淬火
對本質粗晶粒鋼(gang)或(huo)(huo)使用(yong)性(xing)能要(yao)(yao)求很高的(de)零件，要(yao)(yao)采用(yong)二次(ci)火(huo)(huo)，或(huo)(huo)一(yi)次(ci)正火(huo)(huo)加(jia)一(yi)次(ci)淬(cui)火(huo)(huo)，以保證滲碳零件的(de)心部和(he)滲層(ceng)都達(da)到高的(de)性(xing)能要(yao)(yao)求。第一(yi)次(ci)淬(cui)火(huo)(huo)（或(huo)(huo)正火(huo)(huo)）溫度(du)，碳鋼(gang)為(wei)880～900℃，合(he)金(jin)鋼(gang)為(wei)850～870℃，目的(de)是(shi)細化心部組織(zhi)，并消除表面網狀碳化物。第二次(ci)淬(cui)火(huo)(huo)溫度(du)則要(yao)(yao)根據高碳的(de)表層(ceng)來(lai)決定(ding)，一(yi)般選(xuan)擇(ze)稍高于(yu)Ac1的(de)溫度(du)（770～820℃）。
二次淬火，有可能出現較大的淬火缺陷，工藝較復雜，生產周(zhou)期長，故僅用于表面耐磨性、疲勞強度和心部韌性等要求較高的重載(zai)荷零件。
