可控气氛渗碳原理

可控气氛渗碳原理、工艺及常见问题分析

一.渗碳原理

1.定义：渗碳是目前机械制造业中应用最广泛的一种化学热处理方法。

它是渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子，经过表面吸收和扩散将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表层，使其达到共析或略高于共析成份时的含碳量，以便将工件淬火和低温回火后，其表层的硬度、强度，特别是疲劳强度和耐磨性较心部都具有显著的提高，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。

2化学热处理是将工件放在一定的活性介质中加热，使金属或非金属元素扩散到工件表层中，改变表面化学成份的热处理方法。

通过改变表面化学成份或随后的热处理，可以在同一种材料的工件上使心部和表面获得不同的组织和性能。譬如，可以在保持工件心部有较高的强韧性的同时，使其表面获得高的强度，硬度和耐磨性能。如渗碳，改善零件间抗咬合及提高抗擦伤能力的如渗氮，使工件具有抗氧化、耐高温和抗蚀性能的如渗铝，渗铬，渗硅。

3.化学热处理的其本过程：

2CO←→[C]+CO2 渗入组元C，CO；2CO+Fer←→Fer(c)+CO2

CO+H2O ←→CO2+H2

CH4←→[C]+2H2

T—温度t—时间P—总压力Pi—渗剂中组元的分压力ai—元素的活度Cp—碳势Me—金属RM—渗剂DE-扩散元素ac RM—渗碳介质中碳的活度

ac表面—工件表面碳活度

活度ªc—碳在奥氏体中的相对浓度

碳势Cp—表征含碳气氛在一定温度下改变钢件表面含碳量能力的参数。

渗剂金属

Ⅰ

渗剂中的反应

Ⅱ

渗剂中的扩散

Ⅲ

相界面反应

吸附和解吸过程

Ⅳ

金属中的扩散

Ⅴ

金属中的反应

部浓度梯度而

发生C的扩散

奥氏体中碳浓度升

高，二次Fe3C析出

（冷却时）。碳在

Me周围富集，

碳与Me间相互作

用。

平衡时：

ac RM=ac表面

t1＜t2＜t3＜t4＜t5

3.1第Ⅰ过程—渗剂中的反应，平衡常数及其与温度的关系

无论采用何种渗碳剂，主要渗碳组分应均为CO或CH4,产生活性碳原子[C].

当{ P CO2 / P2 CO；P2H2 / P CH4；P CO2 P H2/P CO P H2O；P1/2O2/P CO}＜K时，反应正向进行，反之逆向进行。气氛的碳势CP= P2CO/ P CO2或P CH4/ P H2; P CO/ P1/2O2,是用来度量介质活性即提供活性碳原子的能力。与其气氛组分的分压即平衡常数直接有关，而K有与温度有密切的关系。同样的组分，温度越高，碳势越低。

因此，只要控制气氛的组分的分压（或体积分数），就可控制反应进行的方向。不仅保护工件不氧化，不脱碳而且还可以实现渗碳。

所谓的碳势控制就是控制这些炉气组分间的相对量。如在RX气氛中由于燃料气体（CH4或C3H8）和空气的比例实际在一个很小的围变化（2.38或7.14）。所以H2，CO基本不变，分别为20.7%；38.7%或23%；32%。

要控制炉气的碳势，只需改变其中的微量组分CO2或H2O的含量即可。因为根据水煤气反应，在CO，H2量基本不变的情况的下，CO2或H2O有一定的对应关系，同样O2也与之有对应关系。

控制任意一个因子的分压即可达到控制碳势的目的。这也是CO2红外仪，露点仪，O2探头控制碳势的原理所在。

3.2 第Ⅱ过程—渗剂中的扩散，渗剂向零件表面扩散(传递、传输)，然后相界面

反应物（CO2，H2O）从界面逸散（包括解吸的渗剂）。与温度T，流速有关。

流速与炉压、气流方向、排气口的开启度，保压阀的调整,风扇的数量、位置、马弗安装，零件的装载方式有关。通过排气口加以观察。（生产中拆卸的保压阀的安全问题，碳黑的清理。举例：火苗的长度、颜色—白烟、爆火星）

3.3第Ⅲ过程—相界面反应：

渗入元素活性原子[C]吸附在零件表面并发生反应。吸附过程可能是单纯的物理吸附。同时也可能是在吸附原子[C]和金属Me表面原子之间发生强烈化合的化学吸附。被吸附的活性介质与金属表面发生吸附—解吸过程。

3.3.1 以CO为气体渗碳剂时CO分解过程的相界面反应为例（见前图）

2CO CO2+[C]

该反应的实质就是一个CO分子从另一个CO分子中夺取氧原子而生成CO2,同时析出一个活性碳原子。这必然要破坏一个CO分子的C—O键而碳和氧之间的结合力是很强的，如果单靠两个CO分子间猛烈的碰撞来破坏C—O键，

完成上述转化过程几乎是不可能。就是说，在气相中进行上述反应需要很高的激活能，反应速度极小。当有金属铁存在时，反应速度就快很多。

显然，铁的存在不仅吸收分解出来的[C],而且促进了CO的分解，起催化作用。

首先CO与铁原子发生吸附，CO被强烈地变形，从而削弱C和O间原有的结合力，为破坏C—O键提供有利条件。

其次气相中的CO分子碰撞在已被吸附在金属铁表面的CO分子中的氧原子时，被吸附而变形的CO分子就很容易地与气相中CO作用，成为CO2和[C]，吸附的[C]又可进一步渗入铁的晶格中。

由此说明铁和CO的化学吸附是客观存在的，正因为如此，铁对CO分解的催化作用才能理解。由此可见，吸附作用对CO分解和[C]的吸收有密切关系。

3.3.2 相界面反应的三个阶段

●介质活性原子或分子CO被钢铁表面吸附，对于完全洁净的表面上化学

吸附是瞬间即可完成。

●相界面反应，往往首先在金属表面发生还原反应，即H2，CO等将金属

表面氧化膜还原（去钝化作用）从而使表面活化，然后再进一步的相界

面反应使活性原子在表面被吸附。预氧化的作用就在于使钢铁表面活化

而提高渗速和层深均匀化。举金刚例子。

●分解产物CO2脱离工件作为废气排出，同时活性原子被工件表面吸附并

向钢铁表面扩散。

※换气系数的确定—吐故纳新，底出料、浅泳出料方式，换气系数为0.8左右。

3.3.3碳传递系数β——表征渗碳界面反应速度的常数。

物理意义为：单位时间（S）气氛传递到工件表面单位面积的碳量与气氛碳势和工件表面碳含量之间的差值（CP-CS）之比。即Ｊ/（CP -CS）。与渗碳温度、渗碳介质、渗碳气氛的组份有关,举例肺扩量。

3.4第Ⅳ过程金属中的扩散—最重要的过程，化学热处理的关键过程。

3.4.1 渗入元素的原子（如碳原子）在基体金属部的扩散，取决于碳在钢中的扩

散系数和浓度梯度。

扩散系数D=0.162exp(-16575/T) 即D=0.162e-16575/T—举例血红蛋白。

碳的扩散系数与渗碳温度，奥氏体碳浓度及合金元素的品种和含量有关。

碳化物形成元素（Cr、Mo、W）降低碳的扩散系数而非碳化物形成元素（Ni、Co）则提高碳的扩散系数；Mn几乎没有影响，而Si却降低碳的扩散系数。但随着温度的变化和合金元素含量的不同其影响是比较复杂的。

3.4.2 如果渗碳温度一定，渗层深度与时间服从抛物线规律。

即X=802.6τ1/2/10（3720/T）X—渗层深度（mm），τ—时间（h）：（含扩散时间，不含加热、降温时间），T—绝对温度（K）。

上式可简化为875℃时，X=0.45r1/2;900℃时，x=0.54τ1/2 ，925℃，x =0.63τ1/2.实际上渗碳时间τ不仅是与渗碳温度有关，还与炉气碳势Cp，合金钢中合