滲碳是目前機械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法。其工藝特點是將低碳鋼或低碳合金鋼零件在增碳的活性介質(zhì)（滲碳劑）中加熱到900～930℃，使碳原子滲入表面層，繼之以淬火并低溫回火，使零件表層與心部具有不同的成分、組織和性能。滲碳可分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳。近期又發(fā)展了真空滲碳、可控氣氛滲碳及等離子滲碳等。
一、滲碳的基本過程
根據(jù)滲碳介質(zhì)狀態(tài)的不同，可以分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。但無論采用何種滲碳介質(zhì)，都包括分解、吸收和擴散三個基本過程。
1. 滲碳介質(zhì)的分解過程
分解就是活性介質(zhì)在一定溫度下進行化學(xué)分解，析出活性原子（或離子）的過程。例如在氣體滲碳時，煤油在高溫?zé)岱纸鈺r產(chǎn)生甲烷（CH4），在鋼件的表面按如下反應(yīng)分解出活性碳原子［C］，即CH4→2H2+[C]?；瘜W(xué)介質(zhì)分解的速度，取決于化學(xué)介質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量、分解的溫度、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(chǎn)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(zhì)所分解的活性碳原子吸附在鋼件表面后，溶入奧氏體中并形成間隙固溶體。當(dāng)碳濃度超過該溫度下奧氏體的飽和濃度時，可形成化合物（碳化物）。吸收的強弱，與活性介質(zhì)的分解速度、滲入元素的性質(zhì)、擴散速度、鋼件的成分及表面狀態(tài)有關(guān)。
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）向鋼深處的遷移，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(xué)熱處理所共有的基本過程，同樣適用于其他化學(xué)熱處理，例如滲氮、碳氮共滲、滲硫、滲硼及滲金屬等。
二、氣體滲碳工藝操作
本工藝為某廠氣體滲碳工藝規(guī)范，適用于低碳鋼和低碳合金鋼制造的零件，其滲層深度要求1.1～1.3mm，滲碳劑為煤油。
如圖3-11所示，滲碳過程一般由排氣、強烈滲碳、擴散和降溫4個階段組成。
1. 排氣
滲碳零件裝入滲碳爐后必將引起爐溫降低，同時帶入大量空氣。排氣的作用在于恢復(fù)爐溫到規(guī)定的溫度，并盡量排除爐內(nèi)空氣。通常采取加大滲劑流量以使?fàn)t內(nèi)氧化性氣氛迅速減少。排氣時間往往在儀表溫度達到滲碳要求的溫度后再延長30～60min，以使?fàn)t氣成分達到要求，并使?fàn)t內(nèi)溫度均勻及工件燒透。排氣不好會造成滲碳質(zhì)量降低和滲碳速度減慢。
2. 強烈滲碳
排氣階段結(jié)束后，即進入強烈滲碳階段。其特點是滲碳劑滴量較多或氣氛較濃，使工件表面的碳濃度高于最后的技術(shù)要求，增大表面的碳濃度梯度可以提高滲碳速度。強烈滲碳時間主要取決于滲碳零件滲碳層的要求。
3. 擴散
滲碳進入擴散階段是以減少滲碳劑滴量或濃度為標(biāo)志的。此時爐內(nèi)滲碳能力降低，工件表層過剩的碳繼續(xù)向內(nèi)部擴散，最后得到符合要求的滲層深度及合適的碳濃度分布。擴散階段所需時間由中間試棒的滲碳層深度確定。
4. 降溫
對于可直接淬火的零件應(yīng)隨爐冷至適宜的淬火溫度（一般在840～860℃），并保溫20～30min，使零件內(nèi)外溫度均勻后出爐淬火；對于需要重新加熱淬火的滲碳零件，可自滲碳溫度出爐放入緩冷罐中。
三、氣體滲碳操作要點
為了保證滲碳質(zhì)量，滲碳零件在進入滲碳爐前應(yīng)清除表面污垢、鐵銹及油脂等。常用熱水或含Na2CO3的水溶液清洗介質(zhì)，對銹蝕工件可采用噴砂清理。
零件裝在料筐或掛具上，彼此間應(yīng)留出50～10mm的間隙，以保證滲碳介質(zhì)能與零件充分接觸和循環(huán)流通。
滲碳爐密封要好，并始終保持爐內(nèi)氣氛為正壓力（一般在20～60mm水柱高）。風(fēng)扇應(yīng)始終運轉(zhuǎn)，以使零件能經(jīng)常與新鮮氣氛接觸。排氣口要點燃，以免廢氣污染空氣，并便于觀察判斷爐內(nèi)工作情況。有條件的應(yīng)該進行爐氣分析。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，用煤油滲碳時，爐內(nèi)氣氛成分應(yīng)控制在下列范圍：CnH2n+21.5%,CnH2n≤0.6%%,CO:20%~35%,H2:50%~65%CO2≤0.5%O2≤0.5%,N2余量。在這種氣氛下對低碳合金鋼零件滲碳后表層碳含量在0.8％～1.0％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而且炭黑很少。零件出爐時間根據(jù)隨爐試樣的層深檢查結(jié)果決定。試樣材料應(yīng)與零件相同。對于不同的鋼種和層深，不宜同爐滲碳。
另外，對新滲碳罐、新的工夾具應(yīng)預(yù)先滲碳。在正常生產(chǎn)情況，停爐較長再開爐升溫時也應(yīng)進行爐腔滲碳。
四、滲碳零件的熱處理
滲碳只能改變零件的表面化學(xué)成分，而零件表面的最終強化則必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?。通過熱處理可使零件的高碳表層獲得細小的馬氏體，而零件的心部由低碳馬氏體、托氏體、索氏體等組織所組成。滲碳后可采用不同的熱處理方法：直接淬火、一次淬火及二次淬火，淬火后必須進行低溫回火。
1. 直接淬火
直接淬火是指工件滲碳后隨爐降溫到高于Ar1或Ar3溫度（760～850℃），然后直接淬火的方法，淬火后在150～200℃回火2～3h。
隨爐降溫或出爐預(yù)冷的目的是為了減少淬火內(nèi)應(yīng)力，從而減小工件的變形。同時，還可使高碳的奧氏體析出一部分碳化物，降低奧氏體的碳濃度，從而減少淬火后殘留的奧氏體，使零件表面獲得較高的硬度。
直接淬火的優(yōu)點是：減少了加熱和冷卻的次數(shù)，使操作簡化，生產(chǎn)效率提高，還可減少淬火變形及表面氧化、脫碳傾向。直接淬火適用于低碳合金鋼等本質(zhì)細晶粒鋼，不適用于本質(zhì)粗晶粒鋼及滲碳時表面碳濃度高的零件。
2. 一次淬火
一次淬火是指零件滲碳后立即出爐或降溫到860～880℃出爐，在冷卻坑內(nèi)冷卻至室溫，然后再重新加熱淬火。適于本質(zhì)粗晶粒鋼零件，以及不宜直接淬火的零件。
3. 二次淬火
對本質(zhì)粗晶粒鋼或使用性能要求很高的零件，要采用二次火，或一次正火加一次淬火，以保證滲碳零件的心部和滲層都達到高的性能要求。第一次淬火（或正火）溫度，碳鋼為880～900℃，合金鋼為850～870℃，目的是細化心部組織，并消除表面網(wǎng)狀碳化物。第二次淬火溫度則要根據(jù)高碳的表層來決定，一般選擇稍高于Ac1的溫度（770～820℃）。
二次淬火，有可能出現(xiàn)較大的淬火缺陷，工藝較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，故僅用于表面耐磨性、疲勞強度和心部韌性等要求較高的重載荷零件。
