如何优化渗碳程序？

渗碳处理就是将工件放在增碳的活性介质中加热、保温（一般在920～950℃），使碳原子渗入钢件表面，以获得较高的碳浓度梯度，随着保温时间的延长，碳原子不断向内部扩散，形成一定的渗层厚度，然后通过淬火获得高硬度的马氏体组织，并进行低温回火的操作过程。

渗碳处理的目的是提高工件硬度、耐磨性及疲劳强度的。

渗碳钢一般采用普通碳钢、优质碳素结构钢或低碳合金结构钢和保证淬透性低碳合金钢（H钢）。

按采用的活性介质不同，渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。

1.固体渗碳

固体渗碳是将工件放在特制的渗碳箱中，四周填满固体渗碳剂，并密封后送入加热炉中渗碳。

（1）固体渗碳剂 常采用木炭（或其他供碳剂）+碳酸钡（或其他催渗剂）+碳酸钙（填充剂）+适量粘结剂混合而成。

渗碳填充剂能防止渗剂在渗碳过程中烧结成块，其质量分数应不超过2%。

粘结剂可将催渗剂均匀牢固地粘附在木炭颗粒上，避免筛漏损失，并能提高工件上渗层的均匀性。粘结剂有糖浆、淀粉、薯粉、糊精或重油。

生产中使用的渗剂，常由质量分数为20%～40%的新配渗剂和60%～80%用过的旧渗剂混合而成。混合前旧渗剂应再次过筛，使粒度符合要求。

固体渗碳时的化学反应如下：

C+O₂→2CO

Na₂CO₃+C→Na₂O+2CO或BaCO₃+C→BaO+2CO

CO₂+C→2CO

Fe+2CO→Fe[C]+CO₂

渗碳箱内空气中的氧与渗剂中的碳发生化学反应生成CO，在渗碳温度下，CO是不稳定的，CO又与红热的工件表面发生反应产生出CO₂和碳原子。其中CO₂随后又与渗剂中的碳反应生成CO，而碳原子将渗入工件的表面形成渗碳层。

固体渗碳工艺优点是：设备简单，适应性大，对单件、小批量或无专门渗碳设备的中、小工厂非常适用。缺点是：渗碳剂导热性差，透热困难，而且渗碳气氛仅以CO为主，CO的渗碳能力较弱，所需保温时间长，生产率低，同时渗碳质量难以控制，劳动条件差。

（2）固体渗碳的工艺过程

1）设备选择。固体渗碳一般选择箱式炉、井式炉和台车炉。

2）渗剂配制。配制固体渗碳剂时，先将木炭捣碎，按需要的颗粒尺寸用两种不同目数的筛子筛选。筛出的木炭颗粒称重后倒入清水中搅拌、静置，等待砂子、碎石子等杂物沉入水底后再将其捞出。按配方将称好重量的碳酸钡与粘结剂混匀，然后撒在半干的木炭上，经手工或机械混合拌匀，风干或烘干至水分的质量分数不高于4%。

3）装箱。固体渗碳是在渗碳箱中进行，装箱的方法对渗碳质量影响很大，因此装箱是固体渗碳操作的重要环节。渗碳箱可用低碳钢板或耐热钢板焊接而成，也可用铸铁铸成。为了保证有一定的强度，箱的壁厚一般为5～10mm。渗碳箱的形状一般为圆筒形或长方形；对于大型工件的专用渗碳箱，其形状应尽可能与工件的形状一致。每个渗碳箱的容积不宜过大，以免造成装炉、出炉困难。每个渗碳箱的盖上要有两个插入试棒的孔。箱口要有封口槽，便于用泥密封。固体渗碳的装箱方法，见图2-24和图2-25。

渗碳工件装箱时，首先要在箱底铺一层30～40mm的渗碳剂，并将其捣紧压平，然后在上面摆放第一层工件，相邻工件的间距为25～30mm，工件与箱壁也要间隔20～30mm，接着摆放第二层、第三层。每层之间都填满一层25～30mm厚的渗碳剂。装完最后一层工件之后，还要再盖上一层厚度大于40mm的渗碳剂，并捣实压紧，最后将箱盖合上，箱口和盖的边沿用耐火粘土泥密封。这样可防止箱内渗碳气体外逸，外面的空气也不会进入箱内。

图2-24 固体渗碳装箱示意图

1—箱体 2—工件 3—试样 4—箱盖 5—试棒

图2-25 固体气相渗碳装箱法

1—耐火粘土 2—金属盖板 3—渗碳剂 4—带小孔的钢板 5—工件

在同一渗碳箱内最好装放材料相同、渗层深度要求一致的工件。

为了检测渗层深度和渗层的金相组织，在渗碳箱盖上要插入两根试棒；同时在工件装箱时，也要在箱内的适当部位摆放2～4块试片。

4）装炉及工艺温度、时间。渗碳工件装箱之后于850～880℃入炉，等炉温回升到此温度时，保温2～5h，小箱体时取下限值，使箱体内外温度趋于一致，随炉缓慢升温至920～950℃进行渗碳。固体渗碳工艺曲线见图2-26。

图2-26 固体渗碳工艺曲线

a）一般工艺 b）降温扩散工艺

固体渗碳保温时间是指渗碳箱达到渗碳温度并里外透热后，使渗层深度达到规定要求所需的时间，见表2-12。

实践经验证明，在（930±10）℃的温度下固体渗碳，其平均速度一般为0.1～0.15mm/h。无论采用何种方法计算的渗碳时间，都只能作参考。准确的渗碳时间，还要通过检查试棒来决定。通常是在出炉前0.5h，从渗碳箱盖上抽出试棒，并直接淬火冷却，然后压断检测渗层深度。

表2-12 固体渗碳保温时间

2.气体渗碳

气体渗碳是目前应用较多的渗碳方法。在渗碳过程中，控制的工艺参数主要有渗碳温度、渗碳时间、炉内气氛的碳势三项。常用的渗碳温度为900～950℃，在加入催渗剂的情况下，有时也可降至870℃。

（1）常用渗剂

1）用吸热式气作载气，甲烷或丙烷作渗碳气。把天然气，丙、丁烷按一定比例和空气混合，在950～1000℃和Ni催化作用下，裂解成吸热式气，把吸热式气和甲烷（或丙烷）通入900～950℃的密封炉中施行渗碳。

2）用甲醇裂解气作为载气，以丙酮、乙酸乙酯或煤油裂解气作为渗碳气。把含碳有机液体直接滴入炉内，使其在900～930℃的渗碳温度裂解，并使工件表面渗碳。

3）纯氮（或工业氮）和甲醇裂解气（H₂+CO）混合，再添加甲烷或丙烷。用纯氮和甲醇裂解气以1∶1的体积比（1.33m³/h的N₂和1L/h的甲醇）混合通入渗碳炉。此时可获得相当于吸热式气的成分（气氛中CO的体积分数为20%）。渗碳时按要求添加适量的甲烷或丙烷。炉气碳势用氧探头控制。

4）甲烷或丙烷，炉压为4000～4500Pa。一般在冷壁式真空炉中进行。工件入炉后，抽空到133Pa开始加热，继续抽空0.13Pa，加热到950～1050℃，周期性地通入甲烷或丙烷到4000～4500Pa。

几种渗碳剂分解后的产气量与活性碳生成量见表2-13。

表2-13 几种渗碳剂分解后的产气量与活性碳生成量

（续）

（2）渗碳气氛化学反应 碳氢化合物热裂后产生的渗碳气体，其主要组成是：CO、C₂H_2n、H2、CO2、H₂O、N2。其中除中性气氛N₂外，CO、C₂H_2n都有渗碳能力，而CO₂、H₂O是脱碳气体。

主要化学反应有：

2CO→CO₂+[C] （2-8）

CH₄→2H₂+[C] （2-9）

H₂+CO→H₂O+[C] （2-10）

对低碳钢箔片在927℃进行试验的结果表明，反应式（2-10）进行渗碳的速度常数约为用CH₄渗碳的速度常数的22倍，为单用CO渗碳的速度常数的16倍。反应式（2-10）渗碳速度是反应式（2-9）的60倍，是反应式（2-8）渗碳速度的32倍。

对渗碳炉中碳的移动来说，CO和H₂的作用居首位。在渗碳炉内存在两个具有催化作用的表面，一个是与高温相对应的用含Ni材料或者陶瓷制成的辐射管（或加热炉罐）的高热面，另一个是渗碳工件的低温面，由于温度及活性催化面的共同作用，促进了式（2-9）所示的CH₄分解反应，与活性低的工件表面相比，在高热面（辐射管或加热炉罐）上的分解要更快一些。实际上高热面优先渗碳，同时也由于催渗剂活性和温度的作用，在高热面上会发生H₂O的迅速脱碳作用。

渗碳炉内碳移动的简单模型见图2-27。这种模型可以解释为什么新炉罐需要预渗碳处理的道理。新的炉罐渗碳时将优先于工件争夺气氛中的碳原子，使工件的渗碳过程变得难于控制而影响加工质量。

单纯的富化气氛分解[C]的渗碳速度没有在CO和H₂的条件下的渗碳速度快。在CO和H₂存在的前提下，随着H₂与CO体积比的增加，渗碳速度提高，在H₂与CO体积比等于1.7倍时达到最大值。实际气氛（体积分数）为37%CO+63%H₂时，H₂与CO体积比为1.7，所以稀释气体+富化气的渗碳速度快。

图2-27 渗碳炉内碳移动的简单模型

（3）碳势检测与控制 反应式（2-8）～式（2-10）都是可逆反应。在一定温度条件下：反应究竟向渗碳方向进行，还是向脱碳方向进行，取决于达到平衡时气氛中渗碳性气体或脱碳性气体的相对含量。控制炉气中各种气体的相对含量，就可以使工件在加热过程中脱碳或渗碳，或者既不脱碳也不渗碳。

CO₂、H₂O（g）、H₂可以造成工件在加热过程中的脱碳，而CO、CH₄等碳氢化合物在高温时发生热分解，分解所生成的碳原子又可渗入工件表层，这就是渗碳，甚至高温时用H₂还原CO生成的碳原子也可进行工件的渗碳。当CO₂、H₂O（g）或H₂在高温时的脱碳速度与CO、CH₄或CO+H₂的渗碳速度相等时，工件的渗碳或脱碳反应就达到了化学平衡，工件既不脱碳也不渗碳。一定温度下上列反应的平衡常数表达式中炉气的含量，就是这种工件在此温度下不脱碳不渗碳加热的条件。

工件加热时，与钢中单相奥氏体相平衡的气氛中碳含量，被定义为此炉气的碳势。炉气的碳势从广义上来说，是指在一定温度下，炉内气氛与一定碳含量钢件的相界面上化学反应达到平衡的炉气状态。炉气的碳势高低决定于炉气本身的组成成分、炉气所处的温度，以及炉内的催化、触媒条件等因素。对保护气体而言，炉气的碳势应与钢件本身的碳含量相当或略高，这样才能使钢件在加热过程中不发生氧化和脱碳作用。对渗碳气体而言，炉气的碳势应比渗层所要求的碳含量更高或略高于0.9%（质量分数）。由于炉气的碳势比渗碳钢件的碳含量高，所以炉气中的碳原子就能被工件表面吸收，并扩散渗入，直至渗层表面碳含量与炉气碳势达到动态平衡状态，以维持渗碳过程的连续进行，不断地给渗层表面提供碳原子。

在渗碳过程中，炉气碳势的高低实际上是渗碳能力强弱的表现。碳势越高，渗碳能力越强，渗入速度快，渗层深度深，渗层碳浓度高，浓度梯度也大。但是，当炉气碳势高于渗层表面的吸碳能力时，没有被吸收的碳原子就会聚集在表面结成碳分子而形成炭黑，反而使渗入速度下降，渗层厚度也会减薄。由于整个渗碳过程中，工件表面的吸碳能力是变化的，如果根据吸碳能力的变化，对碳势采取分段控制，便能有效地防止炭黑的产生，使碳浓度梯度平缓、渗层碳浓度适当，渗碳速度也会提高。

为了使碳势对渗碳过程产生有利的综合效果，可分段控制炉气的碳势。开始阶段尽可能提高碳势，因为这时工件的吸碳能力很强，不易产生炭黑，碳势高可使渗层表面的浓度梯度大，有利于进行扩散，并提高渗速。第二阶段要适当降低碳势，因为表层已建立了较高的浓度梯度和达到了一定的渗层深度，这时工件表面的吸碳能力已开始下降，所以碳势不宜太高，以免产生炭黑。第三阶段是扩散时期，炉内碳势可进一步降低，以使表层的碳浓度梯度和渗层深度达到工艺上的要求。

正常的渗碳气体中，CO和H₂的含量基本上是定值，如用丙烷或丁烷制备渗碳气体，其中CO的体积分数约为24%，H₂的体积分数约为33%。炉气中的CH₄、O₂对CO₂、H₂O的含量影响很大。当增加渗剂滴量或富化气体通入量使CH₄的含量增加时，CO₂和H₂O会迅速减少。其反应如下：

CH₄+H₂O→CO+3H₂

CH₄+CO₂→2CO+2H₂

当O₂量增加时，炉气中的CO₂和H₂O会迅速增多，其反应如下：

2H₂+O₂→2H₂O

2CO+CO₂→2CO₂

由此可知，只要控制炉气中CO₂、H₂O、CH₄和CO₂中的任何一种气体的相对含量，也就能达到控制炉气成分、调整碳势的目的。根据上述原理，所采用的碳势测定控制方法有红外线CO₂控制法、红外线CH₄控制法、红外线CH₄/CO₂控制法、水汽露点控制法和氧气的氧探头控制法等。这些方法都能连续自动地测控调节碳势。目前使用较广泛的是氧探头。

氧探头就是通过测定炉气中的氧势，即氧含量，来测定炉气相应碳势的。测定时，氧化锆管封闭端的外侧直接与炉内气氛相接触，同时氧化锆管内侧通入空气作参比气体，因管内空气和管外炉气的氧含量不同，在氧化锆为电解质的两侧电极上就会产出相应的氧浓差电势。其数值的大小仅与温度、炉气氧含量和参比气（空气）氧含量有关，从而可得出炉气中的氧含量，即氧势。再根据碳势与氧势的关系得到相应的碳势。

（4）气体渗碳工艺参数的选择　气体渗碳的工艺过程由加热、渗碳、扩散及冷却四个阶段组成，在每个阶段均需要控制相应的温度、时间及炉气的碳势。一个好的气体渗碳工艺，应当是用最小的能源及其他辅助材料消耗、最短的生产周期而达到预定的渗碳工艺要求。

1）渗碳温度的选择。由Fe-Fe₃C相图可知，奥氏体的溶碳能力随温度升高而增大。但是，过高的渗碳温度会降低常规渗碳设备和夹具的寿命，且工件的变形和晶粒粗化倾向增大。因此，950℃以上的高温渗碳工艺还没获得广泛应用。目前，钢的渗碳温度一般在900～950℃范围内选择。

2）渗碳剂流量的选择。渗碳过程中，要不断补充渗碳剂。渗碳剂的流量过大会产生大量炭黑而阻碍渗碳的正常进行；渗碳剂的流量过少，会使渗碳层表面碳含量不足，要得到足够的渗层深度必须延长渗碳时间。在渗碳过程中，随时间延长，由于渗层碳浓度梯度的减小，碳在钢中的扩散速度降低，从而使工件表面对碳的吸收能力降低。因此，为了充分利用渗碳剂和减少炭黑，渗碳剂的流量应随时间延长相应减少。使用滴定器供应渗碳剂的体积按100滴为3.8～4.2mL计算。

①经验公式。按渗碳炉电功率计算的渗碳剂流量：

q=CW （2-11）

式中q——到温后排气阶段的渗剂流量（mL/min）；

C——每千瓦功率每分钟所需要量[mL/（kW·min）]，可以取C=0.13mL/（kW·min）；

W——渗碳炉功率（kW）。

按渗碳件吸收碳表面积计算强渗阶段的渗碳剂流量：

Q=KNS （2-12）

式中Q——排气阶段结束后强渗的渗剂流量（mL/min）；

K——每平方米吸碳表面积每分钟所需要量[mL/（m²·min）]，可以取K=1；

N——装炉工件数（件）

S——单位有效吸碳表面积（m²/件）。

②容积与用气量的关系经验数据。气氛的用量与炉子形式、炉膛及前室容积、生产率、炉子气密性、炉门开启次数、炉内气氛要求（碳势、压力）等因素有关，经验数据见表2-14～表2-16。

表2-14 多用炉气、井式炉的气氛用量经验数据

①为吸热式气氛总量的0～4%。

②为吸热式气氛总量的0～3%。

表2-15 振底式炉可控气氛用量与炉底有效面积的关系

表2-16 连续推杆式渗碳炉可控气氛总用量与炉膛容积关系

③渗碳剂的流量一般从以下几方面考虑确定。

a.装炉量大小。流量与工件总的有效渗碳面积有关，渗碳面积越大，渗碳剂的流量应越大。一般推荐渗碳剂的流量为：每平方米的有效渗碳表面积的气体消耗量为0.35～0.40m³/h（压力为294～588Pa）。当然还应考虑其他因素作适当调整。

b.炉气所要达到的碳势。要求的碳势越高，渗碳剂的流量应越大。

c.渗碳罐、吊具及支架的状况。新的炉罐、吊具和支架，碳含量往往很低，渗碳时会吸收大量的碳，所以初次使用前应预渗补碳后再使用，以免在渗碳过程中影响炉内碳势。

d.炉罐的容积。容积增大，渗碳剂的流量要相应增大。

e.渗碳剂的种类。产气量大，活性高的渗碳剂，用量应少一些。此外，渗碳剂的流量还与钢种、渗碳工艺等因素有关。生产中应根据具体情况灵活掌握。

3）工件碳含量与炉内碳势确定。根据热处理技术要求确定渗碳工件的碳含量，然后确定渗碳气氛碳势。

为了使工件在渗碳和直接淬火后达到所要求的硬度，以及碳化物、马氏体+残留奥氏体和铁素体的级别，需要渗碳后得到合理的表面碳含量。因此，必须考虑钢的化学成分、气氛碳势和渗碳时间对表面碳含量的影响。图2-28所示为不同化学成分钢的表面碳含量w（C）与渗碳直接淬火后表面硬度的关系。由图可见，只有w（C）控制在一定范围内才能得到高的硬度，而且随着渗碳用钢合金元素含量的增加，其合适的表面碳含量范围变窄。

要得到所需求的w（C），应选择合适的碳势C_P。在一般气体渗碳中，工件表面的碳含量不是立即达到平衡值，而是逐渐地接近C_P。图2-29所示为低碳钢在925℃吸热气氛中渗碳时表面碳含量与CO₂、碳势、渗碳时间的关系。由图可见，在925℃下于吸热式气氛中渗碳20h后w（C）才等于C_P。

根据图2-28表面碳含量与渗碳直接淬火后表面硬度关系曲线，确定所要求的w（C），根据w（C）和渗碳时间t，就可按照图2-29求得非平衡渗碳时所应采用的气氛碳势C_P。例如，使表面硬度≥800HV，15钢渗碳后w（C）应在0.6%～1.0%之间，取值0.9%。设定渗碳温度925℃，渗层深度0.9mm或2.5mm，利用式（2-16）计算得出所需要的渗碳时间为2h和4h。由于渗碳时间小于20h，是非平衡渗碳，渗碳后w（C）=0.9%，渗碳气氛碳势C_P应为多少？

在图2-29的横坐标上于2h和4h处分别作垂线与纵坐标上由w（C）=0.9%处引出的水平线相交，再由交点分别作平行于图中特性曲线的直线（如图中虚线所示），分别得出1.08%和1.03%的碳势值。

在925℃下渗碳时，炉内不出现过量炭黑的最高碳势为1.30%。

合金钢渗碳时，应考虑到钢的化学成分对渗碳的影响。合金元素改变奥氏体中碳的活度，因此在相同的气氛碳势下将得到不同的平衡表面碳含量。合金元素与碳形成更为稳定合金碳化物，从而改变了气氛的有效碳势。根据下式计算合金元素的影响系数f。

图2-28 表面碳含量与渗碳直接淬火后表面硬度的关系

lgf=w（Si）×0.055+w（Ni）×0.014-w（Mn）×0.013-w（Cr）×0.04-w（Mo）×0.013 （2-13）

则修正后的表面碳含量w′（C）为

w′（C）=fw（C） （2-14）

按照w′（C）确定炉内碳势的方法同前。

图2-29 低碳钢在925℃吸热气氛中渗碳时表面碳含量与CO₂、碳势、渗碳时间的关系

4）渗碳保温时间的确定。要得到一定的渗层深度必须有一定的渗碳保温时间。在同一渗碳温度下保温时间越长，渗层越深。但是在一定条件下，由于随渗碳时间的延长，渗层中碳的浓度梯度减少，渗碳速度减慢，渗层深度随时间延长而增加的曲线趋向平缓，而且渗碳温度越低越明显。目前，应用这一原理采用了分段控制渗碳工艺，即渗碳开始时，加大煤油、丙酮或其他富化气流量，以很高的碳势，使钢表面强烈吸碳，造成较高的浓度梯度，随后减少煤油、丙酮或其他富化气流量，以较低碳势进行扩散，使表面碳含量有所降低，而增加内部碳含量和渗层深度。这里，随时间的延长，表面碳含量降低的趋向，是通过降低炉温或调整碳势来实现的。通常，表面碳含量逐渐变化趋于达到与炉气的碳势相平衡的某一定值为止。继续延长保温时间，表面碳含量不再变化，但可使渗层深度增加。

渗碳的保温时间主要由渗层深度来确定。渗碳所要求的渗层深度是指技术要求的深度加上渗碳后的磨削余量及1/2的变形量。在不同温度下，气体渗碳的保温时间与渗层深度的关系见表2-17。在实际生产中，一般是通过检查试样的渗碳层深度来调整保温时间的。

表2-17 气体渗碳保温时间与渗层深度的关系

计算渗碳时间的理论基础是Fick第二定律，为了简化计算，可以采用下列公式计算：

式中X——渗层深度（mm）；

t——渗碳时间（h）；

T——渗碳温度（K）。

对于规定的温度，上式可以简化为

式中K的取值：875℃时，K=0.450；900℃时，K=0.533；925℃时，K=0.635。

根据Harris的试验公式，可以求解强渗阶段和扩散阶段的时间：

t=t₁（D/C）2 （2-17）

式中t——渗碳总时间（渗碳强渗时间+扩散时间）（h）；

t₁——渗碳强渗时间（h）；

C——扩散终了时的表面碳含量（扩散期碳势）和基体材料碳含量之差（质量分数，%）；

D——初始时的表面碳含量（强渗期碳势）和基体材料碳含量之差（质量分数，%）。

5）渗碳后冷却。在渗碳阶段结束前1h左右，从炉内取出试棒，检查渗层深度，确定准确的渗碳时间。当达到所要求的渗层深度时，对需要重新加热淬火的工件，随炉降温至860～880℃，然后出炉转入可防止氧化脱碳的冷却室冷至室温；对直接淬火的工件，随炉降温至810～840℃，均温30～60min，使工件内外温度均匀一致，然后进行淬火冷却。

在以上的降温或均温过程中，均应向炉内滴注适量的甲醇或富化气（甲醇滴量可为20～40滴/min，煤油为10～20滴/min），维持炉内正压以防止发生氧化脱碳。随炉缓慢降温，可使渗层析出一部分碳化物，减少奥氏体中的碳含量，直接淬火时，马氏体转变点Ms提高，从而达到减少渗层中的残留奥氏体，并增加表面硬度的目的。

3.渗碳后的热处理

工件经过渗碳之后，由于表面层和心部的碳含量相差较大，表面与心部热处理的相变温度发生了较大的差异；同时长时间高温渗碳引起晶粒粗化，使工件的性能恶化。这些影响因素都给渗碳后的热处理造成了困难。所以在实际生产中，要根据渗碳后的各种具体情况，分别采取不同的热处理方法。

1）渗碳后直接淬火+低温回火（160～200℃×2～3h）。该工艺在本质细晶粒钢渗碳中广泛采用，可缩短生产周期，提高劳动生产率，节省能源消耗，降低生产成本。缺陷是：残留奥氏体多，淬火变形大。根据工件所用钢材、工件尺寸大小、对变形的要求等方面的特点，可以在预冷后进行水淬、油淬、水—油双介质淬火或者用120～160℃热油分级淬火。

2）渗碳后预冷（到Ar₃之上，一般是800～850℃）直接淬火+低温回火（160～200℃×2～3h）。

以上两个工艺除了要合理选择淬火方法和严格控制预冷温度外，还应考虑到工件钢材必须是本质细晶粒钢，而且渗碳后只是进行磨削加工，因直接淬火后难以进行其他切削加工。

3）渗碳后缓冷，重新加热，一次淬火+低温回火（160～200℃×2～3h）。淬火加热温度有两种：820～850℃和780～810℃。该工艺处理的工件表面层耐磨性高，残留奥氏体少，淬火变形小。

对于心部组织、性能要求较高的合金渗碳钢工件，淬火温度应略高于心部的Ac₃，常为Ac₃+（30～50）℃，心部完全重结晶，使晶粒细化，淬火后可获得细晶粒的低碳马氏体或索氏体组织，具有较好的强韧性。这一淬火温度对表面层属于偏高的范围，因为超过了表面层的Ac_cm点，晶粒有粗化倾向，且淬火后残留奥氏体较多，但可消除网状碳化物。

对于表面层硬度和耐磨性要求很高，而对心部组织和性能要求不严的渗碳工件，如各种量规等，淬火温度可选Ac₁+（40～60）℃。这一温度对表面层完全合适，淬火后为马氏体、少量碳化物，残留奥氏体很少，因而硬度高，耐磨性好。这一温度心部不能完全奥氏体化，只是部分组织淬火后为低碳马氏体，还保留着一定数量的未溶铁素体，所以力学性能较差。应当指出，采用这种淬火温度的前提必须是淬火前表面渗层中无网状碳化物。在生产实践中，对于一般碳钢的渗碳工件，一次淬火温度常选于Ac₁～Ac₃之间，即Ac₁+（40～60）℃，或Ac₃-（30～50）℃，如820～850℃之间。这种淬火温度兼顾了表面与心部的组织、性能要求。对心部要求强韧性、表层允许有较多的残留奥氏体、表面耐磨、抗点蚀疲劳性能良好的工件特别适用。

淬火冷却介质的选择，可按照钢材的淬火性能、工件尺寸和形状特点、对组织性能和变形量要求等，结合有效硬化层厚度的设计要求，采用单介质、双介质、分级、等温等方式进行淬火。

4）渗碳后高温回火（650～680℃×6～8h），一次淬火+低温回火（160～200℃×2～3h）。淬火加热温度：840～860℃，适用Cr-Ni合金渗碳钢。高温回火是使渗碳冷却形成的马氏体和残留奥氏体分解。该工艺便于切削加工，使渗层淬火残留奥氏体量减少。

5）双重淬火工艺，就是在渗碳后，进行两次淬火处理，然后再低温回火的热处理工艺。第一次淬火或正火：淬火加热温度常为Ac₃+（30～50）℃，对碳钢为880～900℃，对合金钢为850～910℃。可以消除渗层网状碳化物，细化心部组织，为进行表面层的第二次淬火准备良好的原始组织。第二次淬火加热为760～800℃（一般在Ac₁+（40～60）℃，即在Ac₁～Ac_cm之间）+低温回火（160～200℃）。适用于重要渗碳件和采用粗晶粒钢的渗碳件。

6）渗碳后重新加热淬火+冷处理+低温回火（160～200℃）。对于高合金钢，在心部的Ac₁和Ac₃之间温度加热淬火，表层残留奥氏体量较多，经过冷处理（一般温度为-70～-120℃），促使奥氏体转变，提高表面硬度，增加耐磨性。

7）渗碳后感应淬火+低温回火（160～200℃）。

4.渗碳件有效硬化层工艺设计

传统的渗碳工艺采用渗碳层碳含量分布的金相组织法判定渗碳层深度，GB/T9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》规定采用有效硬化层深度来检测。这就要求需要考虑工件的尺寸效应、质量效应对淬火淬透层深度的影响。采用有效硬化层深度要求检测渗碳件的方法更加接近于实际运用。

工艺设计的具体步骤是：①确定有效硬化层深度处碳含量；②根据工件心部要求选择淬火冷却介质；③根据技术条件确定碳势；④计算渗碳时间（强渗和扩散时间）；⑤确定渗碳层总深度；⑥确定淬火加热温度；⑦Ms点和残留奥氏体量计算；⑧最后编制渗碳淬火处理工艺。具体步骤及内容如下：

（1）根据技术条件确定碳势 可用钢的奥氏体饱和碳含量作为渗碳时炉气的碳势，或者根据前面所介绍的工件碳含量与炉内碳势的相关内容确定渗碳碳势。

（2）确定有效硬化层深度处碳含量GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》中规定选择550HV的特定值作为渗碳层界限硬度，影响这个硬度值的因素有：渗碳件材料化学成分（碳含量及合金元素）、热处理的奥氏体晶粒度、工件尺寸大小及形状、淬火冷却液类型（H值）等。

1）计算各合金元素的淬透性特性值。根据ASTM A255各合金元素的淬透性特性值lgf_M见表2-18和表2-19。从表中查出渗碳工件各个合金元素的lgf_M，采用求和得出Σlgf_M。

表2-18 主要合金元素淬透性特性值lgf_M

（续）

表2-19 微量合金元素淬透性特性值lgf_M

2）求基本淬透性D_IB。D_IB是Fe-C系合金的淬透性，称为基本淬透性，从表2_-20中直接查出。

表2-20 基本淬透性D_IB

（续）

3）计算理想临界直径：D_I=D_IB+Σlgf_M。

4）根据格罗斯曼曲线图求端淬距离。对于小工件，渗碳层仅进行空冷就能淬硬；但是，对于大工件，即使进行油淬，渗碳层也会产生不完全淬火的情况。

一般地说，探讨大工件的渗碳层硬化是否充分时，可以采用格罗斯曼图表中的r/R，见图2-30和图2-31，R为圆棒的半径，r是所求硬度点距离工件中心的距离，R_-r=有效渗碳层深度δ₁。知道工件的直径、淬火冷却介质和r/R比值，就可以求出端淬距离J（mm）。图2-30、图2-31中的工件直径为圆柱截面的直径，如果是非圆截面，应该采用等效直径。或者，对于板材，以水淬的圆棒端淬距离×1.82，油淬的圆棒端淬距离×2作为等效直径的端淬距离。

图2-30 圆棒截面上各处冷却速度至水端距离

图2-31 圆棒截面上各处冷却速度至水冷端距离

5）有效硬化层深度550HV处的碳含量计算见图2-32，根据以上求得的D_I和J就可以得到550HV的碳含量。

（3）确定渗碳总深度 根据有效渗碳层分界点的碳含量、炉内碳势（或奥氏体饱和碳含量），以及碳含量分布与渗碳深度的关系，得出渗碳深度计算解析图，见图2-33。C-A线是550HV分界线的碳含量。有效渗碳层深度δ₁的垂直线与C-A线相交于A点，连接A点与C_P，并延长至B-D线，相交于B点，得出δ₀即为渗碳层深度，由于该图与实际渗层相差20%，所以实际渗层深度为δ=δ₀×120%mm。

图2-32 有效硬化层深度550HV处的碳含量

图2-33 渗碳深度计算解析图

（4）确定强渗期与扩散期的时间与碳势 根据式（2-17）计算强渗期与扩散期的时间与碳势，对于合金钢，强渗期与扩散期的碳势应加以修正，得出时间炉内碳势值。

（5）确定渗碳件淬火加热温度 根据渗碳工件基体的Ac₃确定淬火加热温度。

（6）计算淬火之后的残留奥氏体含量 为减少淬火变形或防止淬裂，淬火时通常把淬火冷却介质温度提高，在马氏体相变区Ms～Mf进行缓冷。温度过高，淬裂或变形的程度将减小，但残留奥氏体增多。终冷温度t（℃）与残留奥氏体量φ（A_R）的关系由下式确定：

φ（A_R）=exp[-0.011×（Ms-t）] （2-18）

Ms（℃）的计算公式（元素成分是质量分数）：

Ms=499-300w（C）-33w（Mn）-22w（Cr）-17w（Ni）-11w（Si）-11w（Mo）-250w（N） （2-19）

5.新炉罐和新夹具的预渗碳处理

新的炉罐和夹具使用前如不预先渗碳，渗碳时将与工件一道争夺气氛中的活性碳原子，使工件的渗碳过程变得难于控制而影响渗碳质量。长期闲置未用的炉罐和夹具由于生锈、氧化，在使用前也应进行渗碳，其渗碳工艺与工件相同，但渗碳保温时间应作适当调整。新炉罐的渗碳保温时间可在10～15h范围内选用，新夹具为1～2h。

所有进行渗碳处理的炉子（有罐或无罐），新投入使用时必须先行对炉子本体进行渗碳处理。使炉膛表面及炉内的其他金属或非金属构件吸收足够的碳元素。预渗的工艺方法就是按照工件的正常渗碳工艺实施。

对于周期井式炉中的炉罐一般预渗10～15h，料筐、挂具等一般预渗2～3h。对于网带式连续炉（有罐或无罐）预渗时间以观察到在网带等运输部件上有炭黑出现为止。大型周期（多用）炉的预渗时间也比较长。