熱處理氣體滲碳工藝技術與應用淺談

劉振輝

【摘要】氣體滲碳是在具有增碳氣氛的氣態活性介質中進行的滲碳工藝，也是現在應用最廣泛、最成熟的滲碳方法。圍繞熱處理氣體滲碳的主要目的與作用，以及熱處理氣體滲碳中的碳化氣體，重點論述了熱處理氣體滲碳工藝及流程及其注意事項，以為熱處理氣體滲碳工藝技術與應用提供參考。

【關鍵詞】滲碳工藝 ?熱處理氣體滲碳 ?淺談

滲碳工藝在中國可以上溯到2000年以前。最早是用固體滲碳介質滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀出現并得到廣泛應用的。美國在20年代開始采用轉筒爐進行氣體滲碳。在生產中滲碳的方法較多，根據介質的不同狀態可分為固體滲碳、液體滲碳及氣體滲碳三種，應用最多的為氣體滲碳，它是在具有增碳氣氛的氣態活性介質中進行的滲碳工藝，也是現在應用最廣泛、最成熟的滲碳方法。氣體滲碳是工件高溫下在氣體的活性介質中進行滲碳的過程，它的最大優點是整個過程不但爐溫可調，這在固體、膏體和液體滲碳時也能做到，而且滲碳過程中介質的滲碳能力易于調控，這也是其他滲碳方法所不能做到的。所以，滲層碳濃度和組織可以調控，滲碳工件質量更有保證，是當前生產中應用最普遍的工藝。

一、熱處理氣體滲碳的主要目的與作用

熱處理氣體滲碳的一般是針對鋼來說，鋼的滲碳就是鋼件在滲碳介質中加熱保溫，使碳原子滲入鋼件表面，使其表面的碳濃度發生改變，從而獲得具有一定表面含碳量和一定濃度梯度的熱處理工藝。其主要目的是使機器零件獲得較高的表面硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。

滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼（含碳量小於0.25%）。滲碳后﹐鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火，以得到高的表面硬度，高的耐磨性和疲勞強度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性，使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于機械零件，如齒輪，軸，凸輪軸等。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘馀奧氏體和少量碳化物，心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織，但應避免出現鐵素體。一般滲碳層深度范圍為0.8～1.2毫米，深度滲碳時可達2毫米或更深。表面硬度可達HRC58～63，心部硬度為HRC30～42。滲碳淬火后，工件表面產生壓縮內應力，對提高工件的疲勞強度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強度，沖擊韌性和耐磨性，藉以延長零件的使用壽命。

二、熱處理氣體滲碳中的碳化氣體

碳化氣體的主要成分為甲烷（CH4），丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）。甲烷是最簡單的有機物，是天然氣，沼氣，坑氣等的主要成分，俗稱瓦斯。通常情況下，甲烷比較穩定，與高錳酸鉀等強氧化劑不反應，與強酸、強堿也不反應。但是在特定條件下，甲烷也會發生某些反應。丙烷，三碳烷烴，化學式為C3H8，通常為氣態，但一般經過壓縮成液態后運輸。原油或天然氣處理后，可以從成品油中得到丙烷。丙烷常用作發動機、燒烤食品及家用取暖系統的燃料。丁烷：無色氣體，有輕微的不愉快氣味。不溶于水，易溶醇、氯仿。易燃易爆。用作溶劑、制冷劑和有機合成原料。油田氣、濕天然氣和裂化氣中都含有正丁烷，經分離而得。

三、熱處理氣體滲碳工藝及流程

（一）開爐前的準備

滲碳工件表面不應有銹蝕、污垢、裂紋及傷痕等缺陷。工件表面不需滲碳部分可采用表面鍍銅或涂防滲碳涂料防止滲碳，也可在滲碳后，對不需要滲碳的部分切削去滲碳層。鍍銅層的厚度一般應大于0.03mm;防滲碳涂料的厚度一般應大于0.3mm，要求涂層致密。采用滴注式滲碳時，滲碳劑一般是甲醇（形成載氣）;煤油或丙酮、醋酸乙酯（形成富化氣），有條件時也可以采用其他方式的可控氣氛滲碳。為取得高質量滲碳，減少碳黑，最好選用航空煤油滴注。準備好試樣和中間試樣。試樣宜取自同批零件，試樣表面不允許有銹蝕、油污。中間試樣一般為Φ10mm×10鋼試棒。

（二）滲碳操作

一是做好開爐前檢查設備。

二是根據停爐時間和爐罐情況，按工藝文件規定，進行爐罐滲碳。爐罐滲碳時間，對于新爐罐一般為6-12h，對于舊爐罐一般為2-4h左右。裝爐：將材質相同、滲碳層技術要求相同、滲碳后熱處理方式相同的工件，放在同一爐生產。試樣放在料筐的有代表性的位置。每爐裝載量和裝料高度應小于設備規定的最大裝載量和裝料高度。為保證爐內滲碳氣氛的循環暢通，使滲碳層均勻，工件間應留有縱橫大于5mm的間隙。料筐裝入爐內時，要垂直擺放，各層料筐應齊整，不得有間隙，同時懸吊放入中間試樣棒。工件入爐后，將爐蓋蓋緊，不允許有漏氣現象，滴入滲碳劑后，應保持爐內壓力為196-490Pa。將廢氣點燃，火苗高度為200-300mm。

三是滲碳：根據材質及滲碳層顯微組織的要求，由有關工藝文件規定滲碳工藝曲線，一般對于要求嚴格控制碳化物的低合鋼鋼工件。對于不要求嚴格控制碳化物的低碳鋼、低合金鋼工件。

滲碳溫度和滲碳時間。滲碳溫度一般為900～940℃，滲碳時間應根據要求的滲碳層深度確定，它與滲碳溫度、爐內氣氛的碳勢及工件特征等因素有關。滲碳劑的選擇及應用。采用滴注式滲碳時，可根據生產廠條件選擇滲碳劑。選用普通煤油作滲碳劑，爐內碳黑較多。選用航空煤油，不易產生碳黑，甲醇作載氣，煤油作富化氣，爐內碳黑較少。用甲醇作載氣，丙酮或醋酸乙醋作富化氣，爐內碳黑則更少，可進行氣氛的碳勢控制。滲碳劑用量根據工件裝載量和表面積大小等因素進行調整。

四、熱處理氣體滲碳過程中應注意的事項

（一）滲劑選擇

氣體滲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滲碳速度;采用70%的煤油與30%的酒精滲劑，保溫46小時，滲層會達到0.92～1.16mm且不會產生碳黑影響滲碳。

（二）滲碳過程中分析滲碳爐中的碳勢和氣氛

經常檢查爐內滲碳過程進行狀態是否良好，應經常對排出的廢氣進行分析。在滲碳過中可以把廢氣點燃，根據火焰顏色、長度和形狀判斷爐內的工作情況。在正常情況下，火焰應是穩定的，有一定長度（約100～120m）呈淺黃色，沒有煙灰和火星。

（三）確定滲碳保溫時間

在滲碳時，當工件在預計出爐半小時或一小時應拿出試棒淬火打斷，（滲碳時試樣為相同材料中10左右為好）滲碳后淬火，打斷看滲碳層的深度，從而確定出爐時間;如圖所示，試樣打斷后的顏色，滲層與中心有明顯的區別，一般地滲層稍帶白色，組織細密，而中心部位顏色稍暗，并比較粗糙。可用顯微尺測出a滲層深度。

參考文獻：

[1]熱處理手冊[M].機械出版社，1982.

[2]熱處理問答[M].機械工業出版社，2014.

[3]鋼的熱處理工藝與原理[D].西北工業大學，2015.