先进气体渗碳技术的优化方案

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：下面对先进气体渗碳技术进行简单介绍。直生式气氛是非平衡气氛，CO含量不稳定，渗碳时需采用同时测量CO和O2含量的多参数控制进行碳势控制。

渗碳技术的发展，主要着力于开发节能、环保新工艺；提高渗碳质量，使渗碳过程的控制精确化；缩短渗碳时间等。下面对先进气体渗碳技术进行简单介绍。

1.真空渗碳(低压渗碳)

真空渗碳是指在低于0.1MPa条件下进行的渗碳工艺。渗碳温度多为980～1100℃，渗碳时直接将丙烷、乙炔、甲烷等通入炉内渗碳，真空渗碳实质是在低于大气压力下进行的渗碳。

真空渗碳时，常采用脉冲式送气，其基本过程如下：送气渗碳→停气、抽真空→进行扩散→再送气渗碳。经过数次循环，渗碳过程即完成。脉冲式送气有利于带小孔或不通孔的工件得到均匀的渗碳层。渗碳结束后，将工件快速移至通入氮气的冷却室预冷后直接淬火(油淬或高压气淬)。如渗碳温度较高，晶粒被粗化，则降温到600℃左右，然后于真空条件下重新加热以细化晶粒，加热结束后，在具有氮气保护的冷却室中进行淬火冷却。

真空渗碳的优点是：渗碳时间大幅缩短(为普通气体渗碳的1/2～1/3)，不脱碳，可避免内氧化现象；直接将丙烷、乙炔、甲烷等通入炉内渗碳，节省了气体制备设备；耗气量仅为普通渗碳的几分之一；节能，环保，工件表面洁净；对有深孔、窄缝等用普通气体渗碳效果不好的零件及不锈钢等，可以取得良好的渗碳效果。

真空渗碳渗速快的主要原因是：在高温下原子扩散速度大大加快；真空下工件表面的氧化物分解，剩余油脂及污物蒸发，使工件表面处于新鲜、洁净的良好活化状态，提高了工件表面对活性碳原子的吸收能力。

真空渗碳目前主要靠脉冲供气、调节炉压及合理安排渗碳和扩散时间来粗略控制碳势，但精确控制炉气碳势较困难。

2.离子渗碳

离子渗碳是将工件装入真空室内(低于0.1MPa)，通入甲烷或丙烷，同时在工件(阴极)和阳极之间施加直流高电压，使气体激发，引起辉光放电，产生等离子体，生成的碳离子高速轰击工件表面而渗碳。离子渗碳的优点是：由于辉光放电及离子轰击的作用，离子态的碳活性更高，且工件表面形成大量微观缺陷，离子渗碳速度大大加快，比普通渗碳缩短约50%的时间；表面碳含量和渗层深度易控制；可消除晶界内氧化，畸变较小；节能、节气，无环境污染。

3.流态床渗碳

流态床渗碳是在含碳的流态床中进行的渗碳。利用流态床对零件加热，通入碳氢化合物气体(CH4、C3H8等)或利用可供碳的微粒(如石墨颗粒)作为渗碳剂。如采用石墨颗粒作为加热介质时，它同时也作为供碳剂，空气中的O2与石墨反应形成渗碳气氛CO，使零件渗碳。流态床渗碳的主要优点是：加热速度和渗碳速度快；由于流动粒子对零件表面的冲刷，零件表面不会沉积炭黑，可进行高浓度渗碳；渗层均匀。

4.直生式气氛渗碳

直生式气氛渗碳是将富化气(或液体渗碳剂)与空气(或CO2)直接通入渗碳炉内形成渗碳气氛的一种渗碳工艺。

常用富化气为天然气、丙烷、丙酮等。直生式气氛是非平衡气氛，CO含量不稳定，渗碳时需采用同时测量CO和O2含量的多参数控制进行碳势控制。

直生式气氛渗碳的优点是：碳由气相向工件表面的传递速度快；与吸热式气氛渗碳相比，节省一套气体发生装置；碳势调整速度较吸热式和氮基气氛快；渗碳层均匀，重现性好；对炉子密封性要求不严；对原料气要求较低。随着计算机控制技术应用的不断成熟和完善，直生式气氛渗碳的可控性也不断提高，应用范围正逐步扩大。

5.稀土渗碳

稀土渗碳是在煤油作为渗剂的气体渗碳中，将稀土氯化物溶于甲醇中滴入炉内。试验结果表明，与普通渗碳相比，稀土渗碳的优点是：渗速可提高15%～25%；渗层深度增厚，渗层碳含量提高。此外，渗碳淬火后表层可形成很多弥散分布的碳化物细颗粒，同时马氏体和残留奥氏体细化，使渗层的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和耐磨性提高。

稀土元素应用于渗碳及其他化学热处理都有较好的效果，但稀土元素的催渗机理目前尚不完全清楚。

先进气体渗碳技术的优化方案

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