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carbonization
简介
将钢件置于提供活性炭原子的介质中，加热至临界点Ac3以上保温，使碳渗入钢件表层的化学热处理工艺。按渗剂物态可区分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。按渗碳层深度(δc)可区分为常规渗碳(1mm<δ≤2.5mm)、浅层渗碳(δc≤1mm)和深层渗碳(δc>2.5mm)，以气体渗碳为基础开发的真空渗碳、离子渗碳新工艺应用渐趋广泛。
基本原理 钢的渗碳大致分3个过程。这3个过程持续、交替发生，其主要影响因素有温度、时间、介质的碳势和钢的化学成分。
(1)渗碳剂热分解，提供活性炭原子[C]。以固体渗碳为例，渗剂是木炭和碳酸钡时，在渗碳温度有BaCO3→BaO+CO2、CO2+C⇌2CO两个化学反应。以丙酮为滴注剂进行气体渗碳则有CH3COCH3→2[C]+CO+3H2热分解反应。
(2)以吸附为主的相界面反应。活性炭原子和一氧化碳均可被钢件表面吸附，同时伴随有钢对化学反应的催化和反应产物的扩散。一氧化碳在钢件表面产生2CO⇌[C]+CO2反应，[C]渗入钢表层，CO2则通过扩散离开零件表面并继续与供碳剂发生化学反应。
(3)碳在钢中的扩散。处于奥氏体状态的钢件表面薄层渗入的碳原子向内部扩散，当奥氏体中的碳浓度超过渗碳温度对应的钢中饱和碳浓度时，将析出渗碳体(Fe3C)。对于含有铬、钛、钼等碳化物形成元素的合金钢工件，还有Cr7C3、TiC、Mo2C等碳化物析出。
介质 固体渗碳采用木炭或焦炭(粒)为供碳剂;碳酸钡、碳酸钾、碳酸钠、氯化钠、醋酸钠等为催渗剂，其中应用最多的是碳酸钡。液体渗碳采用中性盐氯化钠等为载体，氰化钠(8%～20%)为供碳剂;也有采用低氰盐(氰化物含量低于5%)的，称为Durofor-Cecon-tral渗碳剂;无氰盐浴渗碳尚待开发。气体渗碳介质有连续供气和滴注含碳有机化合物两大类。前者以放热式或吸热式气体为载气，分别用丙烷、甲烷或一氧化碳为供碳的富化气，适用于大批量产品的连续式渗碳;后者分别用甲醇、乙醇、煤油、丙酮、异丙醇、乙酸乙酯等其中的1～2种为滴注剂，适用于周期作业。
用钢 渗碳件通常采用碳含量为0.07～0.25%的碳素钢或含有铬、钼、钛、锰、钒等其中1～3种碳化物形成元素的合金钢。除薄壁冲压件须用含碳低于0.2%的钢以减少形变抗力和少数要求心部具有较高强度的工件需用碳含量为0.25%～0.40%的合金钢外，绝大多数渗碳件均采用0.15%～025%碳的钢种。常用的渗碳钢牌号、主要性能特征及用途列于表1，包括两组碳素渗碳钢，3组合金钢，分别用于五大类工业零部件，表中力学性能符号是：δ—延伸率;ψ—断面收缩率;σb—强度极限;aK—冲击韧性，这些均指渗碳-淬火处理之后的工件心部性能值。
表1 常用渗碳钢牌号、性能特征及用途
| 类 别 | 牌 号 | 主要特点 | 用 途 |
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碳素钢 Ⅰ |
08，08Al，10 15，12Mn |
含碳量低，塑性优良， δ≥12%，≥55%，变形抗力小 |
链片，米筛等薄壁冲压件 |
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碳素钢 Ⅱ |
20，20Mn， 20MnB，A1，A2 A3，B1，B2，B3 |
塑性、韧性较好，强度能满足承受较 低载荷工件的要求 |
在磨损条件下工作的低载轴，链轮， 蜗杆，活塞销等 |
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合金钢 Ⅰ |
20Cr，20CrMo， 20CrMnTi，20CrV 20CrNi，18CrNiWA 20CrMnMo |
强度，塑性与韧性适中，σb约800～ 1000MPa，δ≥10%，≥45%，ak≥ 60J/cm2，可承受较大载荷 |
在磨损条件下工作并承受中等载荷 的齿轮，凸轮轴，轴套等 |
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合金钢 Ⅱ |
12CrNi3A 15Cr2Ni2Mn2TiA 18Cr2Ni4WA 15CrMnNiWA |
强度高，韧性好，σb为 900～ 1100MPa，ak≥80J/cm2，可承受重载 并抗冲击 |
在承受冲击，磨损等条件下的重载齿 轮，装甲钢板等 |
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合金钢 Ⅲ |
25Cr2MnNiTiA 30CrNi3A 30CrMnTi 35CrMoVA 30CrMnSi |
强度高，σb为1000～1200MPa，韧性 亦佳，淬透性和淬硬性好，心部强韧， 可承受重载 |
在磨损、冲击工况下承受重载的大模 数齿轮和轴 |
影响渗碳速率的因素 影响渗碳速率的主要因素有温度、保温时间、气氛碳势、渗碳钢中合金元素的品种和含量，以及要求获得的渗层深度。多种书刊引用的和基于统计规律导出的预测渗碳层厚度的经验公式为：
式中δc为渗碳层深度，mm;T为渗碳温度，K;t为保温时间，h。
温度的影响最大，常用渗碳温度的层深与保温时间的关系可简化为：
要求获得不同深度的渗碳层时，平均渗碳速率的差别甚大。表2列出要求建立不同深度渗层时气体渗碳的平均速率。
表2 要求建立不同深度渗层时气体渗碳的平均速率
|
渗碳层深度范围 /mm |
不同渗碳温度(℃)时的平均渗碳速率/mm·h-1 | ||||||
| 850 | 875 | 900 | 925 | 950 | 975 | 1000 | |
| <0.5 | 0.35 | 0.40 | 0.45 | 0.55 | 0.75 | – | – |
|
0.5～1.0 1.0～1.5 1.5～2.0 2.0～2.5 |
0.16 0.10 0.06 0.04 |
0.20 0.15 0.10 0.07 |
0.30 0.20 0.15 0.12 |
0.40 0.30 0.20 0.15 |
0.55 0.40 0.25 0.20 |
0.85 0.55 0.38 0.32 |
0.96 0.75 0.55 0.40 |
|
2.5～3.0 3.0～3.5 3.5～4.0 |
– – – |
– – – |
0.10 0.07 0.04 |
0.13 0.10 0.06 |
0.18 0.16 0.12 |
0.28 0.21 0.18 |
0.35 0.27 0.25 |
钢中含铬1%左右、铝0.30%以下有提高渗碳速率的倾向。含钒、钛、钨等强碳化物形成元素的钢不宜采用高碳势渗剂，以免迅速形成含大量稳定碳化物的过共析层而阻碍渗碳、降低渗碳速率。
操作要点 在高质量前提下求得高效率和低成本的要点为：(1)基于品种、规格、批量等因素，选定渗碳介质与作业模式(连续式或周期式)。(2)为获得合理的渗层碳浓度分布以提高质量并提高渗碳速率，气体渗碳前期碳势可提高到1.2%～1.5%(以不出现碳黑为度)，后期则降至0.9%～1.1%。碳势分别用氧位仪、红外仪或露点仪控制(见控制气氛热处理)。(3)非渗碳面可用镀铜或涂防渗涂料防止渗碳和淬硬，此法对气体和固体渗碳有效。(4)采用不同方法渗碳时，分别通过调控载气与富化气比例、滴量、氰盐等渗碳剂用量及木炭中催渗剂量来调整碳势。(5)优选淬火、回火工艺参数，使渗碳件外硬内韧、耐磨、抗疲劳。
渗碳层的组织与性能 渗碳后缓冷的试样，由表及里依次为过共析、共析和亚共析的过渡层。渗碳、淬火并低温回火后通常在表层有细粒状碳化物分布于细针状马氏体中，其下依次为高碳回火马氏体、低碳回火马氏体。合金元素(如镍)含量较高时，马氏体基体中有残余奥氏体存在。残余奥氏体含量不超过20%时对淬硬性影响微小;由于其塑性较高，可起到延缓微裂纹扩展，提高接触疲劳强度的作用。
渗碳、淬火并低温回火后表层硬度可达HRC58～63(HV660～810)，耐磨性显著提高;不同钢种的强度极限σb为700～1150MPa，屈服极限σs约为500～900MPa，冲击韧性ak值为60～100J/cm2。强韧性良好，疲劳强度较高。若对抗疲劳性能要求高且承受重载，则须以心部屈服强度高为前提。几种钢渗碳、淬火后的最低力学性能列于表3。
表3 几种常用钢渗碳、淬火、低温回火态的最低力学性能指标
| 钢 号 | σb/MPa | σs/MPa | δ/% | /% | aK/J·cm-2 |
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20Cr 20Cr3 12CrNi3A 12Cr2Ni4A 20Cr2Ni4A 12Cr2Ni3MoA 18CrNiWA 18CrMnMo 18CrMnTi |
800 1100 950 1100 1200 1000 1150 1100 1000 |
600 900 700 850 1100 800 850 900 800 |
10 7.5 12 10 9 9 11 10 9 |
45 40 50 50 45 50 45 50 50 |
60 60 120 120 70 90 100 90 80 |
展望 高温渗碳、稀土催渗和600℃以下低温化学热处理新工艺的开发与应用，将促进传统渗碳工艺发生重大变革。薄壁冲压件仍将沿用现行的浅层渗碳工艺;但轻载齿轮等切削成形浅层渗碳件将大半改用中碳钢，调质后加工至成品进行氮碳共渗或硫氮碳共渗，不仅减少工序、节约电能、降低成本，而且变形微小、质量稳定。深层渗碳将基本上改用高温(1000～1050℃)离子渗碳或高温真空渗碳，并同炉实现循环加热、细化晶粒淬火。大模数重载齿轮要求渗碳层深5mm时，常规气体渗碳、重新加热淬火的热处理周期长达110h以上;采用1050℃±10℃离子渗碳、同炉淬火只需30h左右，可节能50%左右，降低成本1/3以上。常规渗碳件的气体渗碳(尤其滴注式)必将逐步普及稀土催渗以提高渗速，可降低渗碳温度以减少变形，或缩短时间20%～30%。
适用于多品种、小批量、直接淬火的盐浴渗碳，亟待开发不含氰化物的渗剂。
钛、锆及其合金于900～1300℃渗碳，可形成硬度很高，与基体呈冶金结合的碳化物薄层，具有优异的耐磨及耐蚀性，应用前景可观。