2.3　固體、液體與其他滲碳工藝及應用

2.3.1　固體滲碳工藝及應用

固體滲碳就是將工件放在填充粒狀滲碳劑的密封箱中進行的滲碳［見圖2.61（a）］。其工藝曲線見圖2.61（b）。將裝有工件的滲碳箱置于熱處理爐中加熱，待爐溫升到奧氏體狀態800～850℃，經保溫使滲碳箱透燒，再繼續加熱至滲碳溫度900～950℃，保溫一定時間后，使工件表面增碳，然后取出工件淬火或空冷后再重新加熱淬火。固體滲碳的優缺點及注意事項見表2.87。

2.3.1.1　固體滲碳劑

（1）固體滲碳劑的組成　主要由兩類物質均勻混合而成，詳見表2.88。

（2）固體滲碳劑應具備的條件　固體滲碳劑應具備的條件見表2.89。表2.90列出了常見固體滲碳劑，由國內許多熱處理工藝材料廠生產，以供應市場。

（3）固體滲碳劑配制時的注意事項　滲碳劑的配制和裝箱方法是保證固體滲碳質量的重要環節，在配制和使用固體滲碳劑時，注意事項見表2.91。

（4）滲碳劑的配制方法　首先將已稱好并經過篩選的木炭倒入水中攪拌。此時沙子、玻璃碴子等雜物都沉入水底，然后將木炭撈出，趁半干半濕狀態將預先按比例配制好的碳酸鋇用水稀釋后均勻地灑在木炭上，經機械混合均勻，碳酸鋇便非常牢固、均勻地吸附在木炭上。再經燒干或曬干后，含水量小于5%即可使用。

（5）固體滲碳劑應用舉例　見表2.92。

2.3.1.2　常用的固體滲碳工藝

如圖2.62所示，分段滲碳是基于克服一般滲碳溫度高，鋼的晶粒較粗大，而且在緩慢冷卻過程中可能形成網狀K的缺點而進行的。其特點是在正常滲碳溫度下保溫，當滲層深度接近工藝的下限時，將爐溫降到850℃左右，保溫適當的時間，使工件的內外溫度一致，以適當降低表面的碳含量，從而實現無網狀K的析出，免去正火工序，也可分段滲碳后直接淬火。

滲碳時間根據滲層要求、滲劑成分、工件材質及裝箱等具體情況而定。對滲碳劑的選擇有兩個要求：工件表面碳含量高、滲層深時，采用活性高的催滲劑；對含碳化物形成元素的鋼，應選擇活性低的滲劑。在實際生產中固體滲碳劑的配制方法見表2.93。

一般配制好的固體滲碳劑應符合下列規定：含水量<6%，二氧化硅≤2%，硫含量<0.4%，木炭或焦炭的粒度應在12mm以下，其中90%以上粒度應在3～8mm范圍內。

2.3.1.3　固體滲碳的反應機理

在固體滲碳過程中，滲碳箱內的木炭與箱內原有的氧氣結合生成一氧化碳，即

2C+O₂2CO

而生成的CO在滲碳溫度下不穩定，與零件表面接觸時，分解出活性碳原子

2COCO₂+［C］

活性碳原子被吸附在工件的表面，使零件表面奧氏體的碳濃度增高，與心部產生了濃度差，碳原子從表面向里擴散，使滲碳層厚度逐漸增加。因此，固體滲碳的實質是依靠CO氣體進行滲碳的。

固體滲碳時，滲碳箱內的氧氣十分有限，因此反應產生的CO氣體較少，單純用木炭（或焦炭）的效率很低。為了加快滲碳速度，需要加入一定量的催滲劑（5%～30%）如碳酸鈉、碳酸鋇或乙酸鈉、乙酸鋇等。碳酸鹽如碳酸鋇加熱時發生分解，即

BaCO₃BaO+CO₂

產生的CO₂與木炭反應，生成滲碳需要的CO，即CO₂+C2CO。

碳酸鹽加入量太少對提高滲碳速度無明顯作用，加入太多在高溫時產生活性碳原子過量，工件表面的含碳量過高，致使工件滲碳后出現開裂現象。一般常用滲碳劑為85%～90%木炭+15%～10%的碳酸鋇或碳酸鈉。

2.3.1.4　固體滲碳工藝及操作

工件滲碳工藝及具體操作過程見表2.94。

圖2.64是一種較好的固體滲碳工藝，圖中虛線（加粗）表示工件實際溫度，在800～850℃之間透燒可減小滲碳箱內的溫度差，改善滲碳層的不均勻性。滲碳結束后滲碳箱即可出爐，工件在滲碳箱中冷至300℃左右時取出。有的工廠采用滲碳后直接淬火，則應在840～860℃保溫一段時間后再出爐淬火。

2.3.1.5　固體滲碳的注意事項

固體滲碳的注意事項見表2.97。

2.3.1.6　固體滲碳工藝應用

常見固體滲碳后的幾種熱處理方法見圖2.65。圖中，圖（a）主要用于Cr-Ni合金滲碳鋼；圖（b）主要用于力學性能要求很高的滲碳件，但該法氧化脫碳嚴重且工藝復雜；圖（c）用于不需機械加工的高合金滲碳鋼工件；圖（d）主要用于各種齒輪及軸類零件等。常用的滲碳鋼淬火工藝及其力學性能見表2.98。

2.3.1.7　［實例2.4］棘輪的固體滲碳表面強化

實例分析見表2.99。

2.3.1.8　膏劑滲碳及應用

工件表面以膏狀滲碳劑涂覆進行滲碳的工藝，稱為膏劑滲碳。將工件需滲碳部位浸入膏劑中或涂上膏劑，烘干后放在滲碳箱中密封，冷爐加熱至滲碳溫度保溫，然后取出空冷或進行淬火。膏劑滲碳其實是固體滲碳法的延續，具有滲速較快、節約滲劑、操作簡單、成本低廉的特點，滲碳后可直接淬火，尤其可實現局部滲碳，但同時往往又存在滲層不均勻、不穩定、不易控制的缺點，因而限制了膏劑法的應用。

（1）滲碳膏劑的組成、使用方法及效果　滲碳膏劑是固體滲碳劑碾成粒度為100目粉末后加入黏結劑調成糊狀膏劑，黏結劑分為日常用膠水及水玻璃溶液兩種。帶干燥涂層的工件放在滲碳箱內，經加熱保溫，可得到所需要深度的滲碳層。此法適用于單件生產或修復滲碳和局部滲碳。膏劑滲碳表面碳濃度及滲層深度的均勻性較差。膏劑脫落或碰傷會造成斑點狀滲碳缺陷。滲碳膏劑的組成、使用方法及效果見表2.100。

（2）適用范圍

①適用于要求滲碳層深度和碳濃度不十分嚴格的情況；

②適用于形狀簡單工件的單件生產情況。

（3）技術要求

①與固體滲碳要求相同。

②工件尖角和溝槽處不得有過熱、過燒現象。

③非滲碳部位不得有嚴重氧化脫碳現象。

（4）操作守則　膏劑滲碳的操作守則見表2.101。

（5）膏劑滲碳的應用　目前主要用于單件生產或進行修復滲碳及局部滲碳等。例如，15Cr鋼制齒輪膏劑滲碳，先將零件表面清理干凈，然后表面涂覆滲碳膏劑，自然干燥后放置于箱式電阻爐中在100～150℃下烘干，滲碳溫度為920℃，加熱保溫5h，然后降溫至860℃直接淬火，滲碳層深度可達1.3mm，淬火后硬度為60HRC。

2.3.2　液體滲碳工藝及應用

液體滲碳（即鹽浴滲碳）是指工件在熔融的液體滲碳介質中進行滲碳的工藝方法。其工藝曲線見圖2.69。該工藝具有滲碳層均勻、滲碳速度快、操作簡便、便于直接淬火和局部滲碳等特點，特別適用于中小型零件及有不通孔的零件。但由于滲碳鹽浴（圖2.70）中劇毒的氰化物對環境和操作者存在危害，同時鹽浴成分變化不易掌握，故不適合大批量生產。

2.3.2.1　液體滲碳工藝參數

液體滲碳常用溫度及適用工件的選擇見表2.104。液體滲碳溫度、液體滲碳時間對滲碳層深度的影響分別見圖2.71、圖2.72。

2.3.2.2　液體滲碳鹽浴

熔融的滲碳液體一般由三類物質組成，見表2.105。

表2.106列出了幾種常用滲碳鹽浴的成分、工藝及效果。有的滲碳劑中加入部分硼砂，其作用為增加鹽浴的流動性，并輔助撈渣。

在鹽浴滲碳過程中，滲碳溫度及鹽浴的活性是影響液體滲碳和表面碳濃度的主要因素。對于滲層薄及變形要求嚴格的零件，一般使用較低的滲碳溫度（850～900℃）；而對于要求滲層較厚的零件，采用910～950℃滲碳，滲碳保溫時間取決于對滲碳層的要求。工件的滲碳即液體中分解出的活性碳原子滲入工件表面的過程，滲碳過程中鹽浴中碳的活性不斷降低，加上高溫鹽浴的揮發以及工件表面、工裝等將鹽浴帶出，滲碳鹽浴在滲碳過程中會不斷消耗，故在生產實際中應定期分析鹽浴成分，補充新鹽并及時撈渣，以保證鹽浴成分在工藝規定的范圍內。鹽浴滲碳的注意事項見表2.107。

鹽浴滲碳介質為基鹽+催化劑+供碳劑，根據催化劑+供碳劑的種類可分為表2.108所示的兩種。

滲碳結束后，根據工藝要求和使用狀態的不同，可采用直接淬火、放入較低溫度的中性鹽浴中均溫后再淬火，也可緩慢冷卻后重新加熱淬火，最后進行低溫回火，以達到滲碳的目的。

零件液體滲碳后，由于表面黏附鹽較多，故在冷卻或淬火后均應清除掉鹽漬，因此煮沸時間要足夠。而對于用氰鹽處理的工件，需對清洗液進行中和處理，通常是把零件放在濃度為10%的硫酸亞鐵溶液中煮沸，直到零件上殘鹽全部溶解為止。

（1）普通無毒液體滲碳　無毒液體滲碳工藝無論在原料還是在反應產物中均無毒性的氰鹽或氰根，對人的健康及環境危害小，操作和使用較為方便。其鹽浴大都用木炭粉、石墨粉、碳化硅等作為滲碳劑，用氯化鈉、氯化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀等作為基本鹽浴。幾種典型無毒液體滲碳鹽浴的配方見表2.109。

鹽浴在高溫下的化學反應如下：

MeCO₃MeO+CO₂；SiC+CO₂Si+2CO

C+CO₂2CO；2COCO₂+［C］

無毒鹽浴滲碳溫度若為920～940℃，經2～3h可得滲碳層深度為：20鋼為0.7～1.1mm；20Cr和20CrMnTi為0.9～1.5mm。

普通無毒液體滲碳的配比為75%碳酸鈉+5%120目金剛砂+20%氯化鈉。碳酸鈉為無水固體，為供碳劑；綠色金剛砂含70%碳化硅，為還原劑，氯化鈉只起助熔和加熱作用，增加鹽浴流動性。其在860℃的溫度下，碳化硅將碳酸鈉還原出活性碳原子，很快被奧氏體吸收并在工件表面擴散而形成滲碳層。滲碳后工件的碳含量自表面向里依次遞減，表面為0.9～1.2%C，滲碳層為0.7～0.9%C。

普通無毒液體滲碳工藝的操作過程，見表2.110。其滲速約為0.25～1.35mm/h，該工藝適合于低碳鋼的滲碳。滲碳后的表面硬度高、耐磨性好，心部有良好的韌性和塑性，常用鋼滲碳后的工藝見表2.111。

（2）“603”無毒液體滲碳劑　該滲碳劑是上海熱處理廠于1963年3月研制成功的，故命名為“603”鹽浴滲碳劑。其原料配比、鹽浴配方及配制方法等見表2.112。

在滲碳過程中，影響滲碳效果的因素較多，其中對工件滲碳后的滲層深度和表面的碳濃度影響較大的因素見表2.113。

在連續生產過程中鹽浴的操作工藝見表2.116。

（3）木炭粉尿素液體滲碳劑（原料無氰鹽浴）　滲劑原料配比：5%氯化鈉+10%氯化鉀+15%碳酸鈉+20%尿素+50%木炭粉。其配制方法與反應機理見表2.117。

木炭粉尿素液體滲碳劑滲碳過程的工藝規范和操作方法見表2.118。

2.3.2.3　液體滲碳操作要求

液體滲碳操作要求見表2.119。

2.3.2.4　［實例2.5］某自行車前后軸碗的液體滲碳表面強化實例分析

液體滲碳實例分析見表2.120。

2.3.3　離子滲碳工藝及應用

2.3.3.1　離子滲碳原理

將工件在含有烴類的低壓氣氛中加熱，并在工件與陽極之間加以直流電壓，產生等離子體，使碳電離并被加速后轟擊工件表面來進行滲碳的工藝方法稱為離子滲碳。

離子滲碳原理與離子滲氮相似，工件滲碳時所需要的活性碳原子或離子，不僅像常規氣體滲碳一樣利用熱分解反應，而且還利用輝光放電時在陰極（工件）位降區中氣體的電離。把丙烷、甲烷等滲碳氣體保持在1～10Torr（1Torr=133.322Pa）的壓力下，通過在陰極處理件和陽極之間加直流電壓，由此而產生的異常輝光放電進行滲碳，是在氣體滲碳基礎上進行的異常輝光放電。以滲碳介質丙烷為例，它在等離子滲碳中的反應如下：輝光放電：C₃H₈C+C₂H₆+H₂。

2.3.3.2　離子滲碳工藝與操作

（1）離子轟擊滲碳設備　離子轟擊滲碳設備是利用低真空狀態的氣體輝光放電發生電離，進而氣體離子轟擊工件表面進行加熱，并使碳滲入工件表面的化學熱處理設備。目前國產的雙室離子滲碳淬火爐可在同一爐內完成離子滲碳和油淬工藝過程。離子轟擊滲碳爐主要由爐體、真空系統、電源系統、供氣系統、冷卻系統、溫度測量及控制系統、真空測量及控制系統等部分組成。表2.121和表2.122分別是國產雙室真空離子滲碳爐和日制FIC型雙室真空離子滲碳爐的技術參數。

（2）離子滲碳工藝　離子滲碳是在真空室（爐）內進行滲碳處理，爐內通入少量與滲碳處理相適宜的氣體，在高壓直流電場作用下，稀薄氣體放電起輝加熱工件。與此同時，滲碳元素從通入的氣體中離解出來，滲入工件表層。

離子滲碳時通入爐內的氣體多為甲烷、丙烷，也可使用丙酮、乙醇或石油液化氣，稀釋劑為氬、氫或氨。加熱溫度范圍較寬（850～1100℃），常用溫度是950℃或1050℃。因為滲速較快，滲碳時間短，所以雖采用了較高加熱溫度，組織也不會惡化。在滲碳開始后的5～10min內，工件表面的碳即可達到飽和。滲層1mm時僅需1～1.5h。滲擴時間比可采用1∶1、1∶2、1∶3。擴散時間增加可使碳濃度梯度平緩。爐內氣壓為15～150Pa時，滲碳劑過量，可能產生炭黑。

影響離子滲碳廣泛推廣應用的主要因素是設備復雜、造價高而且制造不易，爐膛空間的利用系數低，存在電弧的干擾，操作難度較大。

（3）影響離子滲碳工藝的因素　影響離子滲碳工藝的因素比較多，詳見表2.123。

（4）離子滲碳的工藝特點　見表2.124。

①溫度與時間。表2.125為三種材料在不同滲碳溫度和時間條件下離子滲碳處理后滲層的深度變化情況。總的來說，離子滲碳過程主要還是受碳的擴散控制，滲碳時間與滲層深度之間符合拋物線規律。與滲碳時間相比，滲碳溫度對滲速的影響更大。在真空條件下加熱，工件的畸變量較小。因此，離子滲碳也可在較高溫度下進行，以縮短滲碳周期。

②強滲與擴散時間之比。一般離子滲碳采用強滲與擴散交替的方式進行。滲擴比（強滲時間與擴散時間之比）對滲層的組織和深度影響較大（見圖2.73）。滲擴比過高，表層易形成塊狀碳化物，并阻礙碳進一步向內擴散，使滲層深度下降；滲擴比太小，表層供碳不足，也會影響滲層深度及表層組織。采用適當的滲擴比（如2∶1或1∶1），可獲得較好的滲層組織（表層碳化物彌散分布），且能保證足夠的滲速。

③輝光電流密度。工業生產時，離子滲碳所用的輝光電流密度較大，足以提供離解含碳氣氛所需能量，建立向基體擴散的碳含量。離子滲碳層深度主要受擴散速度控制，如果排除電流密度增加使工件與爐膛溫差加大這一因素，輝光電流密度對離子滲碳層深度不會產生太大影響，但會影響表面碳含量達到飽和的時間。

④稀釋氣體。離子滲碳的供碳劑主要采用CH₄和C₃H₈，以氫氣或氮氣稀釋，滲碳劑與稀釋氣體的體積比約為1∶10，工作爐壓控制在133～532Pa。氫氣具有較強的還原性，能迅速潔凈工件表面，促進滲碳過程，對清除表面炭黑也較為有利，但使用時應注意安全。

（5）離子滲碳爐的操作　見表2.126。

2.3.3.3　離子滲碳的優勢

離子滲碳的優勢見表2.127。

2.3.3.4　離子滲碳的應用

幾種工件離子滲碳工藝的應用及效果示例見表2.128。

2.3.4　感應加熱滲碳工藝

在滲碳介質中利用高頻或中頻感應加熱的方法加熱工件，并進行滲碳的工藝稱為感應加熱滲碳。高頻感應加熱滲碳的滲碳劑有膏劑、氣體、液體三種，分別為高頻感應加熱膏劑滲碳、高頻感應加熱液體滲碳和高頻感應加熱氣體滲碳，此外還有中頻感應加熱氣體滲碳，詳見表2.129。

感應加熱氣體滲碳適用于單一品種的批量生產，而且采用計算機自動控制，對多品種小批量生產，滲碳質量較難控制。

2.3.5　碳化物（K）彌散強化滲碳工藝

K彌散強化滲碳（亦稱高濃度滲碳，或過飽和滲碳，簡稱CD法）是指使滲碳表層獲得細小分散碳化物，以提高工件服役能力的滲碳，其適用范圍、性能特點及應用實例見表2.130。高合金模具鋼在滲碳氣氛中加熱，在碳原子滲入的同時，滲層中會沉淀析出大量彌散合金K，如（Cr，Fe）₇C₃、V₄C₃、TiC，從而實現鋼的表面強化。實踐表明，K彌散滲碳（CD）法滲碳模具的使用壽命，大大超過消耗量占冷作模具鋼首位的Cr12型冷作模具鋼和高速工具鋼，見表2.132。

另外，進行的過度滲碳（也稱過飽和滲碳）也屬于高濃度滲碳范疇，其滲碳范圍分為以下幾段：1.8%～2.2%、2.0%～2.4%、2.4%～2.8%和3.0%以上，已應用于含適量Cr和Mo的4118、5120、8620、8720、8822和9130鋼制工件上。過度滲碳使淬火后的滲碳層中組織組成物發生了變化，表2.133為低合金鋼過度滲碳與常規滲碳后組織組成物的變化對比，從表中可知三種組織的成分均發生了變化，導致其相應的性能不同，M、A及K的比例變化較大，由于K數量增加了4倍，提高了抗磨性，而M含量的降低為提高零件的抗拉性能和疲勞強度等奠定了基礎，因此高濃度滲碳有良好的發展前景。

2.3.6　電解滲碳工藝

在工件（陰極）和熔鹽中的石墨（陽極）之間通以電流進行滲碳的工藝方法，稱為電解滲碳。電解滲碳是利用電化學反應使碳原子滲入工件表層。電解滲碳裝置示意圖見圖2.75。

電解滲碳與常規滲碳相比，具有如下優點：無公害，設備簡單，不需廢液處理裝置，加熱溫度均勻，操作簡便，適用于多品種小批量生產等；但其缺點是工件的數量、尺寸受到鹽浴爐容量大小的限制，對形狀復雜的工件還會由于電流密度不均而造成滲層深度和濃度不均。電解滲碳鹽浴主要是堿土金屬碳酸鹽+調整熔點+穩定鹽浴的溶劑。

某機床摩擦片電解滲碳工藝見圖2.76。

2.3.7　局部滲碳工藝

局部滲碳系指僅對工件某一部分或某些區域進行滲碳的熱處理工藝，其實質是在不需要滲碳的部位進行防滲。常見的防滲方法見表2.134。在生產中，多用于截面很薄、滲碳時易于滲透的部位，如螺紋、花鍵及內孔等。