气体渗碳

冶金学术语

气体渗碳是指在具有增碳气氛的气态活性介质中进行的渗碳工艺，其主要工艺参数为渗碳介质、炉气碳势、渗碳温度和时间。

简述

在实际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，是如今应用最广泛、最成熟的渗碳方法。

渗碳件的各项性能与渗层的浓度分布及组织结构有密切的关系，不同的零件服役条件各异，对性能的要求不一，通过试验确定每一种零件各自最佳的渗层浓度分布和渗层组织，就有可能大幅度提高渗碳零件的使用寿命。现代工业对零件性能的要求越来越高，这就要求在渗碳过程中实现精确的碳势控制并做合理的渗后热处理。

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。其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碳势（渗碳能力）易于调控（这是其他渗碳方法所不能）。所以，渗层碳浓度和组织可以调控，渗碳工件质量更有保证，是如今应用最广的工艺。

气体渗碳所用渗剂分两大类：一是煤油、苯类、甲醇、乙醇和醋酸乙酯等液体有机物，将它们滴入炉中，裂解后可生成含有甲烷、CO等供碳组分的气体。此法称为滴注式气体渗碳；另一是直接使用气体，如吸热式可控气体、氮基可控气体等。后者需要有气源（天然气、丙烷）供应，还要在特殊设备中不完全燃烧以产生吸热式气体。氮基气体也需由制氧站供应，所以投资较大。

基本过程

无论用何种渗碳介质进行渗碳，它们都有分解、吸收、扩散三个基本过程。

1)渗碳介质的分解过程。分解就是活性介质在一定温度下，进行化学分解，析出活性原子（或离子）的过程。在气体渗碳时，煤油在高温热分解时产生甲烷，在钢件的表面按如下反应分解出活性碳原子[C]。

化学介质分解的速度取决于化学介质的性质、数量、分解的温度、压力以及有无催化剂等。

2)活性碳原子被金属表面吸收的过程。吸收就是活性原子（或离子）与金属原子产生键合而进入金属表层的过程。吸收的方式可以是活性原子向钢的固溶体中溶解或形成化合物。渗碳时，渗碳介质所分解的活性碳原子吸附在钢件表面后，溶于奥氏体中并形成间隙固溶体。当碳浓度超过该温度下奥氏体饱和浓度时可形成金属化合物（碳化物）。

吸收的强弱与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢件的成分及其表面状态有关。

3)渗入元素的扩散过程。扩散就是被钢件表面所吸收的活性原子（或离子）向钢件深处迁移，以形成一定厚度的扩散层（即渗层）。

分解、吸收、扩散是各种化学热处理所共有的基本过程，同样适用于其他化学热处理，例如渗氮、碳氮共渗、渗金属等。

工艺参数

主要工艺参数为渗碳温度、保温时间、炉气换气次数和碳势选定与控制等。

1)渗碳温度。气体渗碳温度一般为880～930℃。较低的渗碳温度有利于减少渗碳工件变形和渗碳深度与渗碳浓度控制；较高的渗碳温度，可以加快渗碳速度，缩短渗碳周期，节约能源。但渗碳温度过高容易使碳化物呈网状，并使晶粒长大，降低力学性能。

2)保温时间。气体渗碳保温时间主要取决于渗碳温度和要求渗碳层的厚度。当温度一定时，渗层深度艿与保温时间t的平方根成正比，即

式中D——扩散系数；

K——常数，均须由试验确定。

计算出的渗碳时间只能供操作参考。在渗碳时，应随工件装入若干试样。定时抽取试样检测渗碳层深度和渗层的碳质量分数，并与技术要求指标进行比较，以确定出炉时间。

3)炉气换气次数。炉内渗碳气氛要不断更换，以保持炉气的活性。换气次数等于单位时间送入炉内渗碳气体的量除以炉膛的容积。换气次数多，炉气活性大，但是渗碳剂量和电耗增大。通常炉气的换气次数≥2，同时要保证炉内气压为正压，以防止炉外空气窜入炉内，破坏渗碳气氛。

4)碳势选定与控制。渗碳过程中，炉气碳势高，则渗碳工件表面碳的质量分数高，碳浓度梯度大，因而可以提高渗碳速度。但是，过高的碳势会导致在渗层出现网状碳化物，使渗层的脆性增大。为此，在渗碳工艺上采用分段控制碳势的工艺方法。将渗碳时间分为两段：第一阶段采用较高的碳势进行强渗，称为强渗期；第二阶段采用较低的碳势，以降低渗层表面含碳量并增加渗层深度，称为扩散期。

优点

气体渗碳的主要优点如下：

(1)气氛的配比基本稳定在一个范围内，并可实现气氛控制，产品质量容易控制。

(2)渗碳速度较快（0.2mm/h），生产周期短，约为固体渗碳时间的1/2。

(3)适用于大批量生产，既适用于贯通式连续作业炉（如振底式、旋转罐式、输送带式、推杆式、转底式等），又适用于周期式渗碳炉（如井式、卧式和旋转罐式），可实现连续生产及渗碳作业的机械化和自动化。

(4)劳动条件好，工件不需装箱可直接加热，大大提高了劳动生产率和减轻劳动强度。

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