5.1.5 真空渗碳

真空渗碳是在真空炉中加热，在负压渗碳气氛中进行渗碳的一种高温气体渗碳工艺。由于真空渗碳温度较高，真空对表面又有净化作用，渗碳时间可显著缩短，一般为气体渗碳的1/2左右。

1.真空渗碳工艺

（1）渗碳剂 真空渗碳主要使用甲烷、丙烷、氮基气氛或乙炔等气源作渗碳剂，甲烷纯度要求在96%（体积分数）以上。

（2）渗碳温度 真空渗碳的渗碳温度一般为900～1100℃。不同形状，不同要求的工件，应采用不同温度和不同工艺方式的真空渗碳，可参考表5-18。

表5-18 真空渗碳温度的选取参考

（3）渗碳方式 真空渗碳可分为一段式、脉冲式和摆动式三种工艺方式，如表5-19所示。

表5-19 真空渗碳工艺方式

（续）

（4）渗碳时间 真空渗碳的渗碳时间可通过以下方法确定。

1）计算法。根据Harris关系式，渗层深度、渗碳时间与渗碳温度之间的关系可定量表述为

式中 d——总渗碳深度（mm）；

T——渗碳温度（K）；

t——渗碳总时间，包括渗碳时间和扩散时间（h）。由式（5-3）得

t=Kd² （5-4）

式中 K——渗碳速度系数（h/mm²），如表5-20所示。

表5-20 不同温度下的渗碳速度系数K值

注：未列出的K值可根据式（5-4）计算。

当渗碳所需总时间为t时，可按下式求出渗碳时间和扩散时间

t_c=t[（C_d-C₀）/（C_c-C₀）]² （5-5）

t_d=t-t_c （5-6）

式中 t——渗碳所需总时间（h）；

t_c——渗碳时间（h）；

t_d——扩散时间（h）；

C_c——渗碳期结束后表面碳的质量分数（%）；

C_d——扩散期结束后表面碳的质量分数（%）；

C₀——钢材原始碳的质量分数（%）。

2）查表法。根据Harris关系式，对低碳钢的渗碳深度与渗碳温度和渗碳时间进行计算，计算结果列于表5-21，供参考。

表5-21 渗碳温度、渗碳时间与总渗碳深度的关系

注：未列出渗碳温度与渗碳时间的总渗碳深度可根据式（5-4）计算。

3）作图法。根据图表作图求得渗碳时间与扩散时间。图5-6和图5-7所示分别为930℃、1040℃下渗碳层深度、表面碳含量与渗碳时间、扩散时间的关系。

图5-6 930℃下渗碳层深度、表面碳质量分数与渗碳时间、扩散时间的关系

（5）炉内压力和渗碳气流量 采用一段式渗碳工艺，以甲烷作渗碳气体时，炉内压力为26.6～46.6kPa；以丙烷作渗碳气体时，炉内压力为13.3～23.3kPa。

对于脉冲式渗碳工艺，渗碳效果主要与脉冲式充气和抽气有关，搅拌风扇作用不大，渗碳气的压力可小些，一般在19.95kPa就可以了。当装炉量及渗碳表面积很小时，可适当降低。渗碳气流量按炉膛容积及压升速度来确定，压升速度一般为133Pa/s。

（6）脉冲周期 渗碳气体通入炉中，当炉气达到充气最高压力后停止供气，此为前半周期。停止供气后即开始排气，此即后半周期。后半周期长度应等于前半周期。

（7）脉冲次数 以渗碳期时间除以脉冲周期，即得出脉冲次数。

（8）非渗碳表面防护 对工件非渗碳表面，渗碳前涂防渗碳涂料或进行镀铜处理。

图5-7 1040℃下渗碳层深度、表面碳质量 分数与渗碳时间、扩散时间的关系

2.真空渗碳淬火操作

（1）清洗 工件、料盘和夹具必须清洗干净，以去除表面的油污和脏物。以免入炉后影响渗碳或在炉内产生炭黑。所用铁丝必须去除镀锌层。

（2）工件的放置 料盘和夹具一般用耐热钢或不锈钢材料制造。工件插放或堆放，小工件要用不锈钢网分层放置。新料盘和夹具需进行一次渗碳处理。

（3）抽真空与净化 工件入炉后抽真空，当达到60～66.5Pa时，开始加热。继续抽真空，使工件脱气，除去表面的氧化物、油脂及污物，使工件表面活化。

（4）加热和均热 当炉温加热到渗碳温度后，需要保温一段时间，使炉子各部位的工件及工件各部位都达到同一温度，以获得均匀的渗碳层。均热时间一般以工件有效厚度1h/25mm计算，或由观察孔目测工件与炉温颜色的一致性来判断。

（5）渗碳 保持炉温不变，向炉内通入渗碳剂，并根据不同的渗剂选择适当的炉压。根据不同的渗碳方法采用强渗—扩散、脉冲—扩散的方式。