滲(shen)碳是目前機械工(gong)業中應用(yong)最廣泛的(de)一(yi)種化學熱處(chu)理方法。其工(gong)藝(yi)特(te)點是將(jiang)低碳鋼(gang)或低碳合金鋼(gang)零(ling)件在增(zeng)碳的(de)活性介(jie)質(zhi)（滲(shen)碳劑(ji)）中加熱到(dao)900～930℃，使(shi)碳原(yuan)子滲(shen)入(ru)表面層，繼(ji)之以(yi)淬火(huo)并低溫回火(huo)，使(shi)零(ling)件表層與心部具有不同(tong)的(de)成分(fen)、組織和性能。滲(shen)碳可分(fen)為固體滲(shen)碳、液(ye)體滲(shen)碳和氣體滲(shen)碳。近期又發展了(le)真(zhen)空滲(shen)碳、可控氣氛滲(shen)碳及等離子滲(shen)碳等。
一、滲碳(tan)的基本過程(cheng)
根據滲(shen)碳(tan)介質狀(zhuang)態的不(bu)同，可以(yi)分(fen)為(wei)氣體(ti)滲(shen)碳(tan)、固體(ti)滲(shen)碳(tan)和液體(ti)滲(shen)碳(tan)。但無論采用何種滲(shen)碳(tan)介質，都(dou)包括分(fen)解、吸收和擴散三個(ge)基本過(guo)程(cheng)。
1. 滲(shen)碳介(jie)質的(de)分(fen)解過程
分解就是活性介質在一定溫度下進行化學分解，析出活性原子（或離子）的過程。例如在氣體滲碳時，煤油在高溫熱分解時產生甲烷（CH4），在鋼件的表面按如下反應分解出活性碳原子［C］，即CH4→2H2+[C]。化學介質分解的速度，取決于化學介質的性質、數量、分解的溫度、壓力以及有無催化劑等。
2. 活性碳原子(zi)被(bei)金屬表面吸(xi)收的(de)過程
吸(xi)(xi)收(shou)就是(shi)活性(xing)原子(zi)（或離子(zi)）與金屬(shu)原子(zi)產生鍵合(he)(he)而進入金屬(shu)表(biao)層的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)。吸(xi)(xi)收(shou)的(de)(de)(de)(de)方式可以是(shi)活性(xing)原子(zi)向鋼的(de)(de)(de)(de)固溶體中(zhong)溶解或形成(cheng)化(hua)(hua)合(he)(he)物。滲碳時，滲碳介質所分(fen)(fen)解的(de)(de)(de)(de)活性(xing)碳原子(zi)吸(xi)(xi)附在(zai)鋼件表(biao)面后(hou)，溶入奧(ao)氏體中(zhong)并(bing)形成(cheng)間隙固溶體。當(dang)碳濃度(du)超過該溫度(du)下奧(ao)氏體的(de)(de)(de)(de)飽和濃度(du)時，可形成(cheng)化(hua)(hua)合(he)(he)物（碳化(hua)(hua)物）。吸(xi)(xi)收(shou)的(de)(de)(de)(de)強弱，與活性(xing)介質的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)解速度(du)、滲入元素的(de)(de)(de)(de)性(xing)質、擴(kuo)散速度(du)、鋼件的(de)(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)及表(biao)面狀態有關。
3. 滲(shen)入元素的擴散過程
擴(kuo)散，就是被鋼(gang)件表面所(suo)吸(xi)收的活性(xing)原子(zi)（或離子(zi)）向鋼(gang)深處(chu)的遷移(yi)，以形成一定厚度的擴(kuo)散層（即滲(shen)層）。分(fen)解、吸(xi)收、擴(kuo)散是各種化(hua)學(xue)熱處(chu)理所(suo)共有的基本(ben)過程，同樣適用(yong)于(yu)其(qi)他(ta)化(hua)學(xue)熱處(chu)理，例如滲(shen)氮(dan)、碳氮(dan)共滲(shen)、滲(shen)硫(liu)、滲(shen)硼及滲(shen)金屬等。
二、氣體滲(shen)碳工藝(yi)操作
本工藝為某(mou)廠(chang)氣體滲(shen)碳工藝規范，適用于低碳鋼和低碳合金鋼制造的零件(jian)，其滲(shen)層深度要求1.1～1.3mm，滲(shen)碳劑為煤油。
如圖(tu)3-11所(suo)示，滲(shen)碳(tan)過程(cheng)一般由排(pai)氣、強烈(lie)滲(shen)碳(tan)、擴散和降溫4個階段組成(cheng)。
1. 排氣
滲(shen)(shen)(shen)碳零(ling)件裝(zhuang)入滲(shen)(shen)(shen)碳爐后(hou)必將引(yin)起(qi)爐溫降低(di)，同時帶入大量(liang)空氣。排氣的(de)作用在(zai)于(yu)恢復(fu)爐溫到規定的(de)溫度(du)(du)，并(bing)盡量(liang)排除爐內空氣。通常(chang)采取加(jia)大滲(shen)(shen)(shen)劑流(liu)量(liang)以使爐內氧化性(xing)氣氛迅速減(jian)少。排氣時間往(wang)往(wang)在(zai)儀(yi)表溫度(du)(du)達到滲(shen)(shen)(shen)碳要求的(de)溫度(du)(du)后(hou)再延長30～60min，以使爐氣成(cheng)分(fen)達到要求，并(bing)使爐內溫度(du)(du)均(jun)勻及(ji)工(gong)件燒透。排氣不(bu)好會造成(cheng)滲(shen)(shen)(shen)碳質量(liang)降低(di)和滲(shen)(shen)(shen)碳速度(du)(du)減(jian)慢。
2. 強烈滲碳
排(pai)氣(qi)階段(duan)結束后，即進入強(qiang)(qiang)烈滲(shen)碳(tan)階段(duan)。其特點是滲(shen)碳(tan)劑滴量(liang)較多或氣(qi)氛(fen)較濃，使(shi)工件表面(mian)的碳(tan)濃度(du)高于最后的技術要求(qiu)(qiu)，增(zeng)大表面(mian)的碳(tan)濃度(du)梯(ti)度(du)可(ke)以提高滲(shen)碳(tan)速度(du)。強(qiang)(qiang)烈滲(shen)碳(tan)時間(jian)主要取決于滲(shen)碳(tan)零件滲(shen)碳(tan)層的要求(qiu)(qiu)。
3. 擴(kuo)散
滲(shen)碳(tan)進(jin)入擴(kuo)散(san)階段(duan)是以(yi)減(jian)少滲(shen)碳(tan)劑滴量或濃(nong)度為標志的。此時爐(lu)內滲(shen)碳(tan)能力降低，工件(jian)表層過剩的碳(tan)繼續向(xiang)內部擴(kuo)散(san)，最(zui)后(hou)得(de)到符合要求(qiu)的滲(shen)層深度及(ji)合適的碳(tan)濃(nong)度分(fen)布。擴(kuo)散(san)階段(duan)所(suo)需時間由中間試棒的滲(shen)碳(tan)層深度確(que)定(ding)。
4. 降溫
對于可(ke)直接(jie)淬(cui)火的零(ling)件(jian)(jian)應隨爐(lu)冷至適(shi)宜的淬(cui)火溫度(du)（一般在840～860℃），并(bing)保溫20～30min，使零(ling)件(jian)(jian)內外溫度(du)均勻后出爐(lu)淬(cui)火；對于需要重新加熱淬(cui)火的滲碳零(ling)件(jian)(jian)，可(ke)自滲碳溫度(du)出爐(lu)放入(ru)緩(huan)冷罐(guan)中(zhong)。
三、氣體滲碳操作要(yao)點(dian)
為了(le)保證滲(shen)碳質(zhi)量，滲(shen)碳零件在(zai)進入(ru)滲(shen)碳爐(lu)前應清除表面污垢、鐵銹及油脂等。常用(yong)熱水或含(han)Na2CO3的水溶液清洗介質(zhi)，對銹蝕工件可采用(yong)噴砂清理。
零件裝在料筐或掛具上(shang)，彼此(ci)間應留出(chu)50～10mm的間隙，以(yi)保證滲碳介質能與零件充分(fen)接觸和循環流通。
滲碳爐密封要好，并始終保持爐內氣氛為正壓力（一般在20～60mm水柱高）。風扇應始終運轉，以使零件能經常與新鮮氣氛接觸。排氣口要點燃，以免廢氣污染空氣，并便于觀察判斷爐內工作情況。有條件的應該進行爐氣分析。根據生產經驗，用煤油滲碳時，爐內氣氛成分應控制在下列范圍：CnH2n+21.5%,CnH2n≤0.6%%,CO:20%~35%,H2:50%~65%CO2≤0.5%O2≤0.5%,N2余量。在這種氣氛下對低碳合金鋼零件滲碳后表層碳含量在0.8％～1.0％（質量分數），而且炭黑很少。零件出爐時間根據隨爐試樣的層深檢查結果決定。試樣材料應與零件相同。對于不同的鋼種和層深，不宜同爐滲碳。
另外，對新滲(shen)(shen)(shen)碳(tan)(tan)罐、新的工(gong)夾具應預先滲(shen)(shen)(shen)碳(tan)(tan)。在正常生產(chan)情(qing)況，停(ting)爐較長再(zai)開爐升溫(wen)時也(ye)應進行(xing)爐腔(qiang)滲(shen)(shen)(shen)碳(tan)(tan)。
四(si)、滲(shen)碳(tan)零(ling)件的(de)熱(re)處理
滲(shen)碳只能改(gai)變零件(jian)的表面化學成(cheng)分，而零件(jian)表面的最終強化則(ze)必須經(jing)過適當的熱(re)處理。通過熱(re)處理可使(shi)零件(jian)的高碳表層獲得(de)細小的馬氏(shi)(shi)體(ti)(ti)，而零件(jian)的心(xin)部由低碳馬氏(shi)(shi)體(ti)(ti)、托氏(shi)(shi)體(ti)(ti)、索氏(shi)(shi)體(ti)(ti)等組織所(suo)組成(cheng)。滲(shen)碳后(hou)(hou)可采用不同(tong)的熱(re)處理方法：直接淬(cui)火(huo)、一次淬(cui)火(huo)及二次淬(cui)火(huo)，淬(cui)火(huo)后(hou)(hou)必須進行(xing)低溫回火(huo)。
1. 直接淬火
直接淬(cui)火是指工件滲碳后隨(sui)爐降溫到高于Ar1或Ar3溫度（760～850℃），然后直接淬(cui)火的方法，淬(cui)火后在150～200℃回火2～3h。
隨(sui)爐(lu)降(jiang)溫或(huo)出爐(lu)預冷的目的是為了減(jian)少(shao)淬火(huo)內應力，從(cong)而減(jian)小工件(jian)的變(bian)形。同時，還可使高碳(tan)的奧氏(shi)(shi)體析(xi)出一部分碳(tan)化物，降(jiang)低奧氏(shi)(shi)體的碳(tan)濃度，從(cong)而減(jian)少(shao)淬火(huo)后殘留的奧氏(shi)(shi)體，使零件(jian)表面獲得較高的硬度。
直接淬火的(de)優(you)點是(shi)：減少(shao)了加熱和冷卻的(de)次數，使操作簡化，生(sheng)產效率提高(gao)(gao)，還可減少(shao)淬火變(bian)形及(ji)表面氧(yang)化、脫碳(tan)傾向。直接淬火適用于低碳(tan)合金鋼等本(ben)質細晶粒(li)鋼，不適用于本(ben)質粗晶粒(li)鋼及(ji)滲碳(tan)時表面碳(tan)濃度高(gao)(gao)的(de)零件。
2. 一次淬火
一次淬火是指零件滲碳后立即出爐或降溫到860～880℃出爐，在冷卻坑內冷卻至室溫，然后再重新加熱淬火。適于本質粗晶粒鋼零件，以及不宜直接淬火的零件。
3. 二次(ci)淬火
對本質粗晶粒(li)鋼(gang)或(huo)使用(yong)性能要(yao)求(qiu)(qiu)很(hen)高(gao)的(de)(de)零件(jian)，要(yao)采用(yong)二次(ci)(ci)火，或(huo)一(yi)次(ci)(ci)正(zheng)(zheng)火加一(yi)次(ci)(ci)淬火，以保證滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)零件(jian)的(de)(de)心部(bu)(bu)和滲(shen)(shen)層都達(da)到高(gao)的(de)(de)性能要(yao)求(qiu)(qiu)。第(di)一(yi)次(ci)(ci)淬火（或(huo)正(zheng)(zheng)火）溫(wen)(wen)度，碳(tan)(tan)鋼(gang)為(wei)880～900℃，合金鋼(gang)為(wei)850～870℃，目的(de)(de)是細化心部(bu)(bu)組織(zhi)，并(bing)消除(chu)表面網狀碳(tan)(tan)化物。第(di)二次(ci)(ci)淬火溫(wen)(wen)度則要(yao)根(gen)據高(gao)碳(tan)(tan)的(de)(de)表層來(lai)決(jue)定，一(yi)般選(xuan)擇稍高(gao)于Ac1的(de)(de)溫(wen)(wen)度（770～820℃）。
二次淬火，有可能出現較大的淬火缺陷(xian)，工藝較復雜，生產周期(qi)長，故僅用于表(biao)面耐磨性、疲勞強度和(he)心部韌性等要求較高的重載荷零件。
