滲碳

按含碳介質(zhì)的不同﹐滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳﹑液體滲碳﹑和碳氮共滲（氰化）。

氣體滲碳是將工件裝入密閉的滲碳爐內(nèi)，通入氣體滲劑（甲烷、乙烷等）或液體滲劑（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高溫下分解出活性碳原子，滲入工件表面，以獲得高碳表面層的一種滲碳操作工藝。

固體滲碳是將工件和固體滲碳劑（木炭加促進劑組成）一起裝在密閉的滲碳箱中，將箱放入加熱爐中加熱到滲碳溫度，并保溫一定時間，使活性碳原子滲入工件表面的一種最早的滲碳方法。

液體滲碳是利用液體介質(zhì)進行滲碳，常用的液體滲碳介質(zhì)有：碳化硅，“603”滲碳劑等。

碳氮共滲（氰化）又分為氣體碳氮共滲　、液體碳氮共滲、固體碳氮共滲。

直接淬火低溫回火

組織及性能特點：不能細化鋼的晶粒。工件淬火變形較大，合金鋼滲碳件表面殘余奧氏體量較多，表面硬度較低

適用范圍：操作簡單，成本低廉用來處理對變形和承受沖擊載荷不大的零件，適用于氣體滲碳和液體滲碳工藝。

預冷直接淬火、低溫回火

淬火溫度800-850℃ 。組織及性能特點：可以減少工件淬火變形，滲層中殘余奧氏體量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奧氏體晶粒沒有變化。

適用范圍：操作簡單，工件氧化、脫碳及淬火變形均小，廣泛應用于細晶粒鋼制造的各種工具。

一次加熱淬火 低溫回火

淬火溫度820-850℃或780-810℃ 。組織及性能特點：對心部強度要求較高者，采用820-850℃淬火，心部為低碳M，表面要求硬度高者，采用780-810℃淬火可以細化晶粒。

適用范圍： 適用于固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機械加工的零件。

4、 滲碳高溫回火，一次加熱淬火，低溫回火

淬火溫度840-860℃ 。組織及性能特點：高溫回火使M和殘余A分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后殘余A減少。

適用范圍：主要用于Cr—Ni合金滲碳工件

二次淬火低溫回火

組織及性能特點：第一次淬火（或正火），可以消除滲碳層網(wǎng)狀碳化物及細化心部組織（850-870℃），第二次淬火主要改善滲層組織，對心部性能要求不高時可在材料的Ac1—Ac3之間淬火，對心部性能要求高時要在Ac3以上淬火。

適用范圍：主要用于對力學性能要求很高的重要滲碳件，特別是對粗晶粒鋼。但在滲碳后需經(jīng)過兩次高溫加熱，使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過程較復雜。

二次淬火冷處理低溫回火

組織及性能特點：高于Ac1或Ac3（心部）的溫度淬火，高合金表層殘余A較多，經(jīng)冷處理（-70℃/-80℃）促使A轉(zhuǎn)變從而提高表面硬度和耐磨性。

適用范圍：主要用于滲碳后不進行機械加工的高合金鋼工件。

7、 滲碳后感應加熱淬火低溫回火

組織及性能特點：可以細化滲層及靠近滲層處的組織。淬火變形小，不允許硬化的部位不需預先防滲。

適用范圍：各種齒輪和軸類

滲碳與其他化學熱處理一樣﹐也包含3個基本過程。

①分解

滲碳介質(zhì)的分解產(chǎn)生活性碳原子。

②吸附

活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中﹐使奧氏體中含碳量增加。

③擴散

表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差﹐表面的碳遂向內(nèi)部擴散。碳在鋼中的擴散速度主要取決于溫度﹐同時與工件中被滲元素內(nèi)外濃度差和鋼中合金元素含量有關。

滲碳零件的材料 一般選用低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小於0.25%)。滲碳后必須進行淬火才能充分發(fā)揮滲碳的有利作用。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余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(xiàn)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(chǎn)生壓縮內(nèi)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﹐借以延長零件的使用壽命。

滲碳（carburizing/carburization）是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于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(jīng)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。滲碳工藝廣泛用于飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。

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(zhì)滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀出現(xiàn)并得到廣泛應用的。美國在20年代開始采用轉(zhuǎn)筒爐進行氣體滲碳。30年代﹐連續(xù)式氣體滲碳爐開始在工業(yè)上應用。60年代高溫(960～1100℃)氣體滲碳得到發(fā)展。至70年代﹐出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。

滲碳工藝是一個十分古老的工藝，在中國，最早可上溯到2000年以前。起先是用固體滲碳介質(zhì)滲碳。在20世紀出現(xiàn)液體和氣體滲碳并得到廣泛應用。后來又出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。滲碳工藝仍然具有非常重要的實用價值，原因就在于它的合理的設計思想，即讓鋼材表層接受各類負荷（磨損、疲勞、機械負載及化學腐蝕）最多的地方，通過滲入碳等元素達到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度及耐蝕性﹐而不必通過昂貴的合金化或其它復雜工藝手段對整個材料進行處理。這不僅能用低廉的碳鋼或合金鋼來代替某些較昂貴的高合金鋼，而且能夠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。因此，完全符合節(jié)能、降耗，可持續(xù)發(fā)展的方向。

近年來，出現(xiàn)了高濃度滲碳工藝，與傳統(tǒng)工藝在完全奧氏體區(qū)（溫度在900~950℃，滲碳后表面碳質(zhì)量分數(shù)為0.85%~1.05%）進行滲碳不同，它是在Ac1～Accm之間的不均勻奧氏體狀態(tài)下進行，其滲層表面碳濃度可高達2%～4%。其結(jié)果可獲得細小顆粒碳化物均勻、彌散分布的滲層。其滲碳溫度降至800℃～860℃溫度范圍，可實現(xiàn)一般鋼材滲碳后直接淬火；由于高濃度滲碳層含有很高數(shù)量（20%～50%）的彌散分布的碳化物，故顯示出比普通滲碳更優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性，更高的接觸與彎曲疲勞強度，較高的沖擊韌度、較低的脆性及較好的回火穩(wěn)定性。該工藝還具有適用性廣、對設備無特殊要求等優(yōu)點，具有較高的經(jīng)濟效益和實用價值，近年來在國內(nèi)外獲得競相研究與開發(fā)。

為了防止?jié)B碳過程中奧氏體晶粒的粗化，一般都在鋼材中添加適量的鈦，通過形成碳氮化鈦粒子釘扎晶界而阻止晶粒長大。國家標準規(guī)定滲碳鋼中鈦添加量為0.04～0.08wt%。然而，最近有研究工作表明，當鈦含量超過0.032%，就會在滲碳鋼冶煉鑄錠凝固時析出氮化鈦。這種氮化鈦尺寸達到微米數(shù)量級，起不到阻止奧氏體晶粒長大的作用，反而由于這種呈立方體的粒子的尖角效應以及與基體組織的不連續(xù)性而成為微裂紋的策源地和裂紋擴展的中繼站，嚴重損害鋼材的韌塑性。工作還表明，將鈦含量降至0.02～0.032%，仍然能夠同樣有效地起到控制奧氏體晶粒長大的作用，而又可避免有害氮化鈦粒子的形成，因此是值得推薦的合理的選擇范圍。

(1)滲碳鋼的含碳量一般都在0.15--0.25%范圍內(nèi),對于重載的滲碳體,可以提高到0.25--0.30%碳素滲碳鋼中,用得最多的是15和20鋼,它們經(jīng)滲碳和熱處理后表面硬度可達56--62HRC。但由于淬透性較低,只適用于心部強度要求不高、受力小、承受磨損的小型零件,如軸套、鏈條等.

(2)合金元素在滲碳鋼中的作用是提高淬透性,細化晶粒,強化固溶體,影響滲層中的含碳量、滲層厚度及組織.在滲碳鋼中通常加入的合金元素有錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、硼等.低合金滲碳鋼如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其滲透性和心部強度均較碳素滲碳鋼高,可用于制造一般機械中的較為重要的滲碳件,如汽車、拖拉機中的齒輪、活塞銷等.中合金滲碳鋼如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和較高的強度及韌性,主要用以制造截面較大、承載較重、受力復雜的零件,如航空發(fā)動機的齒輪、軸等.

固體滲碳 ;液體滲碳 ;氣體滲碳---滲碳溫度為900--950C,表面層w(碳)為0.8--1.2%,層深為0.5--2.0mm.

滲碳后的熱處理---滲碳工件實際上應看作是由一種表面與中心含量相差懸殊碼復合材料.滲碳只能改變工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最終強化則必須經(jīng)過適當?shù)臒崽幚聿拍軐崿F(xiàn).滲碳后的工件均需進行淬火和低溫回火.淬火的目的是使在表面形成高碳馬氏體或高碳馬氏體和細粒狀碳化物組織.低溫回火溫度為150--200C.

碳濃度過高

⒈產(chǎn)生原因及危害：如果滲碳時急劇加熱，溫度又過高或固體滲碳時用全新滲碳劑，或用強烈的催滲劑過多都會引起滲碳濃度過高的現(xiàn)象。隨著碳濃度過高，工件表面出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。由于這種硬脆組織產(chǎn)生，使?jié)B碳層的韌性急劇下降。并且淬火時形成高碳馬氏體，在磨削時容易出現(xiàn)磨削裂紋。

⒉防止的方法

①不能急劇加熱，需采用適當?shù)募訜釡囟龋皇逛摰木ЯｉL大為好。如果滲碳時晶粒粗大，則應在滲碳后正火或兩次淬火處理來細化晶粒。

②嚴格控制爐溫均勻性，不能波動過大，在反射爐中固體滲碳時需特別注意。

③固體滲碳時，滲碳劑要新、舊配比使用。催滲劑最好采用4—7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催滲劑。

碳濃度過低

⒈產(chǎn)生的原因及危害：溫度波動很大或催滲劑過少都會引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9—1.0%之間，低于0.8%C，零件容易磨損。

⒉防止的方法：

①滲碳溫度一般采用920—940℃，滲碳溫度過低就會引起碳濃度過低，且延長滲碳時間；滲碳溫度過高會引起晶粒粗大。

②催滲劑(BaCO3)的用量不應低于4%。

滲碳后表面局部貧碳

⒈產(chǎn)生的原因及危害：固體滲碳時，木炭顆粒過大或夾雜有石塊等雜質(zhì)，或催滲劑與木炭拌得不均勻，或工件所接觸都會引起局部無碳或貧碳。工件表面的污物也可以引起貧碳。

⒉防止的方法

①固體滲碳劑一定要按比例配制，攪拌均勻。

②裝爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時要將滲碳劑搗實，勿使?jié)B碳過塌而使工件接觸。

③卻除表面的污物。

滲碳濃度加劇過渡

⒈產(chǎn)生的原因及危害：滲碳濃度突然過渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇，不是由高到低的均勻過渡，而是突然過渡。產(chǎn)生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強烈(如新配制的木炭，舊滲碳劑加得很少)，同時鋼中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強烈，而造成表面高濃度，中心低濃度，并無過渡層。產(chǎn)生此缺陷后造成表里相當大的內(nèi)應力，在淬火過程中或磨削過程中產(chǎn)生裂紋或剝落現(xiàn)象。

⒉防止的方法：滲碳劑新舊按規(guī)定配比制，使?jié)B碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因為Na2CO3比較急劇。

磨加工時產(chǎn)生回火及裂紋

⒈產(chǎn)生的原因：滲碳層經(jīng)磨削加工后表面引起軟化的現(xiàn)象，稱之為磨加工產(chǎn)生的回火。這是由于磨削時加工進給量太快，砂輪硬度和粒度或轉(zhuǎn)速選擇不當，或磨削過程中冷卻不充分，都易產(chǎn)生此類缺陷。這是因為磨削時的熱量使表面軟化的緣故。磨削時產(chǎn)生回火缺陷則零件耐磨性降低。

表面產(chǎn)生六角形裂紋。這是因為用硬質(zhì)砂輪表面受到過份磨削，而發(fā)熱所致。也與熱處理回火不足，殘余內(nèi)應力過大有關。用酸浸蝕后，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒有缺陷處區(qū)別開來。這是磨削時產(chǎn)生熱量回火。使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織的緣故。其實，裂紋在磨削后肉眼即可看見。

⒉防止的方法：

①淬火后必須經(jīng)過充分回火或多次回火，消除內(nèi)應力。

②采用40~60粒度的軟質(zhì)或中質(zhì)氧化鋁砂輪，磨削進給量不過大。

③磨削時先開冷卻液，并注意磨削過程中的充分冷卻

(1)滲碳前的預處理正火--目的是改善材料原始組織、減少帶狀、消除魏氏組織,使表面粗糙度變細,消除材料流線不合理狀態(tài).正火工藝;用860--980C空冷、179--217HBS.

(2)滲碳后需進行機械加工的工件,硬度不應高于30HRC.

(3)對于有薄壁溝槽的滲碳淬火零件,薄壁溝槽處不能先于滲碳之前加工.

(4)不得用鍍鋅的方法防滲碳.2100433B

滲碳鋼大致可分為碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼。滲碳鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)一般約為0.1%～0.3%，其牌號主要是15鋼和20鋼。這類滲碳鋼經(jīng)滲碳及隨后的淬火、同火處理，其表面硬度可以達到58～64HRC，具有較好的耐磨性。但是由于這類滲碳鋼的淬透性較低，只能適用于心部強度要求不高、承受負載較小的小尺寸零件，如襯套、鏈條片以及量具、夾具等。

合金滲碳鋼由于是在低碳碳素鋼的基礎上，加入了各種不同化學成分的合金元素，如Cr、Mo、Ni、Mn、Ti、V等，可抑制奧氏體晶粒長大，提高淬透性和增加回火穩(wěn)定性，所以，能改善滲碳鋼的工藝性能。這類合金滲碳鋼主要用于制作軸類、齒輪類、銷桿類、鏈輪類等承受負載較大的零件。按照淬透性的大小，合金鋼滲碳鋼還可分為以下三類：淬透性一般的滲碳鋼，如15Cr、20Cr和20MnV等；淬透性較好的滲碳鋼，如20CrMo、20CrMnTi等；淬透性最好的滲碳鋼，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等。

滲碳用鋼的選用應根據(jù)工件的服役條件及尺寸的大小來確定。對承受一定沖擊載荷、有一定耐磨要求的工件，如起重、采礦、運輸?shù)仍O備的普通齒輪，可選用20CrMo鋼和20CrMnTi鋼等；對承受重載及尺寸較大的工件，如大型軋鋼機減速器齒輪、大型錐齒輪、坦克齒輪等，可選用12Cr2Ni4A鋼或18Cr2Ni4WA鋼等。

還可以根據(jù)淬透性不同，可將滲碳鋼分為三類：

①低淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20、20Cr等，其淬透性和心部強度均較低，水中臨界直徑不超過20~35mm。只適用于制造受沖擊載荷較小的耐磨件，如小軸、小齒輪、活塞銷等。

②中淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20CrMnTi等，其淬透性較高，油中臨界直徑約為25~60mm，力學性能和工藝性能良好，大量用于制造承受高速中載、抗沖擊和耐磨損的零件，如汽車、拖拉機的變速齒輪、離合器軸等。

③高淬透性滲碳鋼：典型鋼種如18Cr2Ni4WA等，其油中臨界直徑大于100mm，且具有良好的韌性，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機、坦克的曲軸和齒輪等。

真空滲碳是世界最先進的熱處理手段之一，也是近年發(fā)展較快的熱處理新技術(shù)。與傳統(tǒng)滲碳方法相比，真空滲碳可精確控制碳含量，使?jié)B碳產(chǎn)品具有更好的滲層均勻性和表面質(zhì)量，且具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車、機械、航空航天等領域。

爐溫均勻性及空爐升溫時間等指標是真空爐加熱性能的主要體現(xiàn)。這些指標主要由真空滲碳爐的核心部件加熱室的結(jié)構(gòu)所決定，其設計是否合理直接影響爐子的使用性能和產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

滲碳爐的熱源選擇有兩種形式。一種是燃料燃燒供熱方式，其中有燃油的，也有燃煤氣的;另一種是電熱式。

滲碳爐有間斷式和連續(xù)式兩種。選擇間斷式還是連續(xù)式要依據(jù)產(chǎn)量、品種、工件尺寸 形狀、滲碳層厚度、投資及管理費用等諸因素加以比較后才能確定。