热处理气体渗碳工艺技术与应用浅谈

刘振辉

【摘要】气体渗碳是在具有增碳气氛的气态活性介质中进行的渗碳工艺，也是现在应用最广泛、最成熟的渗碳方法。围绕热处理气体渗碳的主要目的与作用，以及热处理气体渗碳中的碳化气体，重点论述了热处理气体渗碳工艺及流程及其注意事项，以为热处理气体渗碳工艺技术与应用提供参考。

【关键词】渗碳工艺  熱处理气体渗碳  浅谈

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。在生产中渗碳的方法较多，根据介质的不同状态可分为固体渗碳、液体渗碳及气体渗碳三种，应用最多的为气体渗碳，它是在具有增碳气氛的气态活性介质中进行的渗碳工艺，也是现在应用最广泛、最成熟的渗碳方法。气体渗碳是工件高温下在气体的活性介质中进行渗碳的过程，它的最大优点是整个过程不但炉温可调，这在固体、膏体和液体渗碳时也能做到，而且渗碳过程中介质的渗碳能力易于调控，这也是其他渗碳方法所不能做到的。所以，渗层碳浓度和组织可以调控，渗碳工件质量更有保证，是当前生产中应用最普遍的工艺。

一、热处理气体渗碳的主要目的与作用

热处理气体渗碳的一般是针对钢来说，钢的渗碳就是钢件在渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入钢件表面，使其表面的碳浓度发生改变，从而获得具有一定表面含碳量和一定浓度梯度的热处理工艺。其主要目的是使机器零件获得较高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢（含碳量小於0.25%）。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火，以得到高的表面硬度，高的耐磨性和疲劳强度，并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性，使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于机械零件，如齿轮，轴，凸轮轴等。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残馀奥氏体和少量碳化物，心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织，但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米，深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58～63，心部硬度为HRC30～42。渗碳淬火后，工件表面产生压缩内应力，对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度，冲击韧性和耐磨性，藉以延长零件的使用寿命。

二、热处理气体渗碳中的碳化气体

碳化气体的主要成分为甲烷（CH4），丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）。甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。通常情况下，甲烷比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。但是在特定条件下，甲烷也会发生某些反应。丙烷，三碳烷烃，化学式为C3H8，通常为气态，但一般经过压缩成液态后运输。原油或天然气处理后，可以从成品油中得到丙烷。丙烷常用作发动机、烧烤食品及家用取暖系统的燃料。丁烷：无色气体，有轻微的不愉快气味。不溶于水，易溶醇、氯仿。易燃易爆。用作溶剂、制冷剂和有机合成原料。油田气、湿天然气和裂化气中都含有正丁烷，经分离而得。

三、热处理气体渗碳工艺及流程

（一）开炉前的准备

渗碳工件表面不应有锈蚀、污垢、裂纹及伤痕等缺陷。工件表面不需渗碳部分可采用表面镀铜或涂防渗碳涂料防止渗碳，也可在渗碳后，对不需要渗碳的部分切削去渗碳层。镀铜层的厚度一般应大于0.03mm;防渗碳涂料的厚度一般应大于0.3mm，要求涂层致密。采用滴注式渗碳时，渗碳剂一般是甲醇（形成载气）;煤油或丙酮、醋酸乙酯（形成富化气），有条件时也可以采用其他方式的可控气氛渗碳。为取得高质量渗碳，减少碳黑，最好选用航空煤油滴注。准备好试样和中间试样。试样宜取自同批零件，试样表面不允许有锈蚀、油污。中间试样一般为Φ10mm×10钢试棒。

（二）渗碳操作

一是做好开炉前检查设备。

二是根据停炉时间和炉罐情况，按工艺文件规定，进行炉罐渗碳。炉罐渗碳时间，对于新炉罐一般为6-12h，对于旧炉罐一般为2-4h左右。装炉：将材质相同、渗碳层技术要求相同、渗碳后热处理方式相同的工件，放在同一炉生产。试样放在料筐的有代表性的位置。每炉装载量和装料高度应小于设备规定的最大装载量和装料高度。为保证炉内渗碳气氛的循环畅通，使渗碳层均匀，工件间应留有纵横大于5mm的间隙。料筐装入炉内时，要垂直摆放，各层料筐应齐整，不得有间隙，同时悬吊放入中间试样棒。工件入炉后，将炉盖盖紧，不允许有漏气现象，滴入渗碳剂后，应保持炉内压力为196-490Pa。将废气点燃，火苗高度为200-300mm。

三是渗碳：根据材质及渗碳层显微组织的要求，由有关工艺文件规定渗碳工艺曲线，一般对于要求严格控制碳化物的低合钢钢工件。对于不要求严格控制碳化物的低碳钢、低合金钢工件。

渗碳温度和渗碳时间。渗碳温度一般为900～940℃，渗碳时间应根据要求的渗碳层深度确定，它与渗碳温度、炉内气氛的碳势及工件特征等因素有关。渗碳剂的选择及应用。采用滴注式渗碳时，可根据生产厂条件选择渗碳剂。选用普通煤油作渗碳剂，炉内碳黑较多。选用航空煤油，不易产生碳黑，甲醇作载气，煤油作富化气，炉内碳黑较少。用甲醇作载气，丙酮或醋酸乙醋作富化气，炉内碳黑则更少，可进行气氛的碳势控制。渗碳剂用量根据工件装载量和表面积大小等因素进行调整。

四、热处理气体渗碳过程中应注意的事项

（一）渗剂选择

气体渗碳中采用煤油和苯或煤油和苯及酒精的混合物，煤油和酒精的混合使用能提高渗碳速度;采用70%的煤油与30%的酒精渗剂，保温46小时，渗层会达到0.92～1.16mm且不会产生碳黑影响渗碳。

（二）渗碳过程中分析渗碳炉中的碳势和气氛

经常检查炉内渗碳过程进行状态是否良好，应经常对排出的废气进行分析。在渗碳过中可以把废气点燃，根据火焰颜色、长度和形状判断炉内的工作情况。在正常情况下，火焰应是稳定的，有一定长度（约100～120m）呈浅黄色，没有烟灰和火星。

（三）确定渗碳保温时间

在渗碳时，当工件在预计出炉半小时或一小时应拿出试棒淬火打断，（渗碳时试样为相同材料中10左右为好）渗碳后淬火，打断看渗碳层的深度，从而确定出炉时间;如图所示，试样打断后的颜色，渗层与中心有明显的区别，一般地渗层稍带白色，组织细密，而中心部位颜色稍暗，并比较粗糙。可用显微尺测出a渗层深度。

参考文献：

[1]热处理手册[M].机械出版社，1982.

[2]热处理问答[M].机械工业出版社，2014.

[3]钢的热处理工艺与原理[D].西北工业大学，2015.