5.1.1 气体渗碳

1.常用的渗碳剂

气体渗碳所用的渗碳剂按原料的物理状态可分为液体介质和气体介质。常用有机液体的渗碳特性如表5-4所示。

表5-4 常用有机液体的渗碳特性

2.以煤油为渗剂的气体渗碳

图5-2所示为RJJ型井式炉以煤油为渗剂的气体渗碳工艺。表5-5所示为不同型号井式气体渗碳炉渗碳各阶段煤油滴量。

3.煤油+甲醇滴注式渗碳

煤油+甲醇滴注式渗碳是将煤油和甲醇两种有机液体直接滴入高温炉罐内，煤油为渗碳剂，裂解后形成强渗碳气氛；甲醇为稀释剂，裂解形成稀释气体，起保护和冲淡的作用。煤油+甲醇滴注式气体渗碳通用工艺如图5-3所示。

图5-2 RJJ型井式炉以煤油为渗剂的气体渗碳工艺

表5-5 不同型号井式气体渗碳炉渗碳各阶段煤油滴量 （单位：滴/min）

注：1.滴量为每100滴为4mL。

2.数据适用于合金钢，碳钢应增加10%～20%；装入工件的总面积过大或过小，应适当修正。

3.渗碳温度为920～930℃。

图5-3 煤油+甲醇滴注式气体渗碳通用工艺

图中q为按渗碳炉电功率计算的渗剂滴量（mL/min），由下式计算：

q=CW （5-1）

式中 C——每千瓦功率所需要的滴量[mL/（kW·min）]，可取C=0.13；

W——渗碳炉功率（kW）。

Q为按工件有效吸碳面积计算的渗剂滴量（mL/min），由下式计算：

Q=KNF （5-2）

式中 K——每平方米吸碳表面积每分钟耗渗碳剂量[mL/（m²·min）]，取K=1；

N——装炉工件数（件）；

F——单个工件有效吸碳表面积（m²/件）。

上述工艺适于在不具备碳势测量与控制仪器的情况下使用。强渗时间、扩散时间与渗碳层深度的关系可参考表5-6，使用时可根据具体情况进行修正。

表5-6 强渗时间、扩散时间与渗碳层深度的关系

注：若渗碳后直接降温淬火，则扩散时间应包括降温及降温后停留的时间。

4.滴注式可控气氛渗碳

滴注式可控气氛渗碳是将稀释剂和渗碳剂直接滴入高温炉罐，并对碳势进行自动控制的渗碳工艺。稀释剂为甲醇，渗碳剂多用煤油、丙酮、异丙醇等。用CO₂红外仪进行可控气氛渗碳时，渗碳剂由红外仪控制滴入。

使用CO₂红外仪进行可控气氛渗碳，要注意以下几点：

1）工件表面不得有油污、锈蚀及其他污垢。

2）炉盖上的取气管应有水冷套，炉气要先经粗过滤、除水，再经精过滤进入红外仪。

3）红外仪应定期校对零点，以免引起测量误差。

4）每炉都应用钢箔校正碳势，特别是在用煤油作渗碳剂时。

5）严禁在750℃以下向炉内滴入任何有机溶液。每次渗碳完毕后，应检查滴注器是否关紧，以防有机液体在低温下滴入炉内引起爆炸。

滴注式可控气氛渗碳可以获得高质量的渗碳层。既可在多用炉上实现，也可用在改装后的井式气体渗碳炉，只要配备一套气体测量控制装置即可。

为了保证煤油加甲醇充分裂解，对炉体有以下要求：

1）炉罐全系统密封良好，炉气静压大于1500Pa。

2）滴注剂必须直接滴入炉内，炉内加溅油板。

3）滴注剂通过400～700℃温度区间的时间不大于0.07s。

5.吸热式可控气氛气体渗碳

吸热式渗碳气氛由吸热式气体+富化气组成。吸热式气体由专用的吸热式气体发生器产生，常用吸热式气体成分如表5-7所示。富化气一般为甲烷或丙烷。

表5-7 常用吸热式气体成分（体积分数，%）

6.氮基气氛渗碳

氮基气氛渗碳是以氮气为载体添加富化气或其他供碳剂的气体渗碳方法。根据原料气组成的不同，将几种类型氮基渗碳气氛的成分列于表5-8。其中最具代表性的是甲醇+N₂+富化气，氮气与甲醇的体积比以2∶3（40%氮气+60%甲醇裂解气）为最佳。碳势控制宜选用反应灵敏的氧探头。

氮基气氛渗碳具有以下特点：不需要气体发生装置，成分与吸热式气氛基本相同，气氛的重现性、渗碳速度及渗层深度的均匀性和重现性与吸热式气氛相当，能耗低，安全，无毒。

表5-8 几种类型氮基渗碳气氛的成分

7.气体渗碳时对非渗碳表面的防渗处理

对非渗碳表面的防渗碳处理方法如表5-9所示。

表5-9 对非渗碳表面的防渗碳处理方法

表5-10 常用的防渗碳涂料

（续）

8.气体渗碳的操作要点

1）按照气体渗碳炉操作规程检查设备，确保设备运转正常。

2）清除工件表面的油污、锈斑、毛刺和水迹，无碰伤及裂纹。

3）对非渗碳表面进行防渗处理。

4）准备试样。试样的材质要与渗碳工件相同。试样有两种：一种是ϕ10mm×100mm的炉前试棒，用于确定出炉时间；另一种是与工件形状近似的随炉试块，与工件一起处理，用于检查渗碳层深度及金相组织。

5）检查渗剂的数量是否充足。

6）滴油管不得倾斜，应保持垂直状态，以保证渗剂能直接滴入炉膛内。

7）工件装入料筐或挂在吊具上，要有利于减少变形。

8）工件之间的间隙应大于5mm，层与层之间可用丝网隔开，以利于气流循环，使渗碳层均匀。

9）在每一筐有代表性的位置放一块试块。

10）装炉总质量及装料总高度应小于设备规定的最大装载量和炉膛有效尺寸。

11）排气至CO₂体积分数小于0.5%时，排气结束。

12）渗碳罐应保持正压，不得漏气，可用火苗检查炉盖和风扇处有无漏气现象。

13）渗碳阶段，调整炉内压力为200～500Pa。

14）排气管排出的气体应点燃，火焰应稳定，呈浅黄色，长度在80～120mm之间，无黑烟和火星。根据火焰燃烧的状况可以判断炉内的工作情况，若火焰中出现火星，说明炉内炭黑过多；火焰过长，尖端外缘呈白亮色，是渗碳剂供给量太多的表现；火焰太短，外缘为透明的浅蓝色，表明渗碳剂供给量不足或炉子漏气。

15）在渗碳阶段结束前30～60min，检查炉前试棒渗层深度，确定降温的开始时间。检查方法有断口目测法和炉前快速分析法。断口目测法是将渗碳试棒从炉中取出，淬火后打断，观察断口，渗碳层呈银白色瓷状，未渗碳部分为灰色纤维状，交界处的碳的质量分数约为0.4%，用读数放大镜测量表面至交界处的厚度。或将试棒断口在砂轮上磨平，用4%（质量分数）硝酸酒精溶液浸蚀磨面，几秒钟后会出现黑圈，黑圈厚度即可近似代表渗碳层深度，用读数放大镜观测。

16）降至规定温度出炉，按工艺要求将工件冷却或直接淬火。

17）对于连续渗碳炉，开炉前必须用中性气体将空气排走，停炉时必须把炉内气体排净。