滲(shen)碳(tan)(tan)是(shi)目前機械工業中應用最廣(guang)泛的一種化學熱處理(li)方法。其工藝(yi)特點是(shi)將低(di)碳(tan)(tan)鋼或低(di)碳(tan)(tan)合金鋼零件在(zai)增(zeng)碳(tan)(tan)的活性介質（滲(shen)碳(tan)(tan)劑）中加熱到900～930℃，使(shi)碳(tan)(tan)原子(zi)滲(shen)入表面層，繼之以淬(cui)火(huo)(huo)并低(di)溫回火(huo)(huo)，使(shi)零件表層與(yu)心部具有(you)不同的成分、組織和(he)(he)性能。滲(shen)碳(tan)(tan)可(ke)分為(wei)固(gu)體(ti)(ti)(ti)滲(shen)碳(tan)(tan)、液體(ti)(ti)(ti)滲(shen)碳(tan)(tan)和(he)(he)氣體(ti)(ti)(ti)滲(shen)碳(tan)(tan)。近(jin)期又發(fa)展了真空滲(shen)碳(tan)(tan)、可(ke)控氣氛滲(shen)碳(tan)(tan)及等(deng)離子(zi)滲(shen)碳(tan)(tan)等(deng)。
一、滲(shen)碳的(de)基(ji)本過程(cheng)
根據滲碳(tan)介(jie)質狀態(tai)的不同(tong)，可以分(fen)為(wei)氣體滲碳(tan)、固體滲碳(tan)和(he)液體滲碳(tan)。但無(wu)論采用(yong)何種滲碳(tan)介(jie)質，都(dou)包括(kuo)分(fen)解、吸收和(he)擴散三(san)個基本過程。
1. 滲(shen)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收的過程
吸(xi)(xi)收(shou)就是活(huo)(huo)性(xing)(xing)原子（或(huo)離子）與(yu)金(jin)屬原子產生鍵合(he)而進入(ru)(ru)金(jin)屬表(biao)層的(de)(de)過程(cheng)。吸(xi)(xi)收(shou)的(de)(de)方式(shi)可(ke)以是活(huo)(huo)性(xing)(xing)原子向鋼的(de)(de)固(gu)(gu)溶(rong)體(ti)(ti)中溶(rong)解或(huo)形成化(hua)合(he)物(wu)。滲碳(tan)時，滲碳(tan)介(jie)質所(suo)分(fen)(fen)解的(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)碳(tan)原子吸(xi)(xi)附在鋼件表(biao)面(mian)后，溶(rong)入(ru)(ru)奧(ao)氏體(ti)(ti)中并形成間隙固(gu)(gu)溶(rong)體(ti)(ti)。當(dang)碳(tan)濃(nong)度(du)超過該溫度(du)下奧(ao)氏體(ti)(ti)的(de)(de)飽和濃(nong)度(du)時，可(ke)形成化(hua)合(he)物(wu)（碳(tan)化(hua)物(wu)）。吸(xi)(xi)收(shou)的(de)(de)強弱，與(yu)活(huo)(huo)性(xing)(xing)介(jie)質的(de)(de)分(fen)(fen)解速度(du)、滲入(ru)(ru)元素的(de)(de)性(xing)(xing)質、擴散速度(du)、鋼件的(de)(de)成分(fen)(fen)及(ji)表(biao)面(mian)狀態有關。
3. 滲入元素(su)的擴散過程
擴散，就是(shi)被鋼件表面所(suo)吸收(shou)的活性原(yuan)子(zi)（或離(li)子(zi)）向(xiang)鋼深處的遷(qian)移，以形成一定厚(hou)度的擴散層（即滲(shen)(shen)層）。分(fen)解、吸收(shou)、擴散是(shi)各種(zhong)化學熱處理所(suo)共有的基本過程，同(tong)樣適用(yong)于(yu)其(qi)他化學熱處理，例如滲(shen)(shen)氮(dan)、碳氮(dan)共滲(shen)(shen)、滲(shen)(shen)硫、滲(shen)(shen)硼及滲(shen)(shen)金屬等。
二、氣體滲(shen)碳工藝(yi)操作
本工(gong)藝(yi)為某廠氣(qi)體滲碳(tan)工(gong)藝(yi)規(gui)范(fan)，適用于低碳(tan)鋼和低碳(tan)合金(jin)鋼制(zhi)造的零件，其(qi)滲層深度要求1.1～1.3mm，滲碳(tan)劑為煤油。
如圖3-11所(suo)示(shi)，滲碳過程一般由(you)排氣、強烈(lie)滲碳、擴散和(he)降溫4個階段組成。
1. 排氣(qi)
滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)零件(jian)(jian)裝(zhuang)入滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)爐后必(bi)將引起爐溫(wen)(wen)降低(di)，同時帶(dai)入大量(liang)空氣(qi)。排(pai)氣(qi)的作用在(zai)(zai)于(yu)恢(hui)復爐溫(wen)(wen)到(dao)規定的溫(wen)(wen)度(du)，并盡量(liang)排(pai)除(chu)爐內空氣(qi)。通(tong)常采取加大滲(shen)(shen)劑流量(liang)以使(shi)爐內氧化性氣(qi)氛迅(xun)速減少(shao)。排(pai)氣(qi)時間(jian)往往在(zai)(zai)儀表溫(wen)(wen)度(du)達(da)到(dao)滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)要(yao)求的溫(wen)(wen)度(du)后再延長30～60min，以使(shi)爐氣(qi)成(cheng)分(fen)達(da)到(dao)要(yao)求，并使(shi)爐內溫(wen)(wen)度(du)均勻及(ji)工件(jian)(jian)燒透。排(pai)氣(qi)不好會造(zao)成(cheng)滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)質量(liang)降低(di)和(he)滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)速度(du)減慢(man)。
2. 強烈滲(shen)碳
排氣(qi)階(jie)段結束后，即進入強(qiang)(qiang)烈(lie)滲(shen)碳階(jie)段。其特點是滲(shen)碳劑滴量較多或氣(qi)氛較濃，使工件表面的碳濃度(du)高于最后的技術要求，增(zeng)大表面的碳濃度(du)梯度(du)可以提(ti)高滲(shen)碳速度(du)。強(qiang)(qiang)烈(lie)滲(shen)碳時間主要取決于滲(shen)碳零(ling)件滲(shen)碳層的要求。
3. 擴散
滲(shen)碳(tan)(tan)進入(ru)擴散階(jie)段是以減少滲(shen)碳(tan)(tan)劑滴量(liang)或濃(nong)度為標(biao)志(zhi)的(de)。此時爐內(nei)滲(shen)碳(tan)(tan)能力降低，工件表層過剩的(de)碳(tan)(tan)繼(ji)續向內(nei)部擴散，最(zui)后(hou)得到符合要求的(de)滲(shen)層深度及(ji)合適的(de)碳(tan)(tan)濃(nong)度分布。擴散階(jie)段所需時間由(you)中間試棒的(de)滲(shen)碳(tan)(tan)層深度確定(ding)。
4. 降溫
對(dui)于(yu)可(ke)直接(jie)淬(cui)火(huo)(huo)的零(ling)(ling)件應隨爐冷(leng)至適宜(yi)的淬(cui)火(huo)(huo)溫(wen)度(du)(du)（一般在840～860℃），并(bing)保溫(wen)20～30min，使零(ling)(ling)件內外溫(wen)度(du)(du)均勻(yun)后出爐淬(cui)火(huo)(huo)；對(dui)于(yu)需要重(zhong)新加(jia)熱淬(cui)火(huo)(huo)的滲(shen)碳零(ling)(ling)件，可(ke)自滲(shen)碳溫(wen)度(du)(du)出爐放(fang)入緩(huan)冷(leng)罐中。
三、氣體滲碳操作(zuo)要點
為了保(bao)證滲(shen)碳(tan)質量，滲(shen)碳(tan)零件(jian)在進入滲(shen)碳(tan)爐(lu)前應清(qing)(qing)除(chu)表面(mian)污(wu)垢、鐵(tie)銹及油脂等。常(chang)用(yong)熱水或含Na2CO3的(de)水溶液清(qing)(qing)洗(xi)介質，對銹蝕工件(jian)可采用(yong)噴(pen)砂清(qing)(qing)理。
零(ling)件(jian)裝在料筐或(huo)掛具上，彼此間應留(liu)出50～10mm的間隙，以保證(zheng)滲碳介質能(neng)與(yu)零(ling)件(jian)充(chong)分接觸和循環流通。
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，對新(xin)滲碳(tan)(tan)罐、新(xin)的工夾具應預(yu)先(xian)滲碳(tan)(tan)。在正常生產情(qing)況，停爐較長再開爐升(sheng)溫時也應進行(xing)爐腔滲碳(tan)(tan)。
四、滲碳零件的熱處理
滲(shen)碳(tan)只能改變零件的(de)(de)(de)表面化學成分，而(er)零件表面的(de)(de)(de)最(zui)終強(qiang)化則(ze)必須經過(guo)適當的(de)(de)(de)熱(re)處(chu)(chu)理。通過(guo)熱(re)處(chu)(chu)理可使(shi)零件的(de)(de)(de)高碳(tan)表層獲得細小的(de)(de)(de)馬氏(shi)體(ti)，而(er)零件的(de)(de)(de)心部由低(di)(di)碳(tan)馬氏(shi)體(ti)、托氏(shi)體(ti)、索氏(shi)體(ti)等組(zu)織(zhi)所組(zu)成。滲(shen)碳(tan)后(hou)(hou)可采用不同的(de)(de)(de)熱(re)處(chu)(chu)理方(fang)法：直(zhi)接淬火(huo)、一次淬火(huo)及二次淬火(huo)，淬火(huo)后(hou)(hou)必須進行低(di)(di)溫回火(huo)。
1. 直接淬火(huo)
直(zhi)(zhi)接(jie)淬(cui)(cui)火(huo)是指(zhi)工(gong)件滲(shen)碳(tan)后隨爐降溫到高于Ar1或Ar3溫度（760～850℃），然后直(zhi)(zhi)接(jie)淬(cui)(cui)火(huo)的方法，淬(cui)(cui)火(huo)后在150～200℃回火(huo)2～3h。
隨爐降溫或出(chu)爐預(yu)冷(leng)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是為了減少(shao)(shao)淬火內應力，從而減小工件的(de)(de)(de)(de)變形。同(tong)時，還可使高碳的(de)(de)(de)(de)奧(ao)氏體析(xi)出(chu)一部(bu)分(fen)碳化(hua)物，降低(di)奧(ao)氏體的(de)(de)(de)(de)碳濃度(du)，從而減少(shao)(shao)淬火后殘留的(de)(de)(de)(de)奧(ao)氏體，使零(ling)件表(biao)面獲得(de)較高的(de)(de)(de)(de)硬度(du)。
直接淬(cui)火的優(you)點是：減(jian)少了加熱和冷卻的次(ci)數，使操作簡化(hua)，生產效率(lv)提高，還可減(jian)少淬(cui)火變形(xing)及(ji)表面氧化(hua)、脫碳(tan)傾(qing)向。直接淬(cui)火適用于低(di)碳(tan)合金(jin)鋼(gang)等本(ben)質細(xi)晶粒(li)鋼(gang)，不適用于本(ben)質粗晶粒(li)鋼(gang)及(ji)滲碳(tan)時(shi)表面碳(tan)濃度(du)高的零件。
2. 一次(ci)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)(gang)或(huo)使(shi)用(yong)性能(neng)要求(qiu)(qiu)很(hen)高(gao)的(de)零件(jian)，要采用(yong)二次火(huo)(huo)，或(huo)一次正火(huo)(huo)加一次淬火(huo)(huo)，以(yi)保(bao)證滲碳零件(jian)的(de)心部和滲層(ceng)都達(da)到高(gao)的(de)性能(neng)要求(qiu)(qiu)。第一次淬火(huo)(huo)（或(huo)正火(huo)(huo)）溫(wen)度，碳鋼(gang)(gang)為(wei)880～900℃，合金鋼(gang)(gang)為(wei)850～870℃，目(mu)的(de)是細化心部組織，并消除表面網狀碳化物。第二次淬火(huo)(huo)溫(wen)度則要根(gen)據高(gao)碳的(de)表層(ceng)來決定，一般(ban)選擇稍高(gao)于(yu)Ac1的(de)溫(wen)度（770～820℃）。
二次淬火(huo)，有可能出(chu)現較大的淬火(huo)缺陷(xian)，工藝(yi)較復雜，生產周(zhou)期長，故(gu)僅(jin)用于表面耐磨性、疲勞強度和心部韌性等要求較高的重(zhong)載荷(he)零件。
