定義
滲碳是對金屬表面處理的一種，采用滲碳的多爲低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質中,加熱到900　　950攝氏度的單相奧氏體區,保溫足夠時間後,使滲碳介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層,從而獲得表層高碳,心部仍保持原有成分.
相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。


簡介



滲碳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爲低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25％)。滲碳後﹐鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳後還要經過淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度﹐並保持心部有低碳鋼淬火後的強韌性﹐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滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀出現並得到廣泛應用的。美國在20年代開始采用轉筒爐進行氣體滲碳。30年代﹐連續式氣體滲碳爐開始在工業上應用。60年代高溫(960～1100℃)氣體滲碳得到發展。至70年代﹐出現了真空滲碳和離子滲碳。


原理



滲碳與其他化學熱處理一樣﹐也包含3個基本過程。
　　

①分解：滲碳介質的分解産生活性碳原子。
　　

②吸附：活性碳原子被鋼件表面吸收後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濃度差﹐表面的碳遂向內部擴散。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％)。滲碳後必須進行淬火才能充分發揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火後的表層顯微組織主要爲高硬度的馬氏體加上殘余奧氏體和少量碳化物﹐心部組織爲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。一般滲碳層深度範圍爲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﹐心部硬度爲HRC30～42。滲碳淬火後﹐工件表面産生壓縮內應力﹐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﹐借以延長零件的使用壽命。


分類


　　按含碳介質的不同﹐滲碳可分爲固體滲碳﹑液體滲碳﹑氣體滲碳和碳氮共滲。
滲碳工藝
　　1、
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
　　


適用範圍：
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。
　　

2
、
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。
　　


適用範圍：
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。
　　

3、
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，心部爲低碳M，表面要求硬度高者，采用780　810℃淬火可以細化晶粒。
　　適用範圍：
適用于固體滲碳後的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，某些滲碳後不宜直接淬火的工件及滲碳後需機械加工的零件。
　　

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後殘余A減少。
　　適用範圍：
主要用于Cr—Ni合金滲碳工件
　　

5、
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。
　　


適用範圍：
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。但在滲碳後需經過兩次高溫加熱，使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過程較複雜。
　　

6、
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，經冷處理（　70℃/　80℃）促使A轉變從而提高表面硬度和耐磨性。
　　


適用範圍：
主要用于滲碳後不進行機械加工的高合金鋼工件。
　　

7、
滲碳後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。
　　


適用範圍：
各種齒輪和軸類


滲碳工藝新發展

　　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滲碳。在20世紀出現液體和氣體滲碳並得到廣泛應用。後來又出現了真空滲碳和離子滲碳。到現在，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複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後的強韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。因此，完全符合節能、降耗，可持續發展的方向。
　　


近年來，出現了高濃度滲碳工藝，與傳統工藝在完全奧氏體區（溫度在900~950℃，滲碳後表面碳質量分數爲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下進行，其滲層表面碳濃度可高達2％～4％。其結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℃溫度範圍，可實現一般鋼材滲碳後直接淬火；由于高濃度滲碳層含有很高數量（20％～50％）的彌散分布的碳化物，故顯示出比普通滲碳更優異的耐磨性、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定性。該工藝還具有適用性廣、對設備無特殊要求等優點，具有較高的經濟效益和實用價值，近年來在國內外獲得競相研究與開發。
　　


爲了防止滲碳過程中奧氏體晶粒的粗化，一般都在鋼材中添加適量的钛，通過形成碳氮化钛粒子釘紮晶界而阻止晶粒長大。國家標准規定滲碳鋼中钛添加量爲0.04～0.08wt%。然而，最近有研究工作表明，當钛含量超過0.032%，就會在滲碳鋼冶煉鑄錠凝固時析出氮化钛。這種氮化钛尺寸達到微米數量級，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性而成爲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，將钛含量降至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钛粒子的形成，因此是值得推薦的合理的選擇範圍

　　(一)碳濃度過高
　

⒈産生原因及危害：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象。隨著碳濃度過高，工件表面出現塊狀粗大的碳化物或網狀碳化物。由于這種硬脆組織産生，使滲碳層的韌性急劇下降。並且淬火時形成高碳馬氏體，在磨削時容易出現磨削裂紋。
　　

⒉防止的方法
　　


①不能急劇加熱，需采用適當的加熱溫度，不使鋼的晶粒長大爲好。如果滲碳時晶粒粗大，則應在滲碳後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。
　　

(二)碳濃度過低
　　

⒈産生的原因及危害：溫度波動很大或催滲劑過少都會引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度爲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%。
　　

(三)滲碳後表面局部貧碳：
　　

⒈産生的原因及危害：固體滲碳時，木炭顆粒過大或夾雜有石塊等雜質，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。工件表面的汙物也可以引起貧碳。
　　

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，勿使滲碳過塌而使工件接觸。
　

　
③卻除表面的汙物。
　　

(四)滲碳濃度加劇過渡
　　

⒈産生的原因及危害：


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。産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，並無過渡層。産生此缺陷後造成表裏相當大的內應力，在淬火過程中或磨削過程中産生裂紋或剝落現象。
　　

⒉防止的方法：

滲碳劑新舊按規定配比制，使滲碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因爲Na2CO3比較急劇。
　　

(五)磨加工時産生回火及裂紋
　　

⒈産生的原因：


滲碳層經磨削加工後表面引起軟化的現象，稱之爲磨加工産生的回火。這是由于磨削時加工進給量太快，砂輪硬度和粒度或轉速選擇不當，或磨削過程中冷卻不充分，都易産生此類缺陷。這是因爲磨削時的熱量使表面軟化的緣故。磨削時産生回火缺陷則零件耐磨性降低。
　　

表面産生六角形裂紋。這是因爲用硬質砂輪表面受到過份磨削，而發熱所致。也與熱處理回火不足，殘余內應力過大有關。用酸浸蝕後，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒有缺陷處區別開來。這是磨削時産生熱量回火。使馬使體轉變爲屈氏體組織的緣故。其實，裂紋在磨削後肉眼即可看見。
　　

⒉防止的方法：
　　


①淬火後必須經過充分回火或多次回火，消除內應力。
　

　②采用40~60粒度的軟質或中質氧化鋁砂輪，磨削進給量不過大。
　

　③磨削時先開冷卻液，並注意磨削過程中的充分冷卻[2]