滲碳是目前機械工業中應用最廣泛的一種化學熱處理方法。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（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 

  根據滲碳介質狀態的不同，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，都包括分解、吸收和擴散三個基本過程。

 1. 滲碳介質的分解過程

    分解就是活性介質在一定溫度下進行化學分解，析出活性原子（或離子）的過程。例如在氣體滲碳時，煤油在高溫熱分解時產生甲烷（CH₄），在鋼件的表面按如下反應分解出活性碳原子［C］，即CH₄→2H₂+[C]。化學介質分解的速度，取決于化學介質的性質、數量、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，與活性介質的分解速度、滲入元素的性質、擴散速度、鋼件的成分及表面狀態有關。

 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、擴散是各種化學熱處理所共有的基本過程，同樣適用于其他化學熱處理，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爐溫到規定的溫度，并盡量排除爐內空氣。通常采取加大滲劑流量以使爐內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，以使爐氣成分達到要求，并使爐內溫度均勻及工件燒透。排氣不好會造成滲碳質量降低和滲碳速度減慢。

 2. 強烈滲碳

    排氣階段結束后，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志的。此時爐內滲碳能力降低，工件表層過剩的碳繼續向內部擴散，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 

  為了保證滲碳質量，滲碳零件在進入滲碳爐前應清除表面污垢、鐵銹及油脂等。常用熱水或含Na2CO3的水溶液清洗介質，對銹蝕工件可采用噴砂清理。

  零件裝在料筐或掛具上，彼此間應留出50～10mm的間隙，以保證滲碳介質能與零件充分接觸和循環流通。

  滲碳爐密封要好，并始終保持爐內氣氛為正壓力（一般在20～60mm水柱高）。風扇應始終運轉，以使零件能經常與新鮮氣氛接觸。排氣口要點燃，以免廢氣污染空氣，并便于觀察判斷爐內工作情況。有條件的應該進行爐氣分析。根據生產經驗，用煤油滲碳時，爐內氣氛成分應控制在下列范圍：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％（質量分數），而且炭黑很少。零件出爐時間根據隨爐試樣的層深檢查結果決定。試樣材料應與零件相同。對于不同的鋼種和層深，不宜同爐滲碳。

  另外，對新滲碳罐、新的工夾具應預先滲碳。在正常生產情況，停爐較長再開爐升溫時也應進行爐腔滲碳。

四、滲碳零件的熱處理 

  滲碳只能改變零件的表面化學成分，而零件表面的最終強化則必須經過適當的熱處理。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。

    隨爐降溫或出爐預冷的目的是為了減少淬火內應力，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。

    直接淬火的優點是：減少了加熱和冷卻的次數，使操作簡化，生產效率提高，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細晶粒鋼，不適用于本質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，在冷卻坑內冷卻至室溫，然后再重新加熱淬火。適于本質粗晶粒鋼零件，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，并消除表面網狀碳化物。第二次淬火溫度則要根據高碳的表層來決定，一般選擇稍高于Ac1的溫度（770～820℃）。

    二次淬火，有可能出現較大的淬火缺陷，工藝較復雜，生產周期長，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。