渗碳
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第1086页（11579字）
15．6．6．1 概述
渗碳是为了解决钢件表面要求高硬度、高耐磨性，而心部又要求较高的韧性这一矛盾而发展起来的工艺方法．渗碳就是将低碳钢工件放在增碳的活性介质中，加热、保温，使碳原子渗入钢件表面，并向内部扩散形成具有一定碳浓度梯度的渗层．渗碳后为了获得高硬度、高耐磨的表面及强韧的心部，必须进行淬火加低温回火的处理．
渗碳可以获得比高频淬火硬度高、更耐磨的表层以及韧性更好的心部．渗碳与渗氮工艺相比有渗层厚、可承受重载荷、工艺时间短等优越性．而且渗碳工艺不受零件形状的限制．但是，渗碳也存在着工艺过程繁琐、渗碳后还要进行淬火加回火的处理、工艺变形大、成本相对高、渗碳层的硬度及耐磨性不如渗氮层高等缺点．
但是，在钢的化学热处理中，渗碳是应用最广泛的工艺之一，许多重要零件，如齿轮、活塞销、轴类等，尤其是在汽车、拖拉机工业中，应用相当普遍．
根据渗碳介质的不同，渗碳可以分为固体渗碳、液体渗碳及气体渗碳等．
15．6．6．2 渗碳的原理及影响质量的因素
渗碳的过程包括了活性碳原子的产生、活性碳原子被钢件表面吸附、吸收和活性碳原子向内层的扩散等过程．
无论何种渗碳方法，活性碳原子均按以下反应产生：
2CO→CO2+[C]
在固体渗碳中，CO的产生是通过BaCO3、Na2CO3这些催渗剂在高温分解出的CO2与炽热的木炭反应得到的．在吸热式可控气氛渗碳中，CO是由天然气、丙烷、丁烷与空气反应所得到的．在滴注式气体渗碳中，活性碳原子是由有机液体分解得到的，其反应式为：
CH4→2H2+[C]
CH4在铁的催化作用下，于350℃开始分解，在渗碳温度下就更易催化分解．乙烷、丙烷都能分解出活性碳原子．
活性碳原子产生的过程本身就是吸附在钢件表面的气体(CO、CH4)在铁的催化作用下进行的，其反应产生的活性碳原子很容易就进入了铁的晶格中被吸收，使得反应继续进行．
钢件的表面吸收了大量的碳原子，使得表面的碳浓度增加，在表层形成一定的碳浓度梯度．在渗碳温度下，碳原子不断向内部扩散，随着保温时间的延长，渗层不断加深，最终形成一定浓度梯度的渗碳层．
渗碳用钢一般都是ω(C)为0．10%～0．25%的低碳钢，其中，应用最多的是ω(C)为0．15%～0．20%的碳素钢及合金钢．
主要从以下三个方面评定渗碳层质量：表面含碳量、渗层深度及碳浓度梯度．
表面含碳量一般要求ω(C)为0．7%～1．05%左右．低碳钢为0．9%～1．05%，镍铬合金为0．7%～0．8%，其他合金钢为0．8%～0．9%为宜．也可按用途来选择表面含碳量，若要求耐磨性则选择上限，除要求耐磨外还要求一定韧性则应选择下限．
表面含碳量ω(C)低于0．7%时硬度低、耐磨性差；高于1．05%时，碳化物不均匀性增加，易形成大块的或网状渗碳体，渗层脆性大，容易剥落，零件耐疲劳性差．
工件的渗层深度是由零件的大小和承受载荷的大小及性质决定的．由齿轮的模数而决定的渗碳层有效深度见表15-24．
表15-24 由齿轮模数决定的渗碳层有效深度 mm
渗层过薄易压蚀和剥落，使零件的寿命下降．在表面碳浓度和金相组织相同的情况下，增加渗层深度可提高疲劳强度．
渗层的浓度梯度影响渗层上的硬度梯度，渗层上碳浓度变化缓慢，硬度下降也缓慢，渗层与心部结合越牢固．为了获得高质量的渗层，必须严格控制以下几点：
(1)渗碳温度．在渗碳气氛组成、时间相同的条件下，渗碳温度越高，碳扩散速度就越快；渗层越深，表面碳浓度越高．但温度过高会造成钢的晶粒长大，使零件的力学性能下降，变形增加．温度过高还会使设备的寿命降低．所以，常用的渗碳温度为900～950℃．
(2)渗碳时间．渗碳时间包括加热时间及保温时间．在温度确定的情况下，渗层深度就取决于保温时间，保温时间越长，渗层深度越深．
(3)炉内碳势的影响．碳势可以认为是在一定渗碳温度下，渗碳炉内炉气与工件表层碳浓度达成平衡的Pco／(Pco+Pco2)或PCH．／(PcH1+PH2)，它反映了炉气的渗碳能力．炉内的碳势对渗碳厚度、渗层表面含碳量以及渗层上碳浓度梯度都有很大影响．一般碳势越高，渗速就越快，渗层也越深，表面含碳量也越高，碳浓度梯度越陡．但是碳势过高，工件表面容易形成碳黑，这样会使渗速变慢、渗层减薄．
(4)钢的成分的影响．钢的含碳量直接影响渗碳过程中渗层碳浓度梯度．钢的含碳量高，渗层碳浓度梯度减校碳扩散的速度降低，渗速下降，渗层保它还可以使渗层上碳浓度变得平缓；含碳量高还会使心部淬火后韧性下降．所以，一般ω(C)控制在0．1%～0．25%，最高不要超过0．3%．
钢中的Cr、Ti、W、Mn(ω<0．4%)等强碳化合物形成元素能使渗层表面碳浓度增加，Ni使表面含碳量下降，Cr、Mo、Ti可稍稍增加渗层的深度，W、Ni稍降低渗层深度，S、P的含量ω大于1%时，渗层深度明显降低．
钢中的合金元素Cr、W、Mo、Ti、V可提高渗层淬硬性、耐磨性，增加钢的淬透性，使心部韧性提高．Cr、W、Mo、Ti、V可防止渗碳过程中晶粒长大．因此，合金渗碳钢的渗层比碳钢的渗层有更优良的力学性能．
15．6．5．3 固体渗碳
固体渗碳是把低碳钢工件埋在固体渗碳剂中，装箱密封，加热到930℃左右，保温一定时间，使工件表层增碳的工艺方法．
渗碳剂由两部分组成：固体碳和催渗剂．固体碳可以用木炭也可以用焦碳．碱金属成碱土金属的碳酸盐可用做催渗剂，碳酸盐有更好的催渗作用和活性．
固体渗碳的优点是：对设备没有特殊要求，工艺简单易掌握，渗剂来源广泛，成本低，特别适用于没有专用设备、批量小、变化多样的各种情况．但它也存在许多问题，如固体渗碳中表面质量不易控制、劳动条件差、能源浪费大等．
在固体渗碳中，常见的渗碳剂见表15-25．
表15-25 常用固体渗碳剂组成
固体渗碳的主要工艺如下所述．
在工件装箱前，一定要去掉工件上的锈迹及各种污物，不需要渗碳的部分要保护起来．防渗可采用涂陶瓷涂料或镀铜的方法．渗碳箱一般采用低碳钢、不锈钢、渗铝碳钢及耐热钢制成．装箱的要求见图1522．
图15-22 固体渗碳装箱示意图
在确定了渗碳剂的配方后，主要的工艺参数是渗碳温度和保温时间．渗碳温度和保温时间决定了固体渗碳件渗层的碳浓度和渗层深度．固体渗碳的主要工艺规范见图15-23．
图15-23 固体渗碳典型工艺
(a)一般规范；(b)分级渗碳规范
在工艺规范中，透烧的目的是减小放在箱壁的工件与放在箱子中心的工件渗碳层的差别，透烧的温度为800～850℃，时间主要取决于渗碳箱的大小．圆筒状渗碳箱的透烧时间见表15-26．
表15-26 固体渗碳透烧时间
注：加热炉为RJX-75-9型
渗碳保温的时间取决于渗层的深度要求，一般930℃左右渗碳速度为0．1～0．15mm／h，保温的时间可以根据渗层深度大致进行估算
固体渗碳一般运用试件来确定所要求的渗层深度的出炉时间．在渗碳箱中放置两种与工件材料相同的试样．为了能真实地反映出零件渗碳效果，应把试样放在靠近工件处．一个试样可随时抽取检验；另一个试样埋入箱中，随工件一起出炉，为观察金相组织和硬变实验做准备．
15．6．6．4 液体渗碳
液体渗碳是在能激活碳原子的熔融盐浴中进行的．
液体渗碳的主要优点是：设备简单，渗碳速度快，碳量控制容易．它适用于中小零件的小批量生产．
渗碳盐浴是由渗碳剂和中性盐组成的．渗碳剂主要是提供活性碳原子；中性盐起着调节盐的密度、熔点和流动性的作用．
几种主要的液体渗碳盐浴的组成和使用效果见表15-27．
表15-27 液体渗碳盐浴的组成及使用效果
①“603”渗碳剂组成为：NaCl5%，KCl10%，Na2CO315%，(NH2)2CO20%，木炭粉(100目)5%；②渗碳剂组成为：木炭粉(60～100目)70%，NaCl30%．
在确定了盐浴配方后，渗碳工艺还要确定渗碳温度和时间．渗碳温度主要由渗层的厚度、零件的形状是否容易变形及精度的要求来决定．如果渗层要求不厚，但工件形状容易变形或要求严格，可选择850～900℃；如果工件要求渗层厚，又不容易变形，渗碳温度可选在910～950℃．液体渗碳的温度和时间与渗层深度的关系见图15-24．
表15-24 渗碳温度、时间对渗层深度的影响
(a)渗碳温度对渗层深度的影响；(b)渗碳时间对渗层深度的影响
在配制渗碳盐浴的过程中，应先将中性盐熔化，待要达到渗碳温度时，再将渗碳剂加入盐浴．在加入渗碳剂时，盐浴可能产生沸腾，此时应停止加热，待平静后再加热添加盐．在渗碳过程中，渗碳剂在消耗，盐浴的渗碳能力会下降，应掏出一些旧盐，再按比例加入一定量的新盐．
液体渗碳一般放入三个与工件材料相同的试样，一个决定出炉时间，两个随工件出炉，用来测定渗层深度及观察金相组织．
为了减少盐浴的挥发和辐射热损失，减少空气中氧的侵入，在盐上可覆盖一些石墨、炭粉及固体渗碳剂粉末．
液体渗碳工件的热处理可将工件移到等温槽中预冷，直接淬火；或工件在等温槽中预冷后空冷，然后重新加热淬火．
15．6．6．5 气体渗碳
气体渗碳是工件在高温的渗碳气氛中进行渗碳．气体渗碳可分为滴注式气体渗碳和吸热式可控气氛渗碳．
1．滴注式气体渗碳
用于渗碳的有机液体的选择原则主要为：碳氧比、碳当量、形成碳黑倾向校来源广泛等．
碳氧比是指有机液体分子中碳原子数和氧原子数之比．碳氧比大于1时，有时液体高温分解出CO、H2和[C]，这样的有机液体用于渗碳，比值越大渗碳能力越强．比值为1时，有机液体只能用于提供稀释气体．表15-28提供了几种有机滴剂的碳氧比．
表15-28 有机滴剂的碳氧比
碳当量是指产生1g原子碳所需的有机物质的质量．有机液体的碳当量越校渗碳能力越强．表15-29介绍了几种常用有机液体的碳当量．
表15-29 常用有机液体的碳当量
常用的有机液体渗碳剂主要是煤油，它的主要优点是便宜、安全、来源广泛．煤油在900～950℃时使用，效果较好．它的主要缺点是碳势不易控制．采用甲醇加丙酮的混合物作为渗剂比较好，甲醇作为稀释剂，丙酮作为渗碳剂，调节两者比例来控制碳势．
滴注式气体渗碳一般采用井式渗碳炉．
2．吸热式可控气氛渗碳
吸热式可控气氛渗碳的主要优点是：工件质量好，含碳量偏差校变形量校表面质量高．它的主要缺点是：设备复杂，投资大，操作复杂．
吸热式可控气氛渗碳采用连续式气体渗碳炉，而且用于中小周期式的渗碳炉，它可以提高生产率、节省能源消耗、降低成本．
①气氛
吸热式渗碳气氛由两部分组成，一组为稀释气，也就是吸热式气体，它是使可燃性原料进入装有触煤的反应器中，在950～1050℃条件下反应生成的．表15-30为原料气反应后生成的气氛组成．
表15-30 原料气反应后生成的气氛组成
另一组为富化气．渗碳过程中稀释气一般保持恒定，通过改变富化气流量来调整气氛的趋势．
②渗碳时炉内的化学反应
气氛内的化学反应为：
气氛与工件的相互作用为：
渗碳反应为：
γ-Fe+2CO→γ-Fe(C)+CO2
脱碳反应为：
[C]Fe+CO2→2CO
气氛与工件反应都是可逆反应反应进行的方向、进行的程度与温度有关，与参与反应的各组分的浓度有关，与有无催化及反应的时间有关．
③碳势的测控原理与方法
碳势的测控原理如下：炉气的趋势取决于[CO]／([CO]+[CO2])和[CH4]／([CH4]+[H2])，炉气中存在着如下平衡反应：
以上反应关联着渗碳反应，炉气的趋势一定，[CO]／([CO]+[CO2])和[CH4]／([CH4]+[H2])也是一定的，炉气中的CO、H2含量也基本上是一定的，H2O、CO2也是一定的，从图15-25看出，减少H2O和CO2炉气的趋势就会增加．
图15-25 平衡图
(a)CO-CO2-Fe平衡图；(b)CH4-H2-Fe平衡图
吸热式可控气氛渗碳设备碳势的测量与控制的常用方法有：露点仪法、CO2红外气体分析仪法和二氧化锆氧探头法．
露点仪法是利用气氛中水汽(φ(H2O))结露的温度来表示气氛中水汽含量的多少．露点越低，气氛中φ(H2O)越小．
常用的为氯化锂露点仪，示意图见图15-26．
图15-26 氯化锂露点仪装置图
CO2红外气体分析仪法是利用测量和控制CO2的原理来测量和控制碳势的．炉气中的各种气体对红外线都有选择吸收效应，如CO2气体对于波长为4．3μm红外线有很强的吸收带，CH4气体对于波长为3．4μm的红外线有很强的吸收带．对于一定的气体和具有一定波长的红外线，这种吸收与气体浓度存在着一定的定量关系．在气体浓度较低和吸收层较薄的情况下，固定入射红外线的波长和强度以及气体吸层的厚度，这时穿透气体的红外线强度只与该气体的浓度有关，而且是线性关系．因此，只要对穿透气体红外线的强度进行测量就可确定被测气体的浓度．图15-27为红外线CO2分析仪工作原理图．
图15-27 红外线CO2分析仪工作原理图
1、2—红外线光源；3—同步电机；4—切光片；5—滤波室；6—测量气室；7—参比气室；8—固定反射面；9—补偿室；10—检测室；11—薄膜；12—波纹管；13—引线；14—固定电极；15—人造宝石窗口
二氧化锆氧探头法介绍如下．氧化锆固体电解质在高温下是一种离子导电体，如图15-28所示．氧化锆固体电解质两端涂有多孔铂电极，一极置于被测气体中，另一端置于参比气体中．待测气体氧分压为P1，参比气体氧分压为po2．常参比气体氧分压大于被测气体氧分压，氧分压高的一极O2经铂电极的催化作用吸收铂电子成为负氧离子O2-，通过ZrO2电解质进入氧分压低的一极，并释放出电子还原成O2，这样就形成了一个氧浓差电动势失去电子一极(即氧分压高的一端)成为正极，得到电子一极(氧分压低的一端)成为负极，这种氧浓差电池也称为氧探头，如图1529表示
图15-28 氧化锆固体电解质测量原理示意图
1—待测气体氧分压pa；2—ZrO2；3—多孔铂电极；4—参比气体氧分压po2；5—电动势
采用氧化锆氧探头进行碳势的测控，优点是反应快、精度高，但也存在着应用范围小、寿命比较短、对气氛变化敏感等不足
④吸热式气氛的制备
图15-30为35m3／h吸热式发生器控制系统示意图．
原料气自液化气缸经蒸发器、过滤器两次过滤，两次减压，通过压力开关和安全切断开关进入混合器与干燥过的空气成比例混合．为了保证空气与原料气混合比例保持不变，在混合器上加装零压调节器．混合好的气体经罗茨泵、单向阀、火焰逆止阀进入装有催化剂的吸热式气体发生器．反应生成的吸热式气体一部分进入炉子，另一部分作为气样进入露点仪，分析其碳势．如碳势不合适可通过来自露点仪的控制信号调整进入混合器的二次空气进量．若从发生器出来的气体压力过大，可通过旁通调节器使从罗茨泵出来的混合气不完全进入发生器，部分混合气回到罗茨泵进口如果需要暂时停止供气，可使气体通过放散调节器，使气体放空烧掉，不致使气体压力过大发生回火．
图15-29 氧探头结构示意图
1—电极；2—氧化锆电解质；3—参比空气；4—导线铂；5—瓷保护管；6—输出电势
图15-30 35m3／h吸热式发生器控制系统示意图
1—微动开关；2—催化剂；3—高铝砖；4—挠性管防爆头；5—火焰逆止阀；6—单向阀；7—旁通调节器；8—放散调节器；9—控制马达；10—流量计；11—空气过滤器；12—湿度调节器；13—压差计；14—零压调节器；15—流量计；16—压力开关；17—安全切断开关；18—减压阀；19—过滤器；20—减压阀；21—过滤器；22—放散阀
⑤连续吸热式气氛渗碳炉
渗碳后直接淬火的连续式加热炉理想的炉温曲线如图15-31所示．
图15-31 理想渗碳炉温曲线
各区的加热温度如下：
Ⅰ区加热区：第一段为800～850℃，第二段为900～930℃；
Ⅱ区渗碳区：950～960℃加速渗碳；
Ⅳ区预冷淬火区：840～860℃
原料气和空气混合比例(吸热式稀释气)为：
空气∶甲烷=2．4∶1
空气∶丙烷=7．2∶1
空气∶丁烷=9．6∶1
富化气与稀释气的比例，如采用液化石油气作为富化气则其比例如表15-31所示．渗碳区碳势最高，扩散区零件表层已渗入大量的碳，此区的目的是为了获得具有一定深度、一定碳浓度梯度的渗层，所以只通稀释气保护．
表15-31 采用液化石油气作为富化气的比例
为了保证渗碳速度，应有足够碳势的气体供应，一般要经常换气，其次数为3～3．5次／h．此外炉子要密封好，防止漏气．
15．6．6．6 其他渗碳方法
1．真空渗碳
真空渗碳是在低于大气压力(7～55kPa)下进行的高温气体渗碳过程．真空渗碳温度一般在980～1050℃．通常只向炉内通入富化气，如甲烷、丙烷、天然气，有时还有氮作为载体气体．真空渗碳是通过碳氢化合物气体在钢件表面分解，直接吸附、吸收实现的，同时还释放出氢气．
真空渗碳有压力低、渗碳温度高的特点，它还具有以下优点：
(1)与吸热式气氛渗碳相比，它不需要复杂的载体气体发生装置．
(2)由于渗碳温度高、渗碳反应进行速度快，所以渗碳时间缩短．
(3)渗碳质量好，渗碳件表面光亮．
(4)不需载体气体，可节省能源，降低费用．
(5)操作条件好，排出有害气体少．
2．离子渗碳
离子渗碳是在真空渗碳和离子渗氮工艺的基础上发展起来的．它是在真空渗碳的设备上加装了辉光放电装置，使得渗碳过程在辉光发电的条件下进行．零件的加热具有两个热源：其一是电阻发热体辐射加热；其二是辉光放电过程加热．正因为离子渗碳的特点，因此它与传统的渗碳相比有渗碳效率高、表面质量好、渗层分布均匀、变形小、污染少、容易实现自动化等优点．深孔，盲孔也能渗碳．
3．感应加热渗碳
感应加热渗碳是为了缩短渗碳工艺时间、提高渗碳效率而发展起来的一种渗碳工艺．它是利用感应加热的方法使处于渗碳介质中的工件达到渗碳温度而进行渗碳过程的．
感应加热渗碳采用的渗碳介质可以是固体、液体和气体．它的主要优点是：大大缩短了渗碳工艺时间，小批量的生产可提高生产效率．但由于受到了感应器的限制，一次不可能对多个工件渗碳，零件的形状也不能太复杂，所以大批量生产反映不出高生产率的特点，复杂形状的零件渗碳受到局限．
15．6．6．7 渗碳后热处理
渗碳只是为提高钢件表面的硬度、耐磨性及抗疲劳性能提供了必要的条件，而钢件表面优越性能必须进行渗碳后的淬火加低温回火处理
渗碳后的热处理根据零件组织、性能要求和工件本身的特点，有以下几种形式：
(1)渗碳后直接淬火．这种方法的优点是操作简便，生产率高，经济性好，较适用于大批量生产．
(2)渗碳后一次淬火．
(3)渗碳后二次淬火．