第2章　滲碳工藝及其應用

2.1　概述

所謂滲碳是將工件放入滲碳氣氛中，并在900～950℃的溫度下加熱、保溫，使其表面層增碳的一種工藝操作。它是金屬材料最常見、應用最為廣泛的一種化學熱處理工藝。即滲碳是向金屬表面層滲入碳原子的過程，其目的是使工件在繼續經過相應熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強度和較高韌性。滲碳工藝廣泛用于飛機、汽車和拖拉機等的機械零件，如齒輪、軸、凸輪軸等。

2.1.1　滲碳工藝特點及對滲碳層的技術要求

2.1.1.1　滲碳工藝的特點

滲碳是一種歷史悠久、應用廣泛的化學熱處理工藝，它具有表2.1所列的特點。

2.1.1.2　滲碳工藝的適用場合

對于在交變載荷、沖擊載荷、較大接觸應力和嚴重磨損條件下工作的機器零件，如齒輪、活塞銷和凸輪軸等，要求工件表面具有很高的耐磨性、疲勞強度和抗彎強度，而心部具有足夠的強度和韌性，采用滲碳工藝可滿足其性能要求。

2.1.1.3　對滲碳層的技術要求

對滲碳層的技術要求見表2.2。

2.1.2　滲碳層的測定

滲碳層的測定方法見表2.6。

2.1.3　滲碳用鋼及滲碳前的預備熱處理

2.1.3.1　滲碳用鋼

滲碳用鋼的化學成分特點見表2.9。典型滲碳鋼的特點及應用見表2.10。表2.11為不同條件下使用的各種低速重載及高速齒輪用滲碳鋼。常用滲碳鋼的牌號、化學成分、熱處理、力學性能及用途見表2.12。

2.1.3.2　滲碳鋼中合金元素的主要作用

合金元素在滲碳鋼中的主要作用，見表2.13。

2.1.3.3　滲碳鋼滲碳前的預備熱處理

為改善鋼的切削加工性，使其心部組織均勻，減少滲碳淬火后的變形，滲碳前鋼坯應實施正火或正火+回火處理，以獲得粒狀或細片狀珠光體（P）+少量鐵素體（F）或索氏體（S）組織。常用滲碳鋼的預備熱處理工藝、顯微組織和硬度見表2.14。

2.1.3.4　滲碳件的表面清理與防滲處理

工件滲碳之前應進行脫脂、除銹及除垢處理。通常采用質量分數為1.5%～3.0%的碳酸鈉水溶液，也可用專用脫脂劑。若鐵銹較重，可采用噴砂處理。清洗后應將工件充分干燥，不允許將水分帶入滲碳爐。

工件非滲碳表面可采用增大加工余量法、鍍銅法、涂料防滲法、緊密固定鋼套及軸環保護，不允許滲碳部位等進行防滲處理。各種防滲處理方法的技術要求見表2.15～表2.17。

2.1.4　滲碳介質與碳勢控制

2.1.4.1　滲碳介質

常用滲碳劑的主要組成、特點及使用方法見表2.18。在滲碳過程中，按介質作用的不同又可分為滲碳劑和稀釋劑兩種。幾種常見滲碳劑分解后的產氣量與產生炭黑的量見表2.19。

2.1.4.2　常用滲碳劑簡介

常用的幾種滲碳劑及其特點見表2.20。

2.1.4.3　滲碳過程的化學平衡及爐氣碳勢控制

氣體滲碳主要是依靠滲碳氣氛中的CO及CH₄在高溫下分解出活性碳原子而實現的，溫度、時間、滲碳劑的供給量對鋼的滲碳質量有明顯的影響，其滲碳過程分為供碳和吸碳兩個方面。

液體滲碳劑滴入爐內，在高溫下發生分解，其產物為CH₄、不飽和烴類、CO、CO₂、H₂、O₂及N₂等。據報道，CH₄的滲碳能力很強，CO較弱。在高溫下氫的脫碳能力并不強，相反可延緩烴類的分解過程，阻止不飽和烴類的形成和炭的產生，從而保護鋼的表面不被氧化。

由此可見氫通常作為稀釋性保護氣體，不滲入，只起稀釋和保護作用，氧氣與二氧化碳對工件有氧化作用，滲碳氣氛中CO及CH₄在高溫下分解，其反應式為：

因此爐內混合氣體的滲碳能力是氣體各組成滲碳和脫碳的綜合表現，隨成分的變化，反應可以朝著不同的方向進行，當反應達到動態平衡時工件既不脫碳也不增碳，工件與爐氣之間碳的交換處于相對平衡狀態，這時工件表面的碳含量稱為碳勢。當爐氣中的碳勢高于工件表面的碳含量時發生滲碳反應，反之則發生脫碳反應。根據化學平衡原理，此時反應物與生成物的分壓不變，其比值為一個常數，爐內混合氣體發生增碳或脫碳反應取決于爐氣中CO/（CO+CO₂）和CH₄/（CH₄+H₂）的比值，同時與鋼種的碳含量有關。

碳勢只取決于CO₂和CH₄的含量，爐內碳勢主要因素為CO₂，即碳含量與CO₂含量呈反比關系，這可借助于CO-CO₂-Fe和CH₄-H₂-Fe平衡圖予以說明。

CO-CO₂-Fe的平衡圖見圖2.7。從圖中可知：①在abc線左面，CO₂含量較高，Fe被氧化成FeO，不存在滲碳反應，abc線為氧化和還原分界線；②abed圍成的區域為鐵素體穩定區；③def右面是滲碳體的穩定區，由于CO含量較高，可在鋼中直接形成滲碳體；④cbef線圍成的區域為碳含量可變的奧氏體穩定區，此區域中各條曲線為碳含量不同的奧氏體滲碳和脫碳的平衡曲線。當溫度一定時，CO的相對含量越高，奧氏體平均碳含量越高，即CO相對含量高的爐氣具有高碳勢，而當CO相對含量一定時，溫度越高奧氏體的平均碳含量越低，易脫碳，表明有CO-CO₂組成的爐氣中，其滲碳能力隨溫度的升高而下降。

CH₄-H₂-Fe平衡圖見圖2.8。圖中SE與SP圍成的區域為碳含量可變的奧氏體區，SP左面區域為鐵素體的穩定區，SE右邊區域為石墨與奧氏體共有區，該圖分為三個區域，其分析方法同上。當CH₄相對含量一定時，溫度越高奧氏體的平均碳含量越高，即CH₄-H₂組成的爐氣中其滲碳能力隨溫度的升高而增大。

CH₄的活性遠遠大于CO。在900℃要使鋼表面碳含量達0.8%，需95%以上CO，如用CH₄則需要量不到1.5%。在實際生產中，多種氣體混合在一起的作用十分復雜，其表面碳含量為各種氣體滲碳和脫碳共同作用的結果。爐內的化學反應都沒有達到平衡，只是趨于平衡，了解這些化學反應的平衡條件，為選擇滲碳介質和控制工藝提供了理論基礎。

2.1.5　滲碳后的熱處理與滲碳層的組織、性能

2.1.5.1　滲碳后的熱處理

對滲碳鋼來說，要求表層硬度高、強度高、耐磨性好，而心部應有良好的韌性。只有通過滲碳得到表面和心部成分的差異，然后經恰當的熱處理，才能強化表層，提高耐磨性，并獲得具有良好韌性和一定強度的心部組織。滲碳后熱處理的目的見表2.23。滲碳件熱處理方法的選擇及要求見表2.24。

表2.25列出了零件滲碳后的冷卻形式。根據工件的成分、形狀和力學性能的要求，選擇不同的熱處理方式。滲碳后常用的幾種熱處理方法，可根據零件材料和性能要求來作恰當的選擇，見表2.26。

滲碳件的淬火處理，可在井式爐、箱式爐和鹽浴爐中進行，為防止加熱時氧化脫碳，在井式爐、箱式爐中應滴入煤油或通入保護氣氛。鹽浴爐脫氧充分，根據材料的成分、性能要求等不同，選用合理的淬火介質（油或鹽水等）。對于形狀復雜、有尖角和溝槽、厚度懸殊較大的工件，為防止開裂和變形，可采用分級淬火。采用上述方法，使滲碳后工件達到表面硬度高、心部韌性好的目的，在使用過程中發揮了良好作用，因此應用較廣泛。

2.1.5.2　滲碳層的組織與性能

滲碳層的組織與性能見表2.27。表層及心部組織對滲碳件性能的影響見表2.28。

總之，滲碳件經熱處理（淬火+低溫回火）后，獲得合適的組織結構，方能達到較高的力學性能要求。一般認為工件滲碳層表層組織為M_回+K_粒+A_r（少量），硬度56～64HRC；心部淬透時組織為低碳M_回+F（少量），硬度30～45HRC（心部未淬透時，組織為F+P，硬度相當于10～15HRC）。滲碳層不允許出現網狀碳化物，淬火后滲層中的A_r應在允許范圍之內，應避免氧化脫碳和淬火變形；心部組織不允許有大塊F存在。此時工件畸變最小。