氣體滲碳

在實際生產中滲碳的方法較多，根據介質的不同狀態可分為固體滲碳、液體滲碳及氣體滲碳三種，應用最多的為氣體滲碳，它是在具有增碳氣氛的氣態活性介質中進行的滲碳工藝，是如今應用最廣泛、最成熟的滲碳方法。

滲碳件的各項性能與滲層的濃度分佈及組織結構有密切的關係，不同的零件服役條件各異，對性能的要求不一，通過試驗確定每一種零件各自最佳的滲層濃度分佈和滲層組織，就有可能大幅度提高滲碳零件的使用壽命。現代工業對零件性能的要求越來越高，這就要求在滲碳過程中實現精確的碳勢控制並做合理的滲後熱處理。 ^[1] 

氣體滲碳是工件高温下在氣體的活性介質中進行滲碳的過程。其最大優點是整個過程不但爐温可調（這在固體、膏體和液體滲碳時也能做到），而且滲碳過程中介質的碳勢（滲碳能力）易於調控（這是其他滲碳方法所不能）。所以，滲層碳濃度和組織可以調控，滲碳工件質量更有保證，是如今應用最廣的工藝。

氣體滲碳所用滲劑分兩大類：一是煤油、苯類、甲醇、乙醇和醋酸乙酯等液體有機物，將它們滴入爐中，裂解後可生成含有甲烷、CO等供碳組分的氣體。此法稱為滴注式氣體滲碳；另一是直接使用氣體，如吸熱式可控氣體、氮基可控氣體等。後者需要有氣源（天然氣、丙烷）供應，還要在特殊設備中不完全燃燒以產生吸熱式氣體。氮基氣體也需由製氧站供應，所以投資較大。 ^[2] 

無論用何種滲碳介質進行滲碳，它們都有分解、吸收、擴散三個基本過程。

1)滲碳介質的分解過程。分解就是活性介質在一定温度下，進行化學分解，析出活性原子（或離子）的過程。在氣體滲碳時，煤油在高温熱分解時產生甲烷，在鋼件的表面按如下反應分解出活性碳原子[C]。

化學介質分解的速度取決於化學介質的性質、數量、分解的温度、壓力以及有無催化劑等。

2)活性碳原子被金屬表面吸收的過程。吸收就是活性原子（或離子）與金屬原子產生鍵合而進入金屬表層的過程。吸收的方式可以是活性原子向鋼的固溶體中溶解或形成化合物。滲碳時，滲碳介質所分解的活性碳原子吸附在鋼件表面後，溶於奧氏體中並形成間隙固溶體。當碳濃度超過該温度下奧氏體飽和濃度時可形成金屬化合物（碳化物）。

吸收的強弱與活性介質的分解速度、滲入元素的性質、擴散速度、鋼件的成分及其表面狀態有關。

3)滲入元素的擴散過程。擴散就是被鋼件表面所吸收的活性原子（或離子）向鋼件深處遷移，以形成一定厚度的擴散層（即滲層）。

分解、吸收、擴散是各種化學熱處理所共有的基本過程，同樣適用於其他化學熱處理，例如滲氮、碳氮共滲、滲金屬等。 ^[3] 

主要工藝參數為滲碳温度、保温時間、爐氣換氣次數和碳勢選定與控制等。

1)滲碳温度。氣體滲碳温度一般為880～930℃。較低的滲碳温度有利於減少滲碳工件變形和滲碳深度與滲碳濃度控制；較高的滲碳温度，可以加快滲碳速度，縮短滲碳週期，節約能源。但滲碳温度過高容易使碳化物呈網狀，並使晶粒長大，降低力學性能。

2)保温時間。氣體滲碳保温時間主要取決於滲碳温度和要求滲碳層的厚度。當温度一定時，滲層深度艿與保温時間t的平方根成正比，即

式中D——擴散係數；

K——常數，均須由試驗確定。

計算出的滲碳時間只能供操作參考。在滲碳時，應隨工件裝入若干試樣。定時抽取試樣檢測滲碳層深度和滲層的碳質量分數，並與技術要求指標進行比較，以確定出爐時間。

3)爐氣換氣次數。爐內滲碳氣氛要不斷更換，以保持爐氣的活性。換氣次數等於單位時間送入爐內滲碳氣體的量除以爐膛的容積。換氣次數多，爐氣活性大，但是滲碳劑量和電耗增大。通常爐氣的換氣次數≥2，同時要保證爐內氣壓為正壓，以防止爐外空氣竄入爐內，破壞滲碳氣氛。

4)碳勢選定與控制。滲碳過程中，爐氣碳勢高，則滲碳工件表面碳的質量分數高，碳濃度梯度大，因而可以提高滲碳速度。但是，過高的碳勢會導致在滲層出現網狀碳化物，使滲層的脆性增大。為此，在滲碳工藝上採用分段控制碳勢的工藝方法。將滲碳時間分為兩段：第一階段採用較高的碳勢進行強滲，稱為強滲期；第二階段採用較低的碳勢，以降低滲層表面含碳量並增加滲層深度，稱為擴散期。 ^[3] 

氣體滲碳的主要優點如下：

(1)氣氛的配比基本穩定在一個範圍內，並可實現氣氛控制，產品質量容易控制。

(2)滲碳速度較快（0.2mm/h），生產週期短，約為固體滲碳時間的1/2。

(3)適用於大批量生產，既適用於貫通式連續作業爐（如振底式、旋轉罐式、輸送帶式、推杆式、轉底式等），又適用於週期式滲碳爐（如井式、卧式和旋轉罐式），可實現連續生產及滲碳作業的機械化和自動化。

(4)勞動條件好，工件不需裝箱可直接加熱，大大提高了勞動生產率和減輕勞動強度。 ^[1]