气体渗碳法

在具有增碳气氛的气态活性介质中进行的渗碳工艺

气体渗碳法是指在具有增碳气氛的气态活性介质中进行的渗碳工艺，是应用最广泛、最成熟的渗碳方法。

原理

无论何种渗碳介质进行渗碳，它们部有分解、吸收、扩散3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。

CH4→2H2+[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的吸收过程。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同溶体。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）向钢件深处的迁移，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，例如氮化、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℃。较低渗碳温度有利于减少渗碳—r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，渗层深度与保温时间z的平方根成正比

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含碳质量分数，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与炉膛的容积之比。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，则渗碳件表面含碳量分数高，碳浓度梯度大，因而可以提高渗碳速度。但是，过高的碳网状碳化物，使渗层的脆性增大。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，称扩散期。

工艺过程

气体渗碳时，将工件装挂在密闭的井式渗碳炉中。滴入易于热分解和气化的液体（如煤油、丙酮等），加热到900℃~950℃，按0.15~0.30 mm/h估算保温时间，渗碳剂在高温下分解产生活性原子，活性碳原子被工件的表面吸收，并向心部扩散，形成一定深度的渗碳层。渗碳层的深度根据零件尺寸及工作性能要求而定，通过控制保温的时间来达到，—般为0.5~2.5 mm。

渗碳工艺过程一般由排气、强烈渗碳、扩散及降温4个阶段组成。

1、排气：模具零件入炉后必将引起炉温降低，同时带人大量空气。排气阶段的作用在于恢复炉温到规定的渗碳温度。在此阶段应尽快排除炉内空气，通常采取加大渗剂流量以使炉内氧化性气氛迅速减少。排气时间往往在仪表温度达到渗碳要求的温度后尚需延长30一60min，以使炉内成分达到要求，并使炉内温度均匀及工件烧透，排气不好会造成渗碳速度减慢或质量不合格等缺陷。

2)强烈渗碳：排气阶段结束后，即进入强烈渗碳阶段。其特点是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，使工件表面碳浓度高于最后要求，增大表面的碳浓度梯度以提高渗碳速度。强烈渗碳时间主要取决于模具钢渗碳层的要求。

3)扩散：渗碳进入扩散阶段是以减少渗碳剂滴量或浓度为标志的。此时炉气渗碳能力降低，表层过剩的碳继续向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳浓度分布。扩散阶段所需时间由中间试棒的渗碳层深度确定。

4)降温：渗碳后的冷却，对于可直接淬火的零件应随炉冷至适宜的淬火温度（一般在840℃一860℃）．并保温15～30min使零件内外温度均匀后出炉淬火。对于需要重新加热淬火的模具零件，可自渗碳温度出炉放入缓冷罐中。

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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