2.3　固体、液体与其他渗碳工艺及应用

2.3.1　固体渗碳工艺及应用

固体渗碳就是将工件放在填充粒状渗碳剂的密封箱中进行的渗碳［见图2.61（a）］。其工艺曲线见图2.61（b）。将装有工件的渗碳箱置于热处理炉中加热，待炉温升到奥氏体状态800～850℃，经保温使渗碳箱透烧，再继续加热至渗碳温度900～950℃，保温一定时间后，使工件表面增碳，然后取出工件淬火或空冷后再重新加热淬火。固体渗碳的优缺点及注意事项见表2.87。

2.3.1.1　固体渗碳剂

（1）固体渗碳剂的组成　主要由两类物质均匀混合而成，详见表2.88。

（2）固体渗碳剂应具备的条件　固体渗碳剂应具备的条件见表2.89。表2.90列出了常见固体渗碳剂，由国内许多热处理工艺材料厂生产，以供应市场。

（3）固体渗碳剂配制时的注意事项　渗碳剂的配制和装箱方法是保证固体渗碳质量的重要环节，在配制和使用固体渗碳剂时，注意事项见表2.91。

（4）渗碳剂的配制方法　首先将已称好并经过筛选的木炭倒入水中搅拌。此时沙子、玻璃碴子等杂物都沉入水底，然后将木炭捞出，趁半干半湿状态将预先按比例配制好的碳酸钡用水稀释后均匀地洒在木炭上，经机械混合均匀，碳酸钡便非常牢固、均匀地吸附在木炭上。再经烧干或晒干后，含水量小于5%即可使用。

（5）固体渗碳剂应用举例　见表2.92。

2.3.1.2　常用的固体渗碳工艺

如图2.62所示，分段渗碳是基于克服一般渗碳温度高，钢的晶粒较粗大，而且在缓慢冷却过程中可能形成网状K的缺点而进行的。其特点是在正常渗碳温度下保温，当渗层深度接近工艺的下限时，将炉温降到850℃左右，保温适当的时间，使工件的内外温度一致，以适当降低表面的碳含量，从而实现无网状K的析出，免去正火工序，也可分段渗碳后直接淬火。

渗碳时间根据渗层要求、渗剂成分、工件材质及装箱等具体情况而定。对渗碳剂的选择有两个要求：工件表面碳含量高、渗层深时，采用活性高的催渗剂；对含碳化物形成元素的钢，应选择活性低的渗剂。在实际生产中固体渗碳剂的配制方法见表2.93。

一般配制好的固体渗碳剂应符合下列规定：含水量<6%，二氧化硅≤2%，硫含量<0.4%，木炭或焦炭的粒度应在12mm以下，其中90%以上粒度应在3～8mm范围内。

2.3.1.3　固体渗碳的反应机理

在固体渗碳过程中，渗碳箱内的木炭与箱内原有的氧气结合生成一氧化碳，即

2C+O₂2CO

而生成的CO在渗碳温度下不稳定，与零件表面接触时，分解出活性碳原子

2COCO₂+［C］

活性碳原子被吸附在工件的表面，使零件表面奥氏体的碳浓度增高，与心部产生了浓度差，碳原子从表面向里扩散，使渗碳层厚度逐渐增加。因此，固体渗碳的实质是依靠CO气体进行渗碳的。

固体渗碳时，渗碳箱内的氧气十分有限，因此反应产生的CO气体较少，单纯用木炭（或焦炭）的效率很低。为了加快渗碳速度，需要加入一定量的催渗剂（5%～30%）如碳酸钠、碳酸钡或乙酸钠、乙酸钡等。碳酸盐如碳酸钡加热时发生分解，即

BaCO₃BaO+CO₂

产生的CO₂与木炭反应，生成渗碳需要的CO，即CO₂+C2CO。

碳酸盐加入量太少对提高渗碳速度无明显作用，加入太多在高温时产生活性碳原子过量，工件表面的含碳量过高，致使工件渗碳后出现开裂现象。一般常用渗碳剂为85%～90%木炭+15%～10%的碳酸钡或碳酸钠。

2.3.1.4　固体渗碳工艺及操作

工件渗碳工艺及具体操作过程见表2.94。

图2.64是一种较好的固体渗碳工艺，图中虚线（加粗）表示工件实际温度，在800～850℃之间透烧可减小渗碳箱内的温度差，改善渗碳层的不均匀性。渗碳结束后渗碳箱即可出炉，工件在渗碳箱中冷至300℃左右时取出。有的工厂采用渗碳后直接淬火，则应在840～860℃保温一段时间后再出炉淬火。

2.3.1.5　固体渗碳的注意事项

固体渗碳的注意事项见表2.97。

2.3.1.6　固体渗碳工艺应用

常见固体渗碳后的几种热处理方法见图2.65。图中，图（a）主要用于Cr-Ni合金渗碳钢；图（b）主要用于力学性能要求很高的渗碳件，但该法氧化脱碳严重且工艺复杂；图（c）用于不需机械加工的高合金渗碳钢工件；图（d）主要用于各种齿轮及轴类零件等。常用的渗碳钢淬火工艺及其力学性能见表2.98。

2.3.1.7　［实例2.4］棘轮的固体渗碳表面强化

实例分析见表2.99。

2.3.1.8　膏剂渗碳及应用

工件表面以膏状渗碳剂涂覆进行渗碳的工艺，称为膏剂渗碳。将工件需渗碳部位浸入膏剂中或涂上膏剂，烘干后放在渗碳箱中密封，冷炉加热至渗碳温度保温，然后取出空冷或进行淬火。膏剂渗碳其实是固体渗碳法的延续，具有渗速较快、节约渗剂、操作简单、成本低廉的特点，渗碳后可直接淬火，尤其可实现局部渗碳，但同时往往又存在渗层不均匀、不稳定、不易控制的缺点，因而限制了膏剂法的应用。

（1）渗碳膏剂的组成、使用方法及效果　渗碳膏剂是固体渗碳剂碾成粒度为100目粉末后加入黏结剂调成糊状膏剂，黏结剂分为日常用胶水及水玻璃溶液两种。带干燥涂层的工件放在渗碳箱内，经加热保温，可得到所需要深度的渗碳层。此法适用于单件生产或修复渗碳和局部渗碳。膏剂渗碳表面碳浓度及渗层深度的均匀性较差。膏剂脱落或碰伤会造成斑点状渗碳缺陷。渗碳膏剂的组成、使用方法及效果见表2.100。

（2）适用范围

①适用于要求渗碳层深度和碳浓度不十分严格的情况；

②适用于形状简单工件的单件生产情况。

（3）技术要求

①与固体渗碳要求相同。

②工件尖角和沟槽处不得有过热、过烧现象。

③非渗碳部位不得有严重氧化脱碳现象。

（4）操作守则　膏剂渗碳的操作守则见表2.101。

（5）膏剂渗碳的应用　目前主要用于单件生产或进行修复渗碳及局部渗碳等。例如，15Cr钢制齿轮膏剂渗碳，先将零件表面清理干净，然后表面涂覆渗碳膏剂，自然干燥后放置于箱式电阻炉中在100～150℃下烘干，渗碳温度为920℃，加热保温5h，然后降温至860℃直接淬火，渗碳层深度可达1.3mm，淬火后硬度为60HRC。

2.3.2　液体渗碳工艺及应用

液体渗碳（即盐浴渗碳）是指工件在熔融的液体渗碳介质中进行渗碳的工艺方法。其工艺曲线见图2.69。该工艺具有渗碳层均匀、渗碳速度快、操作简便、便于直接淬火和局部渗碳等特点，特别适用于中小型零件及有不通孔的零件。但由于渗碳盐浴（图2.70）中剧毒的氰化物对环境和操作者存在危害，同时盐浴成分变化不易掌握，故不适合大批量生产。

2.3.2.1　液体渗碳工艺参数

液体渗碳常用温度及适用工件的选择见表2.104。液体渗碳温度、液体渗碳时间对渗碳层深度的影响分别见图2.71、图2.72。

2.3.2.2　液体渗碳盐浴

熔融的渗碳液体一般由三类物质组成，见表2.105。

表2.106列出了几种常用渗碳盐浴的成分、工艺及效果。有的渗碳剂中加入部分硼砂，其作用为增加盐浴的流动性，并辅助捞渣。

在盐浴渗碳过程中，渗碳温度及盐浴的活性是影响液体渗碳和表面碳浓度的主要因素。对于渗层薄及变形要求严格的零件，一般使用较低的渗碳温度（850～900℃）；而对于要求渗层较厚的零件，采用910～950℃渗碳，渗碳保温时间取决于对渗碳层的要求。工件的渗碳即液体中分解出的活性碳原子渗入工件表面的过程，渗碳过程中盐浴中碳的活性不断降低，加上高温盐浴的挥发以及工件表面、工装等将盐浴带出，渗碳盐浴在渗碳过程中会不断消耗，故在生产实际中应定期分析盐浴成分，补充新盐并及时捞渣，以保证盐浴成分在工艺规定的范围内。盐浴渗碳的注意事项见表2.107。

盐浴渗碳介质为基盐+催化剂+供碳剂，根据催化剂+供碳剂的种类可分为表2.108所示的两种。

渗碳结束后，根据工艺要求和使用状态的不同，可采用直接淬火、放入较低温度的中性盐浴中均温后再淬火，也可缓慢冷却后重新加热淬火，最后进行低温回火，以达到渗碳的目的。

零件液体渗碳后，由于表面黏附盐较多，故在冷却或淬火后均应清除掉盐渍，因此煮沸时间要足够。而对于用氰盐处理的工件，需对清洗液进行中和处理，通常是把零件放在浓度为10%的硫酸亚铁溶液中煮沸，直到零件上残盐全部溶解为止。

（1）普通无毒液体渗碳　无毒液体渗碳工艺无论在原料还是在反应产物中均无毒性的氰盐或氰根，对人的健康及环境危害小，操作和使用较为方便。其盐浴大都用木炭粉、石墨粉、碳化硅等作为渗碳剂，用氯化钠、氯化钾、碳酸钠、碳酸钾等作为基本盐浴。几种典型无毒液体渗碳盐浴的配方见表2.109。

盐浴在高温下的化学反应如下：

MeCO₃MeO+CO₂；SiC+CO₂Si+2CO

C+CO₂2CO；2COCO₂+［C］

无毒盐浴渗碳温度若为920～940℃，经2～3h可得渗碳层深度为：20钢为0.7～1.1mm；20Cr和20CrMnTi为0.9～1.5mm。

普通无毒液体渗碳的配比为75%碳酸钠+5%120目金刚砂+20%氯化钠。碳酸钠为无水固体，为供碳剂；绿色金刚砂含70%碳化硅，为还原剂，氯化钠只起助熔和加热作用，增加盐浴流动性。其在860℃的温度下，碳化硅将碳酸钠还原出活性碳原子，很快被奥氏体吸收并在工件表面扩散而形成渗碳层。渗碳后工件的碳含量自表面向里依次递减，表面为0.9～1.2%C，渗碳层为0.7～0.9%C。

普通无毒液体渗碳工艺的操作过程，见表2.110。其渗速约为0.25～1.35mm/h，该工艺适合于低碳钢的渗碳。渗碳后的表面硬度高、耐磨性好，心部有良好的韧性和塑性，常用钢渗碳后的工艺见表2.111。

（2）“603”无毒液体渗碳剂　该渗碳剂是上海热处理厂于1963年3月研制成功的，故命名为“603”盐浴渗碳剂。其原料配比、盐浴配方及配制方法等见表2.112。

在渗碳过程中，影响渗碳效果的因素较多，其中对工件渗碳后的渗层深度和表面的碳浓度影响较大的因素见表2.113。

在连续生产过程中盐浴的操作工艺见表2.116。

（3）木炭粉尿素液体渗碳剂（原料无氰盐浴）　渗剂原料配比：5%氯化钠+10%氯化钾+15%碳酸钠+20%尿素+50%木炭粉。其配制方法与反应机理见表2.117。

木炭粉尿素液体渗碳剂渗碳过程的工艺规范和操作方法见表2.118。

2.3.2.3　液体渗碳操作要求

液体渗碳操作要求见表2.119。

2.3.2.4　［实例2.5］某自行车前后轴碗的液体渗碳表面强化实例分析

液体渗碳实例分析见表2.120。

2.3.3　离子渗碳工艺及应用

2.3.3.1　离子渗碳原理

将工件在含有烃类的低压气氛中加热，并在工件与阳极之间加以直流电压，产生等离子体，使碳电离并被加速后轰击工件表面来进行渗碳的工艺方法称为离子渗碳。

离子渗碳原理与离子渗氮相似，工件渗碳时所需要的活性碳原子或离子，不仅像常规气体渗碳一样利用热分解反应，而且还利用辉光放电时在阴极（工件）位降区中气体的电离。把丙烷、甲烷等渗碳气体保持在1～10Torr（1Torr=133.322Pa）的压力下，通过在阴极处理件和阳极之间加直流电压，由此而产生的异常辉光放电进行渗碳，是在气体渗碳基础上进行的异常辉光放电。以渗碳介质丙烷为例，它在等离子渗碳中的反应如下：辉光放电：C₃H₈C+C₂H₆+H₂。

2.3.3.2　离子渗碳工艺与操作

（1）离子轰击渗碳设备　离子轰击渗碳设备是利用低真空状态的气体辉光放电发生电离，进而气体离子轰击工件表面进行加热，并使碳渗入工件表面的化学热处理设备。目前国产的双室离子渗碳淬火炉可在同一炉内完成离子渗碳和油淬工艺过程。离子轰击渗碳炉主要由炉体、真空系统、电源系统、供气系统、冷却系统、温度测量及控制系统、真空测量及控制系统等部分组成。表2.121和表2.122分别是国产双室真空离子渗碳炉和日制FIC型双室真空离子渗碳炉的技术参数。

（2）离子渗碳工艺　离子渗碳是在真空室（炉）内进行渗碳处理，炉内通入少量与渗碳处理相适宜的气体，在高压直流电场作用下，稀薄气体放电起辉加热工件。与此同时，渗碳元素从通入的气体中离解出来，渗入工件表层。

离子渗碳时通入炉内的气体多为甲烷、丙烷，也可使用丙酮、乙醇或石油液化气，稀释剂为氩、氢或氨。加热温度范围较宽（850～1100℃），常用温度是950℃或1050℃。因为渗速较快，渗碳时间短，所以虽采用了较高加热温度，组织也不会恶化。在渗碳开始后的5～10min内，工件表面的碳即可达到饱和。渗层1mm时仅需1～1.5h。渗扩时间比可采用1∶1、1∶2、1∶3。扩散时间增加可使碳浓度梯度平缓。炉内气压为15～150Pa时，渗碳剂过量，可能产生炭黑。

影响离子渗碳广泛推广应用的主要因素是设备复杂、造价高而且制造不易，炉膛空间的利用系数低，存在电弧的干扰，操作难度较大。

（3）影响离子渗碳工艺的因素　影响离子渗碳工艺的因素比较多，详见表2.123。

（4）离子渗碳的工艺特点　见表2.124。

①温度与时间。表2.125为三种材料在不同渗碳温度和时间条件下离子渗碳处理后渗层的深度变化情况。总的来说，离子渗碳过程主要还是受碳的扩散控制，渗碳时间与渗层深度之间符合抛物线规律。与渗碳时间相比，渗碳温度对渗速的影响更大。在真空条件下加热，工件的畸变量较小。因此，离子渗碳也可在较高温度下进行，以缩短渗碳周期。

②强渗与扩散时间之比。一般离子渗碳采用强渗与扩散交替的方式进行。渗扩比（强渗时间与扩散时间之比）对渗层的组织和深度影响较大（见图2.73）。渗扩比过高，表层易形成块状碳化物，并阻碍碳进一步向内扩散，使渗层深度下降；渗扩比太小，表层供碳不足，也会影响渗层深度及表层组织。采用适当的渗扩比（如2∶1或1∶1），可获得较好的渗层组织（表层碳化物弥散分布），且能保证足够的渗速。

③辉光电流密度。工业生产时，离子渗碳所用的辉光电流密度较大，足以提供离解含碳气氛所需能量，建立向基体扩散的碳含量。离子渗碳层深度主要受扩散速度控制，如果排除电流密度增加使工件与炉膛温差加大这一因素，辉光电流密度对离子渗碳层深度不会产生太大影响，但会影响表面碳含量达到饱和的时间。

④稀释气体。离子渗碳的供碳剂主要采用CH₄和C₃H₈，以氢气或氮气稀释，渗碳剂与稀释气体的体积比约为1∶10，工作炉压控制在133～532Pa。氢气具有较强的还原性，能迅速洁净工件表面，促进渗碳过程，对清除表面炭黑也较为有利，但使用时应注意安全。

（5）离子渗碳炉的操作　见表2.126。

2.3.3.3　离子渗碳的优势

离子渗碳的优势见表2.127。

2.3.3.4　离子渗碳的应用

几种工件离子渗碳工艺的应用及效果示例见表2.128。

2.3.4　感应加热渗碳工艺

在渗碳介质中利用高频或中频感应加热的方法加热工件，并进行渗碳的工艺称为感应加热渗碳。高频感应加热渗碳的渗碳剂有膏剂、气体、液体三种，分别为高频感应加热膏剂渗碳、高频感应加热液体渗碳和高频感应加热气体渗碳，此外还有中频感应加热气体渗碳，详见表2.129。

感应加热气体渗碳适用于单一品种的批量生产，而且采用计算机自动控制，对多品种小批量生产，渗碳质量较难控制。

2.3.5　碳化物（K）弥散强化渗碳工艺

K弥散强化渗碳（亦称高浓度渗碳，或过饱和渗碳，简称CD法）是指使渗碳表层获得细小分散碳化物，以提高工件服役能力的渗碳，其适用范围、性能特点及应用实例见表2.130。高合金模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子渗入的同时，渗层中会沉淀析出大量弥散合金K，如（Cr，Fe）₇C₃、V₄C₃、TiC，从而实现钢的表面强化。实践表明，K弥散渗碳（CD）法渗碳模具的使用寿命，大大超过消耗量占冷作模具钢首位的Cr12型冷作模具钢和高速工具钢，见表2.132。

另外，进行的过度渗碳（也称过饱和渗碳）也属于高浓度渗碳范畴，其渗碳范围分为以下几段：1.8%～2.2%、2.0%～2.4%、2.4%～2.8%和3.0%以上，已应用于含适量Cr和Mo的4118、5120、8620、8720、8822和9130钢制工件上。过度渗碳使淬火后的渗碳层中组织组成物发生了变化，表2.133为低合金钢过度渗碳与常规渗碳后组织组成物的变化对比，从表中可知三种组织的成分均发生了变化，导致其相应的性能不同，M、A及K的比例变化较大，由于K数量增加了4倍，提高了抗磨性，而M含量的降低为提高零件的抗拉性能和疲劳强度等奠定了基础，因此高浓度渗碳有良好的发展前景。

2.3.6　电解渗碳工艺

在工件（阴极）和熔盐中的石墨（阳极）之间通以电流进行渗碳的工艺方法，称为电解渗碳。电解渗碳是利用电化学反应使碳原子渗入工件表层。电解渗碳装置示意图见图2.75。

电解渗碳与常规渗碳相比，具有如下优点：无公害，设备简单，不需废液处理装置，加热温度均匀，操作简便，适用于多品种小批量生产等；但其缺点是工件的数量、尺寸受到盐浴炉容量大小的限制，对形状复杂的工件还会由于电流密度不均而造成渗层深度和浓度不均。电解渗碳盐浴主要是碱土金属碳酸盐+调整熔点+稳定盐浴的溶剂。

某机床摩擦片电解渗碳工艺见图2.76。

2.3.7　局部渗碳工艺

局部渗碳系指仅对工件某一部分或某些区域进行渗碳的热处理工艺，其实质是在不需要渗碳的部位进行防渗。常见的防渗方法见表2.134。在生产中，多用于截面很薄、渗碳时易于渗透的部位，如螺纹、花键及内孔等。