2.2　氣體滲碳工藝及應用

2.2.1　氣體滲碳工藝參數

氣體滲碳工藝參數主要有滲碳溫度、滲碳時間、爐氣調節和冷卻等，見表2.29。

2.2.2　氣體滲碳法的分類、特點及滲碳劑的選擇

2.2.2.1　氣體滲碳法的分類及其特點

（1）滴注式氣體滲碳　工作時把液體有機物（一般采用兩種或兩種以上有機液體，其中一種裂解產生的氣體碳勢較低，用作稀釋氣或稱載氣；另一種有機液體裂解產生的氣體碳勢較高，用作富化氣，使爐內氣氛的碳勢提高至預定值）滴入滲碳爐中裂解，即可生成含有CH₄、CO等供碳組分的氣體，使用這些物質的氣體滲碳方法稱為滴注式氣體滲碳。

調節這兩種有機液體滴入量的比例，便可對氣氛碳勢進行控制。由有機液體分子中碳、氧的比值（C/O）可大致推斷出其裂解氣碳勢的高低。甲醇（CH₃OH）C/O=1，乙酸乙酯（CH₃COOC₂H₅）C/O=2，丙酮（CH₃COCH₃）C/O=3。滴注式可控氣體滲碳常用甲醇為稀釋氣的氣源，用乙酸乙酯及丙酮作為富化氣的氣源。常把甲醇稱為稀釋劑，把乙酸乙酯和丙酮稱為供碳劑。

進行滴注式可控氣體滲碳時，稀釋劑滴入量可保持恒定，通過調節供碳劑的滴量來控制氣氛碳勢。生產中常用露點儀及CO₂紅外儀測定氣氛碳勢，即根據氣氛中脫碳組分H₂O及CO₂含量的變化分析氣氛碳勢的變化。為使氣氛碳勢易于調控，在供碳劑滴量變化時，氣氛中CO及H₂的含量基本不變。以甲醇為稀釋劑、以乙酸乙酯或丙酮為供碳劑進行氣體滲碳，能夠滿足上述要求。圖2.16為滴注式井式氣體滲碳爐及結構示意圖。

（2）可控氣氛氣體滲碳　它包括吸熱式氣體滲碳、氮基氣氛滲氮和直生式氣體滲碳等。

①吸熱式氣體滲碳。它系由吸熱式氣體+富化氣組成。常用吸熱式氣體有天然氣、城市煤氣、丙烷、丁烷等。富化氣一般采用甲烷或丙烷。通過調整吸熱式氣體與富化氣的比例即可控制氣氛的碳勢。它是以碳勢較低的吸熱式氣體為載氣，以丙烷等為富化氣，在載氣流量不變而富化氣通向爐內的流量變化時，爐內氣氛中的CO、H₂含量基本不變，因而可用露點儀及CO₂紅外儀監測氣氛碳勢，進行可控滲碳。由于啟動吸熱式氣體發生裝置需要一段過程，故此法主要用于大批量生產。

②氮基氣體滲碳。它系指以氮氣為載體，添加富化氣或其他供碳劑（如甲醇裂解氣）的氣體滲碳方法。該法具有能耗低、安全、無毒等優點。由于氮基氣氛易得，在可控氣氛滲碳中的應用相當普遍。

③直生式氣體滲碳（即超級滲碳）。它是將燃料（或液體滲碳劑）與空氣或CO₂氣體直接通入滲碳爐內形成滲碳氣氛的一種滲碳工藝。隨著計算機控制技術應用的不斷發展，直生式滲碳的可控性也不斷提高，應用正逐步擴大，圖2.17為直生式滲碳系統簡圖。

直生式氣體滲碳的特點：

ⅰ.由富化氣（天然氣、丙烷、丁烷、異丙醇、煤油、丙酮、乙醇等）+氧化性氣體（空氣或CO₂）組成。

ⅱ.氣氛碳勢可控，這得益于氣氛監控裝置和計算機控制技術在熱處理領域的飛速發展。直生式滲碳氣氛是非平衡氣氛，CO含量不穩定，故應同時測量O₂和CO含量，再計算出爐內碳勢。調節富化氣與氧化性氣體的比例可調整爐氣碳勢。通常固定富化氣流量，調整空氣或CO₂的流量（即當爐內的碳勢高于設定值時，將增加空氣的加入量；反之，當爐內的碳勢低于設定值時，將減少空氣的加入量）。

ⅲ.碳傳遞系數（表征碳從氣相向工件表面轉移速度的量，表示滲碳速度的快慢）較高。

ⅳ.設備投資小。

ⅴ.碳勢調整速度快于吸熱式和氮基滲碳氣氛。

ⅵ.滲碳層均勻，重現性好。

ⅶ.對原料氣的要求較低，氣體消耗量低于吸熱式氣氛滲碳。

2.2.2.2　氣體滲碳所使用的滲碳劑及選擇（見表2.30）

氣體滲碳所使用的滲碳劑及選擇見表2.30，常用有機液體的滲碳特性見表2.31。

2.2.3　井式爐氣體滲碳

2.2.3.1　滲碳工藝特點

目前在實際生產中，廣泛采用的是在RJJ型井式滲碳爐（圖2.16）中滴入滲碳介質進行氣體滲碳。滲碳介質多為煤油或煤油加甲醇等，整個滲碳過程一般可分為排氣、強滲、擴散和降溫四個階段。

（1）排氣階段　此階段目的是盡快排凈爐內的氧化性氣氛（空氣等）和使爐溫重新升到滲碳溫度，提高爐氣的碳勢，為滲碳做準備。在滲碳溫度下將工件放入爐內時，不可避免會有大量空氣進入爐罐，空氣中O₂與爐氣中H₂、CO、甲烷及炭黑反應，分別生成水及CO₂等氧化性氣體，會使工件表面產生氧化，形成的氧化膜阻礙滲碳過程的進行，使滲碳不均勻，影響工件的滲碳質量。工件吸熱，爐溫迅速下降，一般會降到800～850℃左右，而煤油在此溫度下裂解不充分，若滲碳劑滴入量太大，會產生大量炭黑，因此該階段采用較低的煤油滴量，爐溫>850℃時，煤油的分解速度加快，應加大滴量，迅速排凈爐內氧化性氣體。到工藝溫度后的前30～60min，仍為排氣階段，目的是提高爐內溫度的均勻性和使工件內外溫度趨于一致。排氣結束的標準：有的以爐氣中CO₂含量小于0.5%作為排氣結束的標準，也有的以爐氣中CO與H₂O的相對平衡量作為爐氣恢復階段的結束，表2.32列出了CO與H₂O的相對平衡量，排氣結束后爐內CO₂、O₂的含量應小于0.5%，以保證滲碳過程的正常進行。多采用以下方法進行排氣：甲醇與煤油排氣；保護性氣體加煤油排氣；只用煤油進行排氣。排氣方式不同，其結果有很大的差別，以甲醇與煤油排氣效果最佳。

（2）強滲階段　排氣結束后進入強滲階段。此階段是吸收過程，需使爐內氣氛保持較高碳勢，使零件表面迅速達到較高碳濃度和濃度梯度，為加快擴散創造條件。故強滲階段采用較大的煤油滴量。強滲時間主要取決于對滲碳層深度的要求，滲碳時間太長或滴油量過大，會使工件表面的碳含量過高，造成表層K聚集，相反則使滲碳速度減慢，無K的形成。爐氣成分可參考表2.33，當試樣滲層深度達到要求滲層深度的2/3左右時，應轉入擴散階段。

（3）擴散階段　工件經長時間滲碳后，表面層內的碳濃度較高，此階段是為降低表面碳含量，要求爐氣的碳勢較低，工件表面的碳向內部擴散，故應采用減少滲劑滴量的方法，一般煤油滴入量為強滲階段的1/3～1/2。要獲得理想的表面碳濃度和滲層深度，擴散時間與強滲時間基本一致。在實際滲碳過程中，通常將強滲階段與擴散階段合稱為滲碳階段或保溫階段，是滲碳層形成的關鍵環節，因此控制好滲劑的流量和滲碳時間至關重要，及時用試樣來檢查滲層質量是常用的控制質量的方法，當達到技術要求時即可降溫，保溫。

（4）降溫與出爐階段　滲碳工藝中規定的時間因受到滲劑成分波動等各方面因素的影響，會有所調整，因此應在滲碳結束前約1h抽檢試棒，滲層符合技術要求后方可出爐，降溫時滲劑滴入量與擴散階段相同。對于直接淬火的滲碳件，隨爐降溫到淬火溫度，并保溫一段時間使工件內外溫度一致后再淬火；對于需重新加熱淬火的工件，為減少表面氧化、脫碳及變形，也應降至860～880℃，出爐放入有保護氣氛的冷卻爐或坑中，冷到一定溫度后再重新加熱淬火。表2.34列出了煤油加甲醇的分段滲碳時的用量情況。該工藝可實現可控氣氛滲碳，獲得高質量的滲碳層，具有表面光潔，滲碳速度快等優點。

為保證滲碳效果，可采用以下途徑：ⅰ.用一種滲碳劑時，多采用在滲碳過程中改變滲碳劑滴量的方法來調整爐內的碳勢；ⅱ.選擇合適有機溶劑，混合成高效的滲劑，改變滲劑滴量，使碳勢控制在要求范圍內；ⅲ.同時滴入兩種有機液體，一種是熱分解后形成相當于稀釋氣氛的氣體，另一種則熱分解后形成強滲氣氛（富化氣）。前者多用甲醇，后者多用乙酸、丙酮、異丙醇等。典型的滲碳工藝見圖2.18和圖2.19。

操作時工件宜到溫入爐。爐溫在880℃以下時，用甲醇排氣，迅速排除氧化性氣體；爐溫高于880℃后滴入煤油，迅速提高爐內碳勢，既可防止炭黑出現，又加速了滲碳過程。不同滲碳溫度下的強滲時間t可根據所要求的滲層深度確定，見表2.35。圖2.18所給出的擴散時間是指滲碳時的高溫擴散時間，如采用降溫淬火，則擴散時間應在此基礎上加上降溫時間及0.5h的保溫時間。

生產實際中通常采用固定碳勢法和分段控制法控制碳勢，見表2.36。

2.2.3.2　滲碳的操作規程

在滲碳過程中，需要做好如下工作。

（1）滲碳前的準備工作　檢查設備的技術狀況、零件試樣的準備情況等（見表2.37）。

（2）滲碳工藝要求及注意事項　見表2.39。

用井式爐進行滲碳時，除用煤油作滲碳介質外，還可采用天然氣、城市煤氣或液化石油氣等氣態滲碳介質。

表2.41為20CrMnTi鋼在RJJ-75-9T爐中的滲碳結果，可以看出提高滲碳溫度能明顯增加滲碳層深度，大大縮短了滲碳時間，但滲碳溫度高于950℃以上會造成晶粒粗大，降低滲碳件的力學性能，一般不被采用。對于20CrMnTi鋼在920～930℃進行的滲碳處理，利用回歸方程式可知滲碳層深度（mm）與滲碳時間的關系為：

δ=0.4697+0.243t。

式中，t=3～10h，此公式可作為編制20Cr鋼滲碳工藝的參考依據。

強滲時間、擴散時間與滲碳層深度的關系，見表2.35。

（3）兩種滲碳新工藝　為了提高滲碳質量和縮短滲碳周期，在分段控制法的基礎上又發展了幾種滲碳工藝。這里介紹其中兩種較有成效的工藝，見表2.42。

（4）滴注式可控氣氛滲碳　前述井式爐滴注式氣體滲碳工藝中，碳勢不能按需調節，質量不穩定。滴注式可控氣氛滲碳的主要特點是把兩種有機液體直接滴入滲碳爐內進行熱分解，使其中一種滴液形成稀釋氣（載氣），在滲碳初期用來排氣，在滲碳階段維持爐內正壓，并構成恒定的爐氣成分；另一種滴液形成富化氣（滲碳氣），起滲碳作用。根據爐內氣氛反饋的信息，自動地調節兩種液體滴入的比例，即可控制爐內碳勢。通常選用甲醇產生稀釋氣，丙酮、乙酸乙酯、異丙醇、丙烷、煤油等有機液體產生富化氣。應用滴注式可控氣氛滲碳，可提高滲碳質量，加快滲碳速度。

幾種常用滲碳介質在900℃經裂解后，碳勢為1%的氣體成分如表2.43所示。滴注式可控氣氛滲碳的工藝過程、碳勢控制等見表2.44。

（5）滲碳設備—井式氣體滲碳爐　見圖2.16。井式氣體滲碳爐密封性較好，熱損失小，所以應用廣泛。其結構與低溫井式電阻爐相近，一般用電阻絲分層環繞在四周爐壁上，并分段控制，爐門上設有使爐氣循環的風扇。不同之處是井式氣體滲碳爐中設置有耐熱鋼爐罐，并用爐罐密封，將電熱元件與爐內氣氛隔開。工作時，滲碳劑（如煤油）從爐蓋上的滴量器滴入爐中，熱裂解后經風扇攪動循環，均勻接觸工件，廢氣從爐蓋上的廢氣孔排出。為提高滲碳效果和改善滲碳質量，對傳統井式電阻爐做了改進，見表2.45。

2.2.4　密封箱式爐氣體滲碳

它可采用吸熱式氣體滲碳、氮基氣氛氣體滲碳或直生式氣體滲碳。

2.2.4.1　吸熱式氣體滲碳

吸熱式氣氛是將可燃性原料氣，如丙烷、丁烷、天然氣等烴類與較少的空氣混合后，通入裝有催化劑的爐膛中，在催化劑的作用下，并借助外加熱，使混合氣在950～1150℃的條件下進行反應，用這種方法制備的氣氛稱為吸熱式氣氛。其滲碳氣氛、滲碳反應、碳勢測量和控制及工藝實例見表2.46。

2.2.4.2　氮基氣氛氣體滲碳

系指以氮氣為載體，添加富化氣或其他供碳劑的氣體滲碳方法，其特點為優質、安全、無毒和能耗低等。

（1）氮基滲碳氣體的組成　幾種典型氮基滲碳氣氛的成分組成見表2.48。表中所列的氮基滲碳氣氛中，CH₃OH+N₂+富化氣最具代表性，其中40%N₂+60%CH₃OH的滲碳效果最佳，甲烷或丙烷作富化氣多用于連續式或多用爐，丙酮或乙酸乙酯作富化氣多用于周期式滲碳爐。

（2）氮基氣氛滲碳的特點　見表2.49。

（3）氮基氣氛滲碳工藝實例　見表2.51。

2.2.4.3　直生式氣體滲碳（超級滲碳）

直生式氣體滲碳又稱超級滲碳，是將燃料與空氣或CO₂氣體直接通入滲碳爐內形成滲碳氣氛進行滲碳的一種工藝，隨著計算機控制技術應用的不斷成熟和完善，直生式滲碳的可控性也不斷提高，應用正逐步擴大。圖2.17為直生式滲碳系統簡圖。直生式氣體滲碳的氣氛、特點、碳勢及控制見表2.52。

2.2.4.4　滲碳工藝操作規范

滲碳工藝操作規范見表2.54。

2.2.4.5　多用爐滲碳的操作規程

在滲碳過程中，需要做好如下工作。

（1）滲碳前的準備工作　檢查設備的技術狀況、零件試樣的準備情況等，詳見表2.56。

（2）技術要求　見表2.57。

（3）多用爐操作規程　滲碳過程分為四個階段，即排氣、強滲、擴散及降溫或直接出爐等。以TQF-17-ERM易普森多用爐直生式氣體滲碳為例說明其操作時應注意的問題（見表2.58）。

（4）安全生產　操作人員在生產前要穿戴好工作服，其注意事項見表2.59。

2.2.5　連續氣體滲碳爐

連續氣體滲碳爐有推桿式連續氣體滲碳爐（見圖2.33）和網帶式連續氣體滲碳爐（見圖2.34），不管是連續氣體滲碳爐還是周期式氣體滲碳爐，其滲碳的原理都是一樣的。連續氣體滲碳爐的最大特點就是能夠將工件在一定時間內連續進行處理，除去一年的幾次燒炭和幾次維修時間外，通常都是24h的連續操作。因此生產效率高，適用于大批量生產的零件。

連續氣體滲碳爐熱處理工藝操作要點見表2.60。

零件入爐前的清理和設備、儀器、儀表、電氣、電熱元件、管路液壓傳動、機械傳動、氣動、潤滑、密封的檢查和井式氣體滲碳爐相同。

2.2.6　真空滲碳（低壓滲碳）工藝及應用

在低于1×105Pa的條件下于滲碳氣氛中進行的滲碳，稱為真空滲碳。它是近年來發展起來的一種氣體滲碳工藝。圖2.35為臥式雙室真空滲碳爐簡圖。真空滲碳對提高產品質量和節約能源有顯著效益，是一種極具發展前景的化學熱處理新工藝。

2.2.6.1　真空滲碳的特點

與普通氣體滲碳相比，它具有如下特點。

①可在較高溫度（980～1100℃）下進行，常用1030～1050℃。真空對工件表面有凈化作用，有利于其吸附碳原子，因而能顯著縮短滲碳周期，僅約為一般氣體滲碳所需時間的1/3。真空滲碳溫度及適用范圍見表2.61。

②工件在真空條件下滲碳，滲碳層均勻，表面不脫碳，不產生晶界氧化，有利于提高零件的疲勞強度。

③可直接將甲烷、丙烷或天然氣通入真空爐內滲碳，無需添置氣體制備設備。

④對于有不通孔、深孔、狹縫的零件，或不銹鋼、含硅鋼等普通氣體滲碳效果不好甚至難以滲碳的零件，真空滲碳都可以獲得良好的滲碳層。

⑤真空滲碳的耗氣量（CO₂排放量少）僅為普通滲碳的幾分之一或十幾分之一。勞動條件好、無公害，對環境基本上無污染；可間歇處理并可達到節能的目的。

⑥氣氛管理比普通氣體滲碳容易，如能確定滲碳時間和擴散時間，基本上即可獲得所需要的質量。

⑦缺點是容易產生炭黑，設備投資大、成本高。

真空滲碳與普通氣體滲碳工藝參數的比較見圖2.36。

2.2.6.2　真空滲碳工藝及操作

（1）工藝特點　見表2.62。

（2）操作程序及要求　詳見表2.63。

（3）注意事項

①清楚真空滲碳的應用目的。確定真空滲碳工藝的目的是通過高溫下短時間處理來提高生產率，實施細孔內的表面滲碳，減輕表面氧化，利于環保等，根據目的加以有效應用。

②確立處理條件。目前，真空滲碳工藝像氣體滲碳那樣，根據熱力學的平衡反應來控制爐內氣氛是很困難的，故應考慮使用設備、滲碳用氣體、處理零件等，以確立最佳的處理條件。

③根據零件形狀（特別是拐角部、棱邊部），應注意滲碳質量密度增高，容易產生滲碳體的情況。

④如果處理溫度為高溫（約950℃以上），有時會發生晶粒粗化，需要進行細化處理。

⑤關于設備，除了以往的分批式處理爐外，連續式、模塊式等新型多品種、大批量生產用設備已經開發出來，不過，必須選擇適合于處理零件的設備。真空滲碳爐可選用石墨或陶瓷材料制造。石墨爐允許更高的滲碳溫度，而陶瓷結構則不需像石墨爐那樣，要加強爐子的隔熱保護措施。

2.2.7　深層滲碳工藝及應用

滲層滲碳系指工件滲碳淬火后，表面總硬化層深度達3mm以上的滲碳。其工藝處理多用于大型低速重載工件，往往需要滲碳層深度>3mm，有的甚至達8mm。深層滲碳工藝可顯著提高工件表面承載能力。其設備多采用大型井式氣體滲碳爐。

滲碳層要求一定時，提高滲碳溫度可縮短滲碳時間。但是高溫滲碳對深層滲碳并不適宜，因為長時高溫滲碳，晶粒粗化，變形加大，甚至在淬火時有引起開裂的危險。尤其是含Mn鋼，高溫滲碳后產生裂紋的傾向明顯加大。Cr在短期滲碳時能阻礙奧氏體晶粒長大，但在長時滲碳時，也會引起晶粒長大。表2.64為20CrNi2Mo鋼在不同溫度滲碳時晶粒長大的傾向。另外，滲碳溫度的提高將縮短設備的使用壽命。

2.2.7.1　深層滲碳操作規程

深層滲碳操作規程見表2.65。

2.2.7.2　深層滲碳對熱處理設備的要求

因深層滲碳在高溫狀態下和高碳勢氣氛中時間較長，因此在熱處理過程中，對設備也提出更高要求。以氮-甲醇氣氛在深層滲碳中的應用為例說明深層滲碳在溫度的控制方式、碳勢的控制方式等方面對熱處理設備的具體要求（見表2.66）。

2.2.7.3　深層滲碳工藝控制要點及應用

表2.68是深層滲碳工藝參數控制要點，圖2.41為滴注式深層滲碳工藝曲線。

2.2.8　高溫滲碳工藝

滲碳是一種限制性的碳擴散工藝，即滲碳件要達到預期要求的滲層深度所需的時間，完全取決于碳滲入工件的擴散速率，碳擴散率是熱力學溫度的函數，呈指數變化，因此提高滲碳溫度就能獲得較高的生產率。滲碳溫度從900℃提高到955℃，滲碳時間可縮短一半；從955℃提高到1010℃，滲碳時間可再縮短一半。然而理論分析認為，過高的滲碳溫度可能帶來一些不良后果，如會降低滲碳爐的使用壽命，滲碳件會因晶粒長大而降低其力學性能等。

因此，高溫滲碳系指在950℃以上的滲碳。高溫滲碳工藝及設備的特點、性能變化見表2.69。

2.2.9　化學催滲滲碳工藝

2.2.9.1　稀土催滲滲碳工藝

工件的稀土滲碳工藝是我國獨具特色的一種滲碳工藝，其明顯特點是具有催滲效果及細化碳化物的作用，這一工藝在齒輪生產中取得了良好效果。表2.71是稀土滲碳時的爐氣成分，可看出由于稀土的加入，爐氣中的烴類減少，CO增加，從而使氣氛活化。圖2.42是稀土對20CrMnTi鋼氣體滲碳滲層深度的影響，可以看出，稀土元素的催滲作用除可使滲速加快、縮短滲碳時間、節約電能外，還可將滲碳溫度由常規930℃降至860℃左右，這對獲得細晶組織、減小變形是有利的。

定碳及金相分析表明，低溫（860～880℃）稀土滲碳后，表面碳含量（質量分數）即使高達1.5%，其滲層碳化物、殘留奧氏體及馬氏體組織均良好，而且試驗表明所處理工件具有優異的綜合力學性能。由于滲碳溫度降低，工件的變形減小。

2.2.9.2　BH催滲滲碳工藝

快速BH催滲滲碳工藝以提高滲碳速度為主要目的。表2.72和表2.73給出了汽車后橋從動弧齒錐齒輪的普通滲碳和BH催滲工藝對比。表2.74給出了兩種工藝處理后滲層深度、顯微組織和硬度檢驗結果對比。

降溫BH催滲滲碳工藝以減小齒輪畸變為主要目的。圖2.43和圖2.44給出了降溫催滲和普通滲碳工藝對比，表2.75為其畸變測量結果對比。

2.2.10　氣體滲碳應用及實例分析

2.2.10.1　井式爐氣體滲碳工藝實例

井式爐氣體滲碳工藝實例見表2.76。

2.2.10.2　汽車、拖拉機齒輪的微機控制井式爐滴注式氣體滲碳實例

汽車、拖拉機齒輪的微機控制井式爐滴注式氣體滲碳實例見表2.77。

2.2.10.3　［實例2.1］20CrMo曲柄件的多用爐淺層滲碳表面強化實例

（1）零件名稱及使用材料　某型號曲軸總成由左右曲柄、連桿和曲柄銷等幾種零件組成，見圖2.46。可以看出，曲柄件等滲碳后進行磨削加工，磨削后的硬度需在要求的范圍內。左右曲柄、連桿和曲柄銷經壓合后，有一定的扭矩要求，因此曲柄、曲柄銷之間有一定的過盈量。連桿、曲柄銷要求耐磨；曲柄不僅要求耐磨，還要求強度與韌性之間合適的配合。曲柄壓合后，曲柄銷受的是壓應力，如果曲柄受的是拉應力，曲柄的強度與韌性配合將不好，曲柄容易開裂。曲柄件所使用材料為20CrMo鋼。

（2）技術要求　20CrMo鋼熱處理工藝為滲碳淬火。由于工件較小，要求的硬化層淺，成品要求0.6～0.9mm（514HV），表面硬度要求56～64HRC；熱處理工序要求為0.8～1.0mm（514HV），表面硬度要求57～64HRC。可以看出，曲柄件的滲層均屬于淺層滲碳。

（3）熱處理工藝分析　根據以上曲柄件工作條件分析，要保證曲柄熱處理項目合格，需解決以下幾個問題：

ⅰ.設備能否保證一爐工件的硬化層都在要求的范圍內。

ⅱ.熱處理后的工件能否有一個合理的碳濃度梯度（硬化層硬度梯度），以保證磨后表面硬度。

ⅲ.曲柄壓合后，其扭矩能否合格，與曲柄孔的表面硬度、心部硬度和硬化層深度有關。

這種曲軸總成中曲柄滲碳的主要目的為：

ⅰ.提高表層的強度，保證扭矩合格。

ⅱ.表面滲碳硬化后，提高疲勞強度。

ⅲ.表面有一個合理的硬度，以便于同其他零件的裝配。

ⅳ.曲柄較小，有強度、韌性要求，對硬化層、碳濃度梯度（硬化層硬度梯度）、心部硬度、表面硬度和殘余奧氏體等要求高。

（4）滲碳工藝分析　硬化層（滲碳層）、碳濃度梯度（硬化層硬度梯度）、心部硬度、殘余奧氏體對于力學性能的影響如下。

①硬化層深度（滲碳層）。滲碳層深度主要受滲碳溫度、滲碳時間和碳勢等因素的影響。滲碳層深度的計算可以從F.E.Harris的公式中計算出：

式中，i為時間；T為熱力學溫度，K。當滲碳溫度為900℃、930℃時，相應的A（T）值為0.540、0.647。

由公式可看出，碳在γ-Fe中的擴散系數隨著溫度的升高而急劇增加；當溫度一定時，滲層深度與滲碳時間呈拋物線的關系，可見溫度和時間對滲層深度起主要影響。在時間、氣氛相同條件下，提高滲碳溫度，可大大加快滲碳速度，使得表面碳濃度高，濃度梯度平緩降低滲碳溫度效果則相反，因此提高滲碳溫度對加速滲碳有利。

對于淺層滲碳，對時間的控制要求很高。淺層滲碳溫度不宜太高，若溫度太高，滲碳時間不宜控制，會影響滲層的深度；同時溫度太高心部組織易于粗化，增加心部的淬透性，使心部硬度超差。淺層滲碳要求滲層淺，整個滲碳過程處在高速擴散期，在較短的時間內就會獲得要求的層深。溫度波動對滲碳層的影響也很大。對于淺層滲碳，更應提高滲碳溫度的控制精度。溫度高、擴散快，在淺層滲碳中處理的時間短，層深不易控制，極易產生偏差；溫度降低后，碳的擴散速度減慢，增大了過程控制的余地，便于操作處理，降低了出現層深超差的概率。

滲碳層深度增加，其疲勞壽命會顯著提高，隨著滲碳層深度的增加，可以增加扭矩，但沖擊韌度嚴重下降。滲層的緊束力增加，使心部材料塑性變形的可能性受到嚴重限制；滲層增加，相應的擴散層加深，造成心部碳含量升高，淬火后的心部硬度升高，強度增加，韌性減少，造成曲柄在壓合后形成延遲裂紋。

②碳濃度梯度（硬化層硬度梯度）。硬化層硬度梯度與滲碳層碳濃度梯度有關。滲碳層碳濃度梯度與滲碳時的碳勢和滲碳時間有關。對于淺層滲碳主要是提高零件表面的滲碳反應速度，由于滲層深度淺，碳原子活度大，擴散速度快，即使在前期高碳勢氣氛下，滲碳層也較難形成網狀碳化物。滲碳層深度受碳勢影響大，表層成分波動隨氣氛波動較靈敏。根據碳在奧氏體中的溶解度w（C）%=0.003T-1.47（850℃≤T≤950℃），計算得900℃碳的溶解度是1.23%；930℃碳的溶解度是1.32%。

控制爐氣的碳勢是為了零件表面達到最佳碳含量，對于低合金滲碳鋼，表面要求w_C=0.75%～1.00%，滲碳過程中可采用一段碳勢（恒碳勢），也可采用兩段碳勢（變碳勢）的滲碳工藝。采用兩段滲碳時，可以縮短工藝時間，提高滲層質量，但在實際滲碳過程中，氣氛碳勢與工件表面碳濃度存在一定差值。在薄層滲碳條件下，由于滲碳時間短，氣氛碳勢與工件表面碳濃度遠未平衡，兩者的差異相當大。因此對于這種熱處理后需要進行磨削加工的零件，會造成表面硬度的不合格。

曲柄熱處理后需要磨削，滲碳層中的碳濃度過高時，碳化物呈網狀，造成表面脆化，力學性能降低。滲碳層中的碳濃度高，淬火后表面的殘余奧氏體量多，在磨削的過程中，磨削熱使殘余奧氏體易轉變為馬氏體，形成磨削裂紋。表面硬度在能達到要求的前提下，采用高的回火溫度，甚至回火兩次，可減少殘余奧氏體量和應力，以有利于磨削。表面碳含量高，淬火后形成孿晶馬氏體，強度高，脆性大，韌性小，造成曲柄在壓合后形成延遲裂紋。因此淺層滲碳應采用合適的碳勢。

③心部硬度。滲碳鋼的心部硬度對滲碳零件的力學性能有很大影響。大量的試驗和使用證明，一些心部硬度過高的小件在使用的過程中易造成脆斷；而且心部硬度過高，疲勞強度下降，韌性也不足，因此對于小件應加強對心部硬度的檢測。優化鋼材的使用（在保證心部硬度的前提下，采用碳含量低的材料），采用滲后空冷（細化心部組織）再加熱淬火，能在很大程度上降低心部硬度。

④殘余奧氏體。研究表明，表面適當的殘余奧氏體不會惡化滲碳零件的抗疲勞性能，甚至有必要保留適當比例的殘余奧氏體。殘余奧氏體的量如果適當，可以抑制淬火顯微裂紋的產生。曲柄與曲柄銷在壓合的過程中，其殘余奧氏體在剪應力的作用下，會引起硬化、馬氏體轉變及滲碳體的析出，從而吸收一部分能量，防止曲柄由于應力過大而產生裂紋，而不發生轉變的殘余奧氏體可起到緩和裂紋尖端引起應力集中的作用。殘余奧氏體本身較軟，可承受拉伸應力產生的流變，有利于消除顯微裂紋。淺層滲碳由于滲碳時間短，零件表面的清潔非常重要。表面的雜質對于淺層滲碳的影響比深層滲碳更大，會造成滲層不均，淬火后的表面硬度不足，因此滲碳前的清潔非常重要。既可進行預處理，預熱工件，也可清潔工件表面，以提高滲碳零件表面的活性，加快鋼表面吸附碳原子的速度，從而保證滲層的均勻性。

某公司采用UBE-600型滴注式可控氣氛密封箱式多用爐，該設備采用了電子調控器、PID連續調節的輻射管加熱，爐膛帶攪拌風扇，0.75級的K型熱電偶，用氧探頭測碳勢。設備技術要求滲層在1mm以下，滲層偏差在±0.075mm。由此看來，對于硬化層在0.20mm之內的要求，采用這種設備還有一定的難度。工件的滲層與硬化層是有區別的，硬化層還與淬火效果、淬火油的選用、工件的裝夾方式等都有關。現采用的是德潤寶729等溫分級淬火油。

根據以上分析，工件的裝夾方式見圖2.47。某公司設計了兩套工藝，工藝1見圖2.48，工藝2見圖2.49。工件在進爐前進行了（475±25）℃×1h的預處理。按9點測溫的方法取件檢驗硬化層，見圖2.50。工藝1、工藝2的檢驗結果見表2.78。工藝1驗證了滲碳溫度高時滲速快、滲碳時間難以控制的判斷，滲層容易超差，硬化層均勻性差達到0.39mm。

（5）硬化層缺陷分析　采用工藝2，硬化層超差的現象稍有改善，但仍存在超差現象；硬化層均勻性也有所改善，達0.28mm。硬化層深的工件主要集中在加熱室后半部分，硬化層淺的工件主要集中在加熱室前半部分。出現此結果的原因如下：

①通過觀察，在升溫排氣期不斷滴入甲醇，不進行任何碳勢控制，滴入甲醇僅起到氣氛保護作用和氣氛置換作用，升溫過程中碳勢最高可達1.30%C_p。對于深層滲碳，滲層的均勻性可能沒有太大影響，但對于淺層滲碳，滲層均勻性影響就很大。一般冷工件進入多用爐吸熱，爐內溫度會驟然降至580℃，開始升溫（升溫速率4～6℃/min），經過約70～90min，達到930℃。在升溫過程中，由于中門沒有加熱器，升溫速度相對較慢，后室工件相對較快，因此后室的工件到溫快，在同樣的條件下，硬化層更深。

②工藝有降溫要求，前室工件降溫快，后室工件降溫慢，因此在降溫過程中后室工件的擴散層要比前室深一些。

③工件在淬火出爐過程中，前室工件首先接觸空氣，溫度降得較多，淬火時溫度相對低，硬化層也就較淺。

經過分析后對工藝進行修正，在升溫的過程中控制碳勢；滲碳溫度恒定，不降溫；在淬火時增加一個輔助工裝，裝在最上層靠近中門的工裝上（見圖2.47，箭頭所指處），9點測溫法取樣示意圖見2.50，輔助工裝見圖2.51。修改后的工藝見圖2.52。

經修改后的工藝處理后，工件的檢測結果見表2.79。硬度梯度見表2.80。工件磨后的表面硬度>56HRC。

（6）小結　通過對曲柄件淺層滲碳的分析和設備的研究，經過工藝的調整，最終生產出合格產品，為企業創造了效益。

2.2.10.4　［實例2.2］MIX主減速從動齒輪的低壓真空滲碳熱處理工藝實例

MIX主減速從動齒輪的低壓真空滲碳熱處理工藝見表2.81。

2.2.10.5　［實例2.3］18Cr2Ni4W鋼大型重載齒輪軸的深層滲碳工藝研究實例

18Cr2Ni4W鋼大型重載齒輪軸的深層滲碳工藝研究見表2.86。