滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)是目前機(ji)械工業中(zhong)(zhong)應用最(zui)廣(guang)泛的一種化學熱處理(li)方法。其工藝(yi)特點是將低碳(tan)(tan)(tan)鋼或低碳(tan)(tan)(tan)合金鋼零(ling)件在(zai)增碳(tan)(tan)(tan)的活性介(jie)質（滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)劑）中(zhong)(zhong)加(jia)熱到900～930℃，使(shi)(shi)碳(tan)(tan)(tan)原子滲(shen)(shen)入表面(mian)層(ceng)(ceng)，繼之(zhi)以淬火并低溫回(hui)火，使(shi)(shi)零(ling)件表層(ceng)(ceng)與心部(bu)具有不同的成分(fen)、組(zu)織和(he)性能。滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)可(ke)分(fen)為(wei)固體滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)、液體滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)和(he)氣(qi)體滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)。近期(qi)又發展了真空滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)、可(ke)控氣(qi)氛滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)及等離子滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)等。
一、滲(shen)碳的基本過程(cheng)
根據滲(shen)碳(tan)(tan)介(jie)質狀態的不同(tong)，可以分(fen)為氣體(ti)滲(shen)碳(tan)(tan)、固體(ti)滲(shen)碳(tan)(tan)和液體(ti)滲(shen)碳(tan)(tan)。但無(wu)論(lun)采用何種滲(shen)碳(tan)(tan)介(jie)質，都包(bao)括分(fen)解、吸收和擴(kuo)散三個(ge)基本過程。
1. 滲碳介質的分解過程
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(tan)原(yuan)子被金(jin)屬(shu)表(biao)面吸收(shou)的過程
吸收就是(shi)活(huo)(huo)性(xing)原子(zi)（或(huo)離子(zi)）與金屬(shu)原子(zi)產生鍵合(he)而進入金屬(shu)表(biao)(biao)(biao)層(ceng)的(de)(de)過(guo)程。吸收的(de)(de)方式(shi)可以是(shi)活(huo)(huo)性(xing)原子(zi)向鋼的(de)(de)固溶體中(zhong)(zhong)溶解(jie)或(huo)形成(cheng)化(hua)合(he)物。滲(shen)(shen)碳時，滲(shen)(shen)碳介(jie)質(zhi)所分解(jie)的(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)碳原子(zi)吸附在鋼件(jian)表(biao)(biao)(biao)面后，溶入奧氏(shi)體中(zhong)(zhong)并形成(cheng)間隙固溶體。當碳濃度超過(guo)該溫(wen)度下奧氏(shi)體的(de)(de)飽和濃度時，可形成(cheng)化(hua)合(he)物（碳化(hua)物）。吸收的(de)(de)強弱，與活(huo)(huo)性(xing)介(jie)質(zhi)的(de)(de)分解(jie)速度、滲(shen)(shen)入元素的(de)(de)性(xing)質(zhi)、擴散速度、鋼件(jian)的(de)(de)成(cheng)分及表(biao)(biao)(biao)面狀態有(you)關。
3. 滲入元素(su)的擴(kuo)散過程
擴(kuo)(kuo)散(san)(san)，就是(shi)被鋼件表(biao)面所(suo)吸收的(de)活性原子（或離子）向鋼深處(chu)(chu)的(de)遷(qian)移(yi)，以形成一定厚度的(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層（即滲(shen)層）。分解、吸收、擴(kuo)(kuo)散(san)(san)是(shi)各種化學(xue)熱處(chu)(chu)理所(suo)共有的(de)基本過程，同樣適用于其他化學(xue)熱處(chu)(chu)理，例如滲(shen)氮(dan)、碳氮(dan)共滲(shen)、滲(shen)硫、滲(shen)硼(peng)及滲(shen)金屬等。
二、氣體滲碳工藝(yi)操作
本工(gong)藝為(wei)某廠氣體滲碳工(gong)藝規范，適用于低碳鋼和低碳合金鋼制造的(de)零(ling)件(jian)，其滲層深度要求1.1～1.3mm，滲碳劑為(wei)煤(mei)油。
如圖3-11所示，滲碳過程一般(ban)由排氣、強烈滲碳、擴(kuo)散(san)和降溫4個階(jie)段組成。
1. 排氣
滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)零件裝入滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)爐(lu)(lu)(lu)后必(bi)將引起爐(lu)(lu)(lu)溫(wen)(wen)(wen)降低，同時帶(dai)入大量(liang)空氣(qi)(qi)。排(pai)(pai)氣(qi)(qi)的(de)作用在于恢復爐(lu)(lu)(lu)溫(wen)(wen)(wen)到(dao)規定的(de)溫(wen)(wen)(wen)度，并(bing)盡(jin)量(liang)排(pai)(pai)除(chu)爐(lu)(lu)(lu)內(nei)空氣(qi)(qi)。通常(chang)采取加大滲(shen)(shen)劑流量(liang)以使(shi)爐(lu)(lu)(lu)內(nei)氧化性氣(qi)(qi)氛(fen)迅速減(jian)少。排(pai)(pai)氣(qi)(qi)時間(jian)往往在儀(yi)表溫(wen)(wen)(wen)度達到(dao)滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)要求的(de)溫(wen)(wen)(wen)度后再(zai)延長30～60min，以使(shi)爐(lu)(lu)(lu)氣(qi)(qi)成(cheng)分達到(dao)要求，并(bing)使(shi)爐(lu)(lu)(lu)內(nei)溫(wen)(wen)(wen)度均勻及(ji)工件燒透。排(pai)(pai)氣(qi)(qi)不好會造成(cheng)滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)質量(liang)降低和(he)滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)速度減(jian)慢。
2. 強烈滲碳
排氣階段(duan)結束后(hou)，即進入強烈(lie)滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)階段(duan)。其特點是滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)劑滴量(liang)較(jiao)多或氣氛(fen)較(jiao)濃(nong)(nong)，使工件表(biao)面的(de)碳(tan)(tan)(tan)濃(nong)(nong)度高于最后(hou)的(de)技術要(yao)求(qiu)，增(zeng)大(da)表(biao)面的(de)碳(tan)(tan)(tan)濃(nong)(nong)度梯度可(ke)以提高滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)速度。強烈(lie)滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)時間主要(yao)取決于滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)零(ling)件滲(shen)碳(tan)(tan)(tan)層(ceng)的(de)要(yao)求(qiu)。
3. 擴散
滲(shen)碳(tan)(tan)進入擴散階(jie)段是以減少(shao)滲(shen)碳(tan)(tan)劑滴量或濃度(du)為(wei)標志(zhi)的(de)。此(ci)時爐內滲(shen)碳(tan)(tan)能(neng)力降(jiang)低，工件表層過剩的(de)碳(tan)(tan)繼(ji)續(xu)向內部擴散，最后得(de)到符合(he)(he)要求的(de)滲(shen)層深度(du)及合(he)(he)適的(de)碳(tan)(tan)濃度(du)分布。擴散階(jie)段所需時間由中間試(shi)棒的(de)滲(shen)碳(tan)(tan)層深度(du)確定。
4. 降溫
對于可直(zhi)接淬(cui)火的(de)(de)零(ling)件(jian)應隨爐(lu)(lu)冷至(zhi)適宜(yi)的(de)(de)淬(cui)火溫(wen)度(du)（一般(ban)在(zai)840～860℃），并保(bao)溫(wen)20～30min，使零(ling)件(jian)內外溫(wen)度(du)均勻后出爐(lu)(lu)淬(cui)火；對于需要重新加熱淬(cui)火的(de)(de)滲(shen)碳零(ling)件(jian)，可自滲(shen)碳溫(wen)度(du)出爐(lu)(lu)放入緩冷罐中。
三、氣(qi)體(ti)滲(shen)碳操作要點
為了保證滲(shen)碳(tan)質量，滲(shen)碳(tan)零件(jian)在進入滲(shen)碳(tan)爐前應清(qing)除表面污(wu)垢、鐵(tie)銹(xiu)及油(you)脂等。常用(yong)熱水(shui)或含Na2CO3的水(shui)溶(rong)液(ye)清(qing)洗介質，對銹(xiu)蝕工件(jian)可采用(yong)噴(pen)砂清(qing)理。
零件裝在料筐或掛(gua)具上，彼此間應留出50～10mm的間隙，以(yi)保證(zheng)滲碳(tan)介質能與(yu)零件充(chong)分接觸和循環(huan)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(xin)滲(shen)碳(tan)罐、新(xin)的工夾具應預先(xian)滲(shen)碳(tan)。在正常生(sheng)產情況，停爐(lu)較(jiao)長再(zai)開(kai)爐(lu)升溫時(shi)也應進行(xing)爐(lu)腔滲(shen)碳(tan)。
四、滲碳零件的熱處理
滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)只能改變(bian)零(ling)件的(de)(de)表面(mian)化學成分，而(er)(er)零(ling)件表面(mian)的(de)(de)最終(zhong)強化則必(bi)須(xu)經過適當的(de)(de)熱處理(li)。通過熱處理(li)可使零(ling)件的(de)(de)高(gao)碳(tan)(tan)(tan)表層獲得細小(xiao)的(de)(de)馬氏(shi)體，而(er)(er)零(ling)件的(de)(de)心(xin)部由(you)低碳(tan)(tan)(tan)馬氏(shi)體、托氏(shi)體、索氏(shi)體等組織所(suo)組成。滲(shen)(shen)碳(tan)(tan)(tan)后可采(cai)用不同的(de)(de)熱處理(li)方法：直接淬(cui)(cui)火(huo)、一次(ci)淬(cui)(cui)火(huo)及(ji)二次(ci)淬(cui)(cui)火(huo)，淬(cui)(cui)火(huo)后必(bi)須(xu)進行低溫回火(huo)。
1. 直接淬火
直(zhi)接淬(cui)火是指工件滲碳(tan)后隨(sui)爐降(jiang)溫(wen)到高于Ar1或Ar3溫(wen)度（760～850℃），然后直(zhi)接淬(cui)火的方法，淬(cui)火后在(zai)150～200℃回火2～3h。
隨爐降溫或(huo)出(chu)(chu)爐預冷(leng)的(de)(de)目的(de)(de)是為了減少(shao)淬(cui)火(huo)內應力(li)，從而減小工件(jian)的(de)(de)變形。同時(shi)，還可(ke)使高碳的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)析出(chu)(chu)一部分碳化物，降低奧(ao)氏(shi)體(ti)的(de)(de)碳濃度，從而減少(shao)淬(cui)火(huo)后殘留的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體(ti)，使零件(jian)表面獲得(de)較高的(de)(de)硬度。
直接(jie)淬(cui)火的(de)優點是(shi)：減少了加熱和冷卻(que)的(de)次數(shu)，使操(cao)作簡(jian)化，生(sheng)產效率提高(gao)，還(huan)可減少淬(cui)火變形及(ji)表面氧化、脫碳(tan)傾向。直接(jie)淬(cui)火適(shi)(shi)用于低(di)碳(tan)合金鋼等(deng)本質(zhi)細晶粒鋼，不適(shi)(shi)用于本質(zhi)粗晶粒鋼及(ji)滲碳(tan)時表面碳(tan)濃度高(gao)的(de)零件。
2. 一次淬火(huo)
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. 二次淬火
對(dui)本質(zhi)粗晶粒鋼或使(shi)用(yong)(yong)性能(neng)要(yao)求很高的(de)零件，要(yao)采用(yong)(yong)二次火(huo)，或一次正火(huo)加一次淬火(huo)，以(yi)保證滲碳(tan)(tan)零件的(de)心部和滲層(ceng)都達到高的(de)性能(neng)要(yao)求。第一次淬火(huo)（或正火(huo)）溫(wen)度，碳(tan)(tan)鋼為(wei)(wei)880～900℃，合金鋼為(wei)(wei)850～870℃，目(mu)的(de)是細化心部組織，并(bing)消除表面網狀碳(tan)(tan)化物。第二次淬火(huo)溫(wen)度則要(yao)根據高碳(tan)(tan)的(de)表層(ceng)來決定，一般選擇稍(shao)高于Ac1的(de)溫(wen)度（770～820℃）。
二次淬火，有(you)可能出現較大的(de)淬火缺陷，工藝較復(fu)雜，生產周期長，故僅(jin)用于表面耐磨性、疲勞強度和心(xin)部韌性等要求較高(gao)的(de)重載荷零(ling)件。
