滲(shen)(shen)(shen)碳是目(mu)前機(ji)械工(gong)業中應用最廣泛的一(yi)種化(hua)學熱處理方法。其(qi)工(gong)藝(yi)特點是將低(di)碳鋼(gang)或低(di)碳合金(jin)鋼(gang)零(ling)件(jian)在增碳的活性介質(zhi)（滲(shen)(shen)(shen)碳劑）中加(jia)熱到900～930℃，使碳原子(zi)滲(shen)(shen)(shen)入表面層，繼之以淬火并低(di)溫(wen)回(hui)火，使零(ling)件(jian)表層與心部(bu)具有不同(tong)的成分、組織和性能。滲(shen)(shen)(shen)碳可(ke)(ke)分為固體滲(shen)(shen)(shen)碳、液體滲(shen)(shen)(shen)碳和氣體滲(shen)(shen)(shen)碳。近期(qi)又發展了真(zhen)空滲(shen)(shen)(shen)碳、可(ke)(ke)控(kong)氣氛滲(shen)(shen)(shen)碳及等離子(zi)滲(shen)(shen)(shen)碳等。
一、滲碳的基本過程
根(gen)據滲碳(tan)介質狀(zhuang)態的不同(tong)，可以分為氣體(ti)滲碳(tan)、固(gu)體(ti)滲碳(tan)和液(ye)體(ti)滲碳(tan)。但無論采(cai)用(yong)何種(zhong)滲碳(tan)介質，都包括(kuo)分解、吸(xi)收和擴散三個基本過程。
1. 滲碳(tan)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(huo)性碳原(yuan)子被金屬表(biao)面吸收的過程
吸(xi)收就是活(huo)性(xing)(xing)(xing)原子(zi)(zi)（或離子(zi)(zi)）與金(jin)屬原子(zi)(zi)產生鍵合(he)(he)而(er)進(jin)入(ru)金(jin)屬表層的(de)過程。吸(xi)收的(de)方式(shi)可以是活(huo)性(xing)(xing)(xing)原子(zi)(zi)向鋼的(de)固溶體中(zhong)溶解或形(xing)成(cheng)(cheng)化(hua)合(he)(he)物。滲碳(tan)(tan)時(shi)，滲碳(tan)(tan)介(jie)(jie)質所分(fen)解的(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)碳(tan)(tan)原子(zi)(zi)吸(xi)附在(zai)鋼件表面后，溶入(ru)奧氏體中(zhong)并形(xing)成(cheng)(cheng)間隙固溶體。當(dang)碳(tan)(tan)濃度(du)超(chao)過該溫度(du)下奧氏體的(de)飽(bao)和濃度(du)時(shi)，可形(xing)成(cheng)(cheng)化(hua)合(he)(he)物（碳(tan)(tan)化(hua)物）。吸(xi)收的(de)強弱，與活(huo)性(xing)(xing)(xing)介(jie)(jie)質的(de)分(fen)解速(su)度(du)、滲入(ru)元素的(de)性(xing)(xing)(xing)質、擴散速(su)度(du)、鋼件的(de)成(cheng)(cheng)分(fen)及(ji)表面狀(zhuang)態有(you)關。
3. 滲入(ru)元素(su)的擴散過(guo)程
擴散，就是被鋼(gang)件表面所吸收的活性原子(zi)（或離子(zi)）向鋼(gang)深處的遷移(yi)，以形(xing)成(cheng)一定厚度的擴散層（即滲(shen)(shen)層）。分解(jie)、吸收、擴散是各(ge)種(zhong)化學熱處理所共有的基本過程，同樣適用(yong)于(yu)其他化學熱處理，例如(ru)滲(shen)(shen)氮、碳(tan)氮共滲(shen)(shen)、滲(shen)(shen)硫、滲(shen)(shen)硼及(ji)滲(shen)(shen)金屬等(deng)。
二、氣體(ti)滲碳工藝操作
本工藝(yi)為某廠氣體滲碳(tan)工藝(yi)規范，適(shi)用于低(di)碳(tan)鋼和(he)低(di)碳(tan)合(he)金鋼制造的(de)零件，其滲層深(shen)度要求1.1～1.3mm，滲碳(tan)劑為煤油。
如圖(tu)3-11所示，滲(shen)碳過程一般由排氣、強烈滲(shen)碳、擴散和(he)降溫(wen)4個階段組(zu)成(cheng)。
1. 排(pai)氣
滲(shen)碳零件裝(zhuang)入滲(shen)碳爐(lu)后必將引起(qi)爐(lu)溫降低，同時帶(dai)入大量(liang)(liang)(liang)空(kong)(kong)氣(qi)。排(pai)氣(qi)的(de)作用在(zai)于恢復爐(lu)溫到規定的(de)溫度(du)，并盡量(liang)(liang)(liang)排(pai)除(chu)爐(lu)內空(kong)(kong)氣(qi)。通常采取加大滲(shen)劑流量(liang)(liang)(liang)以使(shi)爐(lu)內氧化性氣(qi)氛迅速(su)減少。排(pai)氣(qi)時間往往在(zai)儀表溫度(du)達(da)到滲(shen)碳要(yao)求的(de)溫度(du)后再延長30～60min，以使(shi)爐(lu)氣(qi)成(cheng)分達(da)到要(yao)求，并使(shi)爐(lu)內溫度(du)均勻及工件燒透(tou)。排(pai)氣(qi)不好會造成(cheng)滲(shen)碳質量(liang)(liang)(liang)降低和滲(shen)碳速(su)度(du)減慢。
2. 強烈滲碳
排氣(qi)階(jie)段(duan)結束后(hou)(hou)，即進入強(qiang)烈滲(shen)碳(tan)(tan)階(jie)段(duan)。其特點是滲(shen)碳(tan)(tan)劑滴量較(jiao)多或氣(qi)氛較(jiao)濃(nong)，使工(gong)件(jian)表(biao)(biao)面的(de)(de)碳(tan)(tan)濃(nong)度高于最后(hou)(hou)的(de)(de)技(ji)術(shu)要求(qiu)，增大表(biao)(biao)面的(de)(de)碳(tan)(tan)濃(nong)度梯度可以提高滲(shen)碳(tan)(tan)速度。強(qiang)烈滲(shen)碳(tan)(tan)時(shi)間主要取(qu)決于滲(shen)碳(tan)(tan)零(ling)件(jian)滲(shen)碳(tan)(tan)層的(de)(de)要求(qiu)。
3. 擴散
滲(shen)碳(tan)進入擴(kuo)散階段(duan)是以減少(shao)滲(shen)碳(tan)劑滴量(liang)或(huo)濃度(du)為標(biao)志的(de)。此時(shi)爐內(nei)滲(shen)碳(tan)能(neng)力降低，工件(jian)表層(ceng)(ceng)過剩的(de)碳(tan)繼續(xu)向內(nei)部擴(kuo)散，最后得到符(fu)合要求的(de)滲(shen)層(ceng)(ceng)深(shen)度(du)及(ji)合適(shi)的(de)碳(tan)濃度(du)分(fen)布。擴(kuo)散階段(duan)所需時(shi)間由中間試棒的(de)滲(shen)碳(tan)層(ceng)(ceng)深(shen)度(du)確(que)定。
4. 降溫
對于可(ke)直接淬(cui)(cui)火的(de)零(ling)件(jian)應隨(sui)爐冷至適宜(yi)的(de)淬(cui)(cui)火溫度(du)（一般在840～860℃），并保溫20～30min，使零(ling)件(jian)內外溫度(du)均勻后出(chu)爐淬(cui)(cui)火；對于需要(yao)重(zhong)新加熱淬(cui)(cui)火的(de)滲(shen)碳(tan)零(ling)件(jian)，可(ke)自滲(shen)碳(tan)溫度(du)出(chu)爐放入緩冷罐中。
三、氣體滲(shen)碳操作(zuo)要點
為了保證滲碳質量，滲碳零件(jian)在進入滲碳爐前應清除表(biao)面(mian)污垢、鐵銹及油脂(zhi)等。常用(yong)熱水或(huo)含Na2CO3的水溶(rong)液清洗介質，對銹蝕工件(jian)可采用(yong)噴砂清理。
零(ling)件裝(zhuang)在料筐或掛具上，彼此(ci)間應留出50～10mm的間隙，以保證滲碳介質能與零(ling)件充分接觸和循(xun)環流通(tong)。
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，對新滲(shen)碳(tan)罐、新的工(gong)夾(jia)具(ju)應(ying)預(yu)先滲(shen)碳(tan)。在(zai)正(zheng)常生產情況，停爐(lu)較長再開爐(lu)升溫時也應(ying)進行爐(lu)腔滲(shen)碳(tan)。
四、滲(shen)碳零件的熱(re)處(chu)理
滲(shen)碳(tan)只(zhi)能改變零(ling)件的(de)(de)(de)表面(mian)化學(xue)成分，而零(ling)件表面(mian)的(de)(de)(de)最終強化則必(bi)須經過適當的(de)(de)(de)熱處(chu)(chu)理。通過熱處(chu)(chu)理可(ke)使(shi)零(ling)件的(de)(de)(de)高碳(tan)表層(ceng)獲(huo)得細小的(de)(de)(de)馬氏體(ti)，而零(ling)件的(de)(de)(de)心部由低碳(tan)馬氏體(ti)、托氏體(ti)、索氏體(ti)等組(zu)織所組(zu)成。滲(shen)碳(tan)后可(ke)采用不(bu)同的(de)(de)(de)熱處(chu)(chu)理方(fang)法：直(zhi)接淬火(huo)、一(yi)次淬火(huo)及二次淬火(huo)，淬火(huo)后必(bi)須進行(xing)低溫回火(huo)。
1. 直接淬火
直接淬(cui)火(huo)(huo)是(shi)指工件(jian)滲碳后隨爐降溫到高(gao)于Ar1或Ar3溫度（760～850℃），然后直接淬(cui)火(huo)(huo)的方法，淬(cui)火(huo)(huo)后在150～200℃回火(huo)(huo)2～3h。
隨爐降溫或出爐預冷(leng)的(de)目的(de)是為了減(jian)少淬火(huo)(huo)內應力(li)，從而(er)(er)減(jian)小工件的(de)變形。同時(shi)，還可使高碳(tan)的(de)奧氏體(ti)析出一部分碳(tan)化物，降低奧氏體(ti)的(de)碳(tan)濃(nong)度(du)，從而(er)(er)減(jian)少淬火(huo)(huo)后(hou)殘(can)留(liu)的(de)奧氏體(ti)，使零件表面獲(huo)得較(jiao)高的(de)硬度(du)。
直(zhi)接淬火(huo)的優點(dian)是(shi)：減(jian)少(shao)了加熱(re)和冷卻的次數，使操作簡化(hua)，生(sheng)產效率提高，還可減(jian)少(shao)淬火(huo)變(bian)形及表面(mian)氧化(hua)、脫碳(tan)傾向。直(zhi)接淬火(huo)適(shi)用于低碳(tan)合(he)金鋼等本質細晶粒鋼，不適(shi)用于本質粗晶粒鋼及滲碳(tan)時表面(mian)碳(tan)濃度高的零件。
2. 一次(ci)淬火
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(huo)
對(dui)本質粗晶粒(li)鋼或使用性能要(yao)求很高(gao)的零(ling)件，要(yao)采用二次(ci)(ci)火(huo)(huo)(huo)，或一(yi)次(ci)(ci)正(zheng)火(huo)(huo)(huo)加一(yi)次(ci)(ci)淬(cui)火(huo)(huo)(huo)，以保證(zheng)滲碳零(ling)件的心部和滲層都達到高(gao)的性能要(yao)求。第一(yi)次(ci)(ci)淬(cui)火(huo)(huo)(huo)（或正(zheng)火(huo)(huo)(huo)）溫度，碳鋼為(wei)880～900℃，合(he)金鋼為(wei)850～870℃，目的是細化心部組織，并消除表面(mian)網狀碳化物。第二次(ci)(ci)淬(cui)火(huo)(huo)(huo)溫度則要(yao)根據高(gao)碳的表層來決定(ding)，一(yi)般選擇稍高(gao)于Ac1的溫度（770～820℃）。
二次淬(cui)火(huo)，有(you)可(ke)能出(chu)現較(jiao)大的淬(cui)火(huo)缺陷，工藝較(jiao)復雜，生產周期長，故(gu)僅用(yong)于表面(mian)耐磨性(xing)、疲勞強度和心部韌(ren)性(xing)等要(yao)求較(jiao)高的重載荷零件(jian)。
