第2章 渗碳工艺及其应用
2.1 概述
所谓渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900～950℃的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。它是金属材料最常见、应用最为广泛的一种化学热处理工艺。即渗碳是向金属表面层渗入碳原子的过程，其目的是使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高韧性。渗碳工艺广泛用于飞机、汽车和拖拉机等的机械零件，如齿轮、轴、凸轮轴等。
2.1.1 渗碳工艺特点及对渗碳层的技术要求
2.1.1.1 渗碳工艺的特点
渗碳是一种历史悠久、应用广泛的化学热处理工艺，它具有表2.1所列的特点。
表2.1 渗碳化学热处理工艺的特点
2.1.1.2 渗碳工艺的适用场合
对于在交变载荷、冲击载荷、较大接触应力和严重磨损条件下工作的机器零件，如齿轮、活塞销和凸轮轴等，要求工件表面具有很高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，而心部具有足够的强度和韧性，采用渗碳工艺可满足其性能要求。
2.1.1.3 对渗碳层的技术要求
对渗碳层的技术要求见表2.2。
表2.2 对渗碳层的技术要求
图2.1 表面碳浓度对钢的力学性能的影响
表2.3 表面碳浓度对20CrMnTi钢弯曲疲劳强度的影响
注：1kgf=9.81N。
图2.2 渗层深度和心部强度对零件承载能力的影响
图2.3 渗碳层深度对钢力学性能的影响
表2.4 各种齿轮渗碳层深度的推荐值
①m为齿轮模数。
表2.5 机床渗碳零件的渗碳层深度
2.1.2 渗碳层的测定
渗碳层的测定方法见表2.6。
表2.6 渗碳层的测定方法
表2.7 渗碳淬火试样进行渗层深度检查前的热处理规范
表2.8 20CrNi2MoA钢不同试样截面所得渗碳层深度与有效硬化层深度间关系
2.1.3 渗碳用钢及渗碳前的预备热处理
2.1.3.1 渗碳用钢
渗碳用钢的化学成分特点见表2.9。典型渗碳钢的特点及应用见表2.10。表2.11为不同条件下使用的各种低速重载及高速齿轮用渗碳钢。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途见表2.12。
表2.9 渗碳用钢的化学成分特点
表2.10 典型渗碳钢的特点及应用
表2.11 不同条件下使用的各种低速重载及高速齿轮用渗碳钢
2.1.3.2 渗碳钢中合金元素的主要作用
合金元素在渗碳钢中的主要作用，见表2.13。
表2.13 合金元素在渗碳钢中的主要作用
图2.4 沿钢的渗碳层深度的碳浓度分布
1—碳钢；2—以碳化物元素合金化的钢；3—以非碳化物元素合金化的钢
图2.5 925℃渗碳时合金元素对渗碳层深度影响
2.1.3.3 渗碳钢渗碳前的预备热处理
为改善钢的切削加工性，使其心部组织均匀，减少渗碳淬火后的变形，渗碳前钢坯应实施正火或正火+回火处理，以获得粒状或细片状珠光体（P）+少量铁素体（F）或索氏体（S）组织。常用渗碳钢的预备热处理工艺、显微组织和硬度见表2.14。
表2.14 常用渗碳钢的预备热处理工艺、显微组织和硬度
2.1.3.4 渗碳件的表面清理与防渗处理
工件渗碳之前应进行脱脂、除锈及除垢处理。通常采用质量分数为1.5%～3.0%的碳酸钠水溶液，也可用专用脱脂剂。若铁锈较重，可采用喷砂处理。清洗后应将工件充分干燥，不允许将水分带入渗碳炉。
工件非渗碳表面可采用增大加工余量法、镀铜法、涂料防渗法、紧密固定钢套及轴环保护，不允许渗碳部位等进行防渗处理。各种防渗处理方法的技术要求见表2.15～表2.17。
表2.15 非渗碳面预留加工余量（于渗碳后切除）
表2.16 防渗碳镀铜层厚度
表2.17 常用防渗碳涂料的组成及使用方法
2.1.4 渗碳介质与碳势控制
2.1.4.1 渗碳介质
常用渗碳剂的主要组成、特点及使用方法见表2.18。在渗碳过程中，按介质作用的不同又可分为渗碳剂和稀释剂两种。几种常见渗碳剂分解后的产气量与产生炭黑的量见表2.19。
表2.18 常用渗碳剂的主要组成、特点及使用方法
表2.19 常见渗碳剂分解后的产气量与产生炭黑的量
2.1.4.2 常用渗碳剂简介
常用的几种渗碳剂及其特点见表2.20。
表2.20 常用渗碳剂及其特点
图2.6 煤油在不同温度热分解时烃类含量的变化
表2.21 气体渗碳时煤油分解气成分（%）
表2.22 苯的热分解气成分（%）
2.1.4.3 渗碳过程的化学平衡及炉气碳势控制
气体渗碳主要是依靠渗碳气氛中的CO及CH4在高温下分解出活性碳原子而实现的，温度、时间、渗碳剂的供给量对钢的渗碳质量有明显的影响，其渗碳过程分为供碳和吸碳两个方面。
液体渗碳剂滴入炉内，在高温下发生分解，其产物为CH4、不饱和烃类、CO、CO2、H2、O2及N2等。据报道，CH4的渗碳能力很强，CO较弱。在高温下氢的脱碳能力并不强，相反可延缓烃类的分解过程，阻止不饱和烃类的形成和炭的产生，从而保护钢的表面不被氧化。
由此可见氢通常作为稀释性保护气体，不渗入，只起稀释和保护作用，氧气与二氧化碳对工件有氧化作用，渗碳气氛中CO及CH4在高温下分解，其反应式为：
因此炉内混合气体的渗碳能力是气体各组成渗碳和脱碳的综合表现，随成分的变化，反应可以朝着不同的方向进行，当反应达到动态平衡时工件既不脱碳也不增碳，工件与炉气之间碳的交换处于相对平衡状态，这时工件表面的碳含量称为碳势。当炉气中的碳势高于工件表面的碳含量时发生渗碳反应，反之则发生脱碳反应。根据化学平衡原理，此时反应物与生成物的分压不变，其比值为一个常数，炉内混合气体发生增碳或脱碳反应取决于炉气中CO/（CO+CO2）和CH4/（CH4+H2）的比值，同时与钢种的碳含量有关。
碳势只取决于CO2和CH4的含量，炉内碳势主要因素为CO2，即碳含量与CO2含量呈反比关系，这可借助于CO-CO2-Fe和CH4-H2-Fe平衡图予以说明。
CO-CO2-Fe的平衡图见图2.7。从图中可知：①在abc线左面，CO2含量较高，Fe被氧化成FeO，不存在渗碳反应，abc线为氧化和还原分界线；②abed围成的区域为铁素体稳定区；③def右面是渗碳体的稳定区，由于CO含量较高，可在钢中直接形成渗碳体；④cbef线围成的区域为碳含量可变的奥氏体稳定区，此区域中各条曲线为碳含量不同的奥氏体渗碳和脱碳的平衡曲线。当温度一定时，CO的相对含量越高，奥氏体平均碳含量越高，即CO相对含量高的炉气具有高碳势，而当CO相对含量一定时，温度越高奥氏体的平均碳含量越低，易脱碳，表明有CO-CO2组成的炉气中，其渗碳能力随温度的升高而下降。
图2.7 CO-CO2-Fe的平衡图
CH4-H2-Fe平衡图见图2.8。图中SE与SP围成的区域为碳含量可变的奥氏体区，SP左面区域为铁素体的稳定区，SE右边区域为石墨与奥氏体共有区，该图分为三个区域，其分析方法同上。当CH4相对含量一定时，温度越高奥氏体的平均碳含量越高，即CH4-H2组成的炉气中其渗碳能力随温度的升高而增大。
图2.8 CH4-H2-Fe平衡图
CH4的活性远远大于CO。在900℃要使钢表面碳含量达0.8%，需95%以上CO，如用CH4则需要量不到1.5%。在实际生产中，多种气体混合在一起的作用十分复杂，其表面碳含量为各种气体渗碳和脱碳共同作用的结果。炉内的化学反应都没有达到平衡，只是趋于平衡，了解这些化学反应的平衡条件，为选择渗碳介质和控制工艺提供了理论基础。
2.1.5 渗碳后的热处理与渗碳层的组织、性能
2.1.5.1 渗碳后的热处理
对渗碳钢来说，要求表层硬度高、强度高、耐磨性好，而心部应有良好的韧性。只有通过渗碳得到表面和心部成分的差异，然后经恰当的热处理，才能强化表层，提高耐磨性，并获得具有良好韧性和一定强度的心部组织。渗碳后热处理的目的见表2.23。渗碳件热处理方法的选择及要求见表2.24。
表2.23 渗碳后热处理的目的
表2.24 渗碳件热处理方法的选择和要求
表2.25列出了零件渗碳后的冷却形式。根据工件的成分、形状和力学性能的要求，选择不同的热处理方式。渗碳后常用的几种热处理方法，可根据零件材料和性能要求来作恰当的选择，见表2.26。
表2.25 渗碳后常用的冷却方式与适用范围
表2.26 渗碳后常用热处理工艺的名称、特点及适用范围
图2.9 渗碳后直接淬火+低温回火
图2.10 渗碳后常用的热处理方法
图2.11 渗碳，高温回火，一次加热淬火，低温回火，淬火温度840～850℃
图2.12 二次淬火+冷处理+低温回火
图2.13 渗碳后感应加热淬火+低温回火
渗碳件的淬火处理，可在井式炉、箱式炉和盐浴炉中进行，为防止加热时氧化脱碳，在井式炉、箱式炉中应滴入煤油或通入保护气氛。盐浴炉脱氧充分，根据材料的成分、性能要求等不同，选用合理的淬火介质（油或盐水等）。对于形状复杂、有尖角和沟槽、厚度悬殊较大的工件，为防止开裂和变形，可采用分级淬火。采用上述方法，使渗碳后工件达到表面硬度高、心部韧性好的目的，在使用过程中发挥了良好作用，因此应用较广泛。
2.1.5.2 渗碳层的组织与性能
渗碳层的组织与性能见表2.27。表层及心部组织对渗碳件性能的影响见表2.28。
表2.27 渗碳层的组织与性能
图2.14 缓冷后渗碳层的金相组织（100×）
图2.15 10钢经渗碳、淬火、回火后表层、过渡区及心部的组织形貌（500×）
表2.28 表层及心部组织对渗碳件性能的影响
总之，渗碳件经热处理（淬火+低温回火）后，获得合适的组织结构，方能达到较高的力学性能要求。一般认为工件渗碳层表层组织为M回+K粒+Ar（少量），硬度56～64HRC；心部淬透时组织为低碳M回+F（少量），硬度30～45HRC（心部未淬透时，组织为F+P，硬度相当于10～15HRC）。渗碳层不允许出现网状碳化物，淬火后渗层中的Ar应在允许范围之内，应避免氧化脱碳和淬火变形；心部组织不允许有大块F存在。此时工件畸变最小。