渗碳

渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺。

基本信息

也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。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。

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。

分类

按含碳介质的不同﹐渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳﹑和碳氮共渗（氰化）。

气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。

固体渗碳是将工件和固体渗碳剂（木炭加促进剂组成）一起装在密闭的渗碳箱中，将箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一定时间，使活性碳原子渗人工件表面的一种最早的渗碳方法。

液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常用的液体渗碳介质有：碳化硅，“603”渗碳剂等。

碳氮共渗（氰化）又分为气体碳氮共渗　、液体碳氮共渗、固体碳氮共渗。

原理

渗碳与其他化学热处理一样﹐也包含3个基本过程。

①分解

渗碳介质的分解产生活性碳原子。

②吸附

活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使奥氏体中含碳量增加。

③扩散

表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差﹐表面的碳遂向内部扩散。碳在钢中的扩散速度主要取决于温度﹐同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。

渗碳零件的材料 一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小於0.25%)。渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为HRC30～42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。

工艺流程

直接淬火低温回火

组织及性能特点：不能细化钢的晶粒。工件淬火变形较大，合金钢渗碳件表面残余奥氏体量较多，表面硬度较低

适用范围：操作简单，成本低廉用来处理对变形和承受冲击载荷不大的零件，适用于气体渗碳和液体渗碳工艺。

预冷直接淬火、低温回火

氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。

适用范围：操作简单，工件氧化、脱碳及淬火变形均小，广泛应用于细晶粒钢制造的各种工具。

一次加热淬火 低温回火

淬火温度820-850℃或780-810℃ 。组织及性能特点：对心部强度要求较高者，采用820-850℃淬火，心部为低碳M，表面要求硬度高者，采用780-810℃淬火可以细化晶粒。

适用范围： 适用于固体渗碳后的碳钢和低合金钢工件、气体、液体渗碳的粗晶粒钢，某些渗碳后不宜直接淬火的工件及渗碳后需机械加工的零件。

4、 渗碳高温回火，一次加热淬火，低温回火

淬火温度840-860℃ 。组织及性能特点：高温回火使M和残余A分解，渗层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残余A减少。

适用范围：主要用于Cr—Ni合金渗碳工件

二次淬火低温回火

组织及性能特点：第一次淬火（或正火），可以消除渗碳层网状碳化物及细化心部组织（850-870℃），第二次淬火主要改善渗层组织，对心部性能要求不高时可在材料的Ac1—Ac3之间淬火，对心部性能要求高时要在Ac3以上淬火。

适用范围：主要用于对力学性能要求很高的重要渗碳件，特别是对粗晶粒钢。但在渗碳后需经过两次高温加热，使工件变形和氧化脱碳增加，热处理过程较复杂。

二次淬火冷处理低温回火

组织及性能特点：高于Ac1或Ac3（心部）的温度淬火，高合金表层残余A较多，经冷处理（-70℃/-80℃）促使A转变从而提高表面硬度和耐磨性。

适用范围：主要用于渗碳后不进行机械加工的高合金钢工件。

7、 渗碳后感应加热淬火低温回火

组织及性能特点：可以细化渗层及靠近渗层处的组织。淬火变形小，不允许硬化的部位不需预先防渗。

适用范围：各种齿轮和轴类

发展趋势

高合金钢，而且能够保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。因此，完全符合节能、降耗，可持续发展的方向。

近年来，出现了高浓度渗碳工艺，与传统工艺在完全奥氏体区（温度在900~950℃，渗碳后表面碳质量分数为0.85%~1.05%）进行渗碳不同，它是在Ac1～Accm之间的不均匀奥氏体状态下进行，其渗层表面碳浓度可高达2%～4%。其结果可获得细小颗粒碳化物均匀、弥散分布的渗层。其渗碳温度降至800℃～860℃温度范围，可实现一般钢材渗碳后直接淬火；由于高浓度渗碳层含有很高数量（20%～50%）的弥散分布的碳化物，故显示出比普通渗碳更优异的耐磨性、耐蚀性，更高的接触与弯曲疲劳强度，较高的冲击韧度、较低的脆性及较好的回火稳定性。该工艺还具有适用性广、对设备无特殊要求等优点，具有较高的经济效益和实用价值，近年来在国内外获得竞相研究与开发。

为了防止渗碳过程中奥氏体晶粒的粗化，一般都在钢材中添加适量的钛，通过形成碳氮化钛粒子钉扎晶界而阻止晶粒长大。国家标准规定渗碳钢中钛添加量为0.04～0.08wt%。然而，最近有研究工作表明，当钛含量超过0.032%，就会在渗碳钢冶炼铸锭凝固时析出氮化钛。这种氮化钛尺寸达到微米数量级，起不到阻止奥氏体晶粒长大的作用，反而由于这种呈立方体的粒子的尖角效应以及与基体组织的不连续性而成为微裂纹的策源地和裂纹扩展的中继站，严重损害钢材的韧塑性。工作还表明，将钛含量降至0.02～0.032%，仍然能够同样有效地起到控制奥氏体晶粒长大的作用，而又可避免有害氮化钛粒子的形成，因此是值得推荐的合理的选择范围。

常见缺陷

碳浓度过高

⒈产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。

⒉防止的方法

①不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。

②严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。

③固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用4—7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催渗剂。

碳浓度过低

⒈产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理想的碳浓度为0.9—1.0%之间，低于0.8%C，零件容易磨损。

⒉防止的方法：

①渗碳温度一般采用920—940℃，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。

②催渗剂(BaCO3)的用量不应低于4%。

渗碳后表面局部贫碳

⒈产生的原因及危害：固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳。

⒉防止的方法

①固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。

渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。

③却除表面的污物。

渗碳浓度加剧过渡

⒈产生的原因及危害：渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈(如新配制的木炭，旧渗碳剂加得很少)，同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。

⒉防止的方法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。用BaCO3作催渗剂较好，因为Na2CO3比较急剧。

磨加工时产生回火及裂纹

⒈产生的原因：渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都易产生此类缺陷。这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。

表面产生六角形裂纹。这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削，而发热所致。也与热处理回火不足，残余内应力过大有关。用酸浸蚀后，凡是有缺陷部位呈黑色，可与没有缺陷处区别开来。这是磨削时产生热量回火。使马使体转变为屈氏体组织的缘故。其实，裂纹在磨削后肉眼即可看见。

⒉防止的方法：

①淬火后必须经过充分回火或多次回火，消除内应力。

②采用40~60粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不过大。

③磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却

碳钢特点

(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25%范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30%碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等.

(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织.在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等.低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等.中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等.

固体渗碳 ;液体渗碳 ;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2%,层深为0.5--2.0mm.

渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料.渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现.渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火.淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织.低温回火温度为150--200C.

注意事项

(1)渗碳前的预处理正火--目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织,使表面粗糙度变细,消除材料流线不合理状态.正火工艺;用860--980C空冷、179--217HBS.

(2)渗碳后需进行机械加工的工件,硬度不应高于30HRC.

(3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件,薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工.

(4)不得用镀锌的方法防渗碳.