第2章　滲碳工藝及其應(yīng)用

2.1　概述

所謂滲碳是將工件放入滲碳?xì)夥罩校⒃?00～950℃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(yīng)用最為廣泛的一種化學(xué)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(xù)經(jīng)過相應(yīng)熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度和較高韌性。滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)、汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件，如齒輪、軸、凸輪軸等。

2.1.1　滲碳工藝特點(diǎn)及對(duì)滲碳層的技術(shù)要求

2.1.1.1　滲碳工藝的特點(diǎn)

滲碳是一種歷史悠久、應(yīng)用廣泛的化學(xué)熱處理工藝，它具有表2.1所列的特點(diǎn)。

2.1.1.2　滲碳工藝的適用場合

對(duì)于在交變載荷、沖擊載荷、較大接觸應(yīng)力和嚴(yán)重磨損條件下工作的機(jī)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(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，而心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性，采用滲碳工藝可滿足其性能要求。

2.1.1.3　對(duì)滲碳層的技術(shù)要求

對(duì)滲碳層的技術(shù)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(yù)備熱處理

2.1.3.1　滲碳用鋼

滲碳用鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)見表2.9。典型滲碳鋼的特點(diǎn)及應(yīng)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(hào)、化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)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(yù)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(yīng)實(shí)施正火或正火+回火處理，以獲得粒狀或細(xì)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(yù)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(yīng)進(jìn)行脫脂、除銹及除垢處理。通常采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)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(huán)保護(hù)，不允許滲碳部位等進(jìn)行防滲處理。各種防滲處理方法的技術(shù)要求見表2.15～表2.17。

2.1.4　滲碳介質(zhì)與碳勢控制

2.1.4.1　滲碳介質(zhì)

常用滲碳劑的主要組成、特點(diǎn)及使用方法見表2.18。在滲碳過程中，按介質(zhì)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(chǎn)氣量與產(chǎn)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(diǎn)見表2.20。

2.1.4.3　滲碳過程的化學(xué)平衡及爐氣碳勢控制

氣體滲碳主要是依靠滲碳?xì)夥罩械腃O及CH₄在高溫下分解出活性碳原子而實(shí)現(xiàn)的，溫度、時(shí)間、滲碳劑的供給量對(duì)鋼的滲碳質(zhì)量有明顯的影響，其滲碳過程分為供碳和吸碳兩個(gè)方面。

液體滲碳劑滴入爐內(nèi)，在高溫下發(fā)生分解，其產(chǎn)物為CH₄、不飽和烴類、CO、CO₂、H₂、O₂及N₂等。據(jù)報(bào)道，CH₄的滲碳能力很強(qiáng)，CO較弱。在高溫下氫的脫碳能力并不強(qiáng)，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(chǎn)生，從而保護(hù)鋼的表面不被氧化。

由此可見氫通常作為稀釋性保護(hù)氣體，不滲入，只起稀釋和保護(hù)作用，氧氣與二氧化碳對(duì)工件有氧化作用，滲碳?xì)夥罩蠧O及CH₄在高溫下分解，其反應(yīng)式為：

因此爐內(nèi)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(xiàn)，隨成分的變化，反應(yīng)可以朝著不同的方向進(jìn)行，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)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(duì)平衡狀態(tài)，這時(shí)工件表面的碳含量稱為碳勢。當(dāng)爐氣中的碳勢高于工件表面的碳含量時(shí)發(fā)生滲碳反應(yīng)，反之則發(fā)生脫碳反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)平衡原理，此時(shí)反應(yīng)物與生成物的分壓不變，其比值為一個(gè)常數(shù)，爐內(nèi)混合氣體發(fā)生增碳或脫碳反應(yīng)取決于爐氣中CO/（CO+CO₂）和CH₄/（CH₄+H₂）的比值，同時(shí)與鋼種的碳含量有關(guān)。

碳勢只取決于CO₂和CH₄的含量，爐內(nèi)碳勢主要因素為CO₂，即碳含量與CO₂含量呈反比關(guān)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，F(xiàn)e被氧化成FeO，不存在滲碳反應(yīng)，abc線為氧化和還原分界線；②abed圍成的區(qū)域?yàn)殍F素體穩(wěn)定區(qū)；③def右面是滲碳體的穩(wěn)定區(qū)，由于CO含量較高，可在鋼中直接形成滲碳體；④cbef線圍成的區(qū)域?yàn)樘己靠勺兊膴W氏體穩(wěn)定區(qū)，此區(qū)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(dāng)溫度一定時(shí)，CO的相對(duì)含量越高，奧氏體平均碳含量越高，即CO相對(duì)含量高的爐氣具有高碳勢，而當(dāng)CO相對(duì)含量一定時(shí)，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(qū)域?yàn)樘己靠勺兊膴W氏體區(qū)，SP左面區(qū)域?yàn)殍F素體的穩(wěn)定區(qū)，SE右邊區(qū)域?yàn)槭c奧氏體共有區(qū)，該圖分為三個(gè)區(qū)域，其分析方法同上。當(dāng)CH₄相對(duì)含量一定時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)大于CO。在900℃要使鋼表面碳含量達(dá)0.8%，需95%以上CO，如用CH₄則需要量不到1.5%。在實(shí)際生產(chǎn)中，多種氣體混合在一起的作用十分復(fù)雜，其表面碳含量為各種氣體滲碳和脫碳共同作用的結(jié)果。爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)都沒有達(dá)到平衡，只是趨于平衡，了解這些化學(xué)反應(yīng)的平衡條件，為選擇滲碳介質(zhì)和控制工藝提供了理論基礎(chǔ)。

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(duì)滲碳鋼來說，要求表層硬度高、強(qiáng)度高、耐磨性好，而心部應(yīng)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(jīng)恰當(dāng)?shù)臒崽幚恚拍軓?qiáng)化表層，提高耐磨性，并獲得具有良好韌性和一定強(qiáng)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(jù)工件的成分、形狀和力學(xué)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(jù)零件材料和性能要求來作恰當(dāng)?shù)倪x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(jìn)行，為防止加熱時(shí)氧化脫碳，在井式爐、箱式爐中應(yīng)滴入煤油或通入保護(hù)氣氛。鹽浴爐脫氧充分，根據(jù)材料的成分、性能要求等不同，選用合理的淬火介質(zhì)（油或鹽水等）。對(duì)于形狀復(fù)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(jí)淬火。采用上述方法，使?jié)B碳后工件達(dá)到表面硬度高、心部韌性好的目的，在使用過程中發(fā)揮了良好作用，因此應(yīng)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(duì)滲碳件性能的影響見表2.28。

總之，滲碳件經(jīng)熱處理（淬火+低溫回火）后，獲得合適的組織結(jié)構(gòu)，方能達(dá)到較高的力學(xué)性能要求。一般認(rèn)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(shí)組織為低碳M_回+F（少量），硬度30～45HRC（心部未淬透時(shí)，組織為F+P，硬度相當(dāng)于10～15HRC）。滲碳層不允許出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，淬火后滲層中的A_r應(yīng)在允許范圍之內(nèi)，應(yīng)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(shí)工件畸變最小。