5、气体渗碳工艺参数
1）渗碳温度
气体渗碳温度通常选择900～950℃。 这是因为：
(1)在此温度下，工件位于奥氏体单相区。 奥氏体对碳原子的溶解度较大，使得更多的碳原子渗入表层，形成较大的浓度梯度，加速扩散（J=-DdC/dx）。
(2)从扩散系数与温度的关系D=D0·exp(-Q/RT)可以看出，提高温度可以显着提高碳原子的扩散系数。 渗碳的三个基本过程中，分解和吸收相对容易，而扩散则困难得多。 如果能显着提高原子扩散系数，则渗碳速度将大大加快。 试验表明，渗碳温度每升高55℃，获得相同渗碳层深度所需的时间就缩短一半钢材温度变形系数，因此应尽可能选择较高温度的渗碳。 下图显示了温度对渗层深度和碳质量分数的影响。 从图中可以看出，在925℃渗碳3小时后，wC>0.4%的渗碳层深度仅为0.8mm，而在1000℃时可达1.3mm，且温度越高，碳含量梯度越平缓。
(3)大多数钢在此温度下渗碳时，奥氏体晶粒不会明显长大，炉子寿命基本不受影响。 但温度过高，会使奥氏体晶粒粗化，工件变形增大，设备使用寿命缩短。 对于薄层渗碳，优选880～900℃，因为较低的温度有利于控制渗碳层的深度并减少变形。
2）渗碳时间
渗碳层深度与时间的关系可用下式表示
式中，δ——渗碳层深度，mm；
τ——渗碳时间，h；
k——与温度有关的常数。 在875℃、900℃、920℃和930℃时，k分别为0.45、0.54、0.63和0.65。
实际生产中，往往根据平均渗碳速度来估算大致的渗碳保温时间。 例如，如果用煤油在920℃的井式渗碳炉中对钢进行渗碳，则保温时间可估算为0.25mm/h。 不同介质、碳势、炉型、温度、炉装量下的准确渗碳时间应通过工艺试验确定。
需要说明的是，上面介绍的渗碳温度和时间参数的选择也适用于固体和液体渗碳。
3）增碳剂流量
实践表明，在渗碳的不同阶段，所需的渗碳剂流量是不同的。 这主要是由于渗碳不同阶段工件对碳原子的吸收能力不同所致。 在渗碳初期，工件表面有较大的吸收碳原子的能力。 此后，表面吸收碳的能力下降。 如果此时仍采用初始流量，则会在表面堆积大量活性炭原子，产生大量炭黑，阻碍渗碳的正常进行，同时也造成浪费。 因此，随着时间的延长，增碳剂的流量应相应减少。
单位面积吸碳量与渗碳时间的关系
增碳剂的流量一般需要考虑以下因素。
(1)炉装量：渗透剂的流量与零件的总有效渗碳面积有关。 渗碳面积越大，渗透剂的流量越大。
(2)碳势：要求的碳势越高，增碳剂的流量应越大。
(3)渗碳罐和工装的状况：新炉罐和工装的碳含量往往很低，渗碳时会吸收大量的碳原子。 首次使用时应进行预渗碳，以免渗碳过程中影响炉内碳势。
(4)炉槽容积：随着容积增大，增碳剂的流量也应相应增大。
(5)增碳剂类型：产气量大、活性强的增碳剂，需要较小的流量； 否则，需要更大的流量。
此外，渗透剂的流量还与钢种、渗碳工艺等因素有关。 应根据具体情况灵活控制生产。
4）炉内压力：通常情况下，炉内应保持正压（98~392Pa），以防止空气进入炉内，并有利于炉内废气的排除。 炉内压力的大小也会影响有机液滴的分解和吸收。 提高炉压有利于反应向减少气体分子数的方向进行。
6、滴式气体渗碳工艺
1）滴流式分段渗碳法
早期滴渗渗碳过程中，滴落体积保持不变（这种方法也称为固定碳势渗碳法）。 由于碳在工件表面的吸收率前期大，后期小，如果在渗碳后期仍采用较大的滴量，就会在工件表面沉积碳黑。工件，阻碍碳原子在表面的进一步吸附，造成渗透剂的浪费。 目前，固定碳势渗碳法已基本被分段渗碳法（又称变碳势渗碳法）所取代。 分段渗碳法将渗碳过程分为排气、强渗碳、扩散和冷却四个阶段，如下图所示。 每个阶段使用不同的滴量和碳势。 滴注式分段渗碳法不采用碳势测控仪器来控制碳势。 常用的滴加渗碳剂有煤油、甲醇+煤油、甲醇+丙酮等，使用的设备多为井式炉。
分段渗碳工艺曲线
(1)排气阶段：工件入炉时，炉温应超过880℃，否则工件在炉内氧化成分较多的环境下加热时间过长，会被氧化。 由于装炉时炉温会下降，也会将大量空气带入炉内。 因此，为避免氧化，装料后应尽快将氧化气体排出炉外。 生产中，900℃以下废气常用大滴甲醇或大滴甲醇+小滴煤油。 当炉温升至900℃以上时，改用煤油或增加煤油滴量。 由于煤油在850℃以下分解率低，烯烃（乙烯、丙烯）含量高，容易产生炭黑和结焦。 若仅用煤油排气，应待炉温升至900℃以上后方可增加煤油滴量。
排气完成后（或炉子安装后），将中间检验样品放入样品孔中（此样品用于检查炉前渗碳层的深度，以确定扩散阶段的结束时间）并密封样品孔。 。 当炉温升至渗碳温度时，继续排气30～60分钟，使炉内气氛碳势达到要求（CO2、O2小于0.5%），然后过渡到强渗碳（强渗碳）阶段。
(2)强渗阶段：强渗阶段是指工件在高碳势气氛条件下进行渗碳，使其很快达到高碳含量的阶段。 在此阶段，在不出现炭黑和网状或大的碳化物的前提下，尝试使用大滴煤油，在炉内创造较高的碳势，使工件表面的碳含量高于要求碳含量。 增大碳含量梯度，提高碳原子的扩散速度。 渗碳剂滴量应根据炉型、工件材质和渗碳总表面积通过工艺试验确定，炉压应保持在147~196Pa。
强渗透阶段的时间主要取决于所需的渗透层深度。 通常，当中间样品的渗透深度达到所需渗透层深度的2/3左右时，即可转入扩散阶段（也可以0.15~0.2mm/h估算强渗透时间，准确的时间由过程测试确定）
渗碳过程中，炉气气氛通常可以通过观察废气的火焰来判断：正常火焰为淡黄色，无黑烟和白色明亮火焰（或火花），火焰长度为100~200mm，炉压200~300Pa。 火焰中出现火花，说明炉内炭黑过多； 火焰过长，尖端外缘呈亮白色，说明增碳剂供给量过大； 火焰太短，呈浅蓝色透明，说明增碳剂供给量不足或炉槽漏气。 一般每半小时检查一次炉温、渗碳剂滴量和炉压。
(3)扩散阶段：扩散阶段是指在强渗透阶段后有意降低大气碳势，使从富碳表层向内扩散的碳含量超过通过介质，使渗层碳含量梯度趋于平缓阶段。 经过强烈渗碳后，工件表面的碳含量高于技术规定的碳含量。 因此，扩散阶段应适当减少渗碳剂滴量，使工件表面的碳含量降低到规定值，并使碳含量梯度平滑。 ，渗层厚度进一步加深（当有效硬化层厚度小于1mm时，无需设置扩散阶段）。 下图比较了强化渗透阶段结束时和扩散阶段结束时的碳含量分布曲线。 从图中可以看出，随着扩散阶段的增加，表面碳含量降低，分布曲线变得更加平坦。 扩散阶段的结束时间通常根据样品渗透层的深度来确定（如果可能的话还应测量表面碳含量）。
(4)冷却、排出：当渗透层深度达到技术要求时，即可完成扩散过程(通常在扩散阶段)。 结束前1小时左右取出中间检验样品，确定扩散阶段的结束时间，开始随炉冷却（冷却和后续保温过程中，实际扩散仍在进行）。 随炉冷预冷的目的是使渗层中析出一些碳化物，降低奥氏体中的碳含量，从而减少淬火后的残余奥氏体量，减少脱碳和畸变； 沉淀的碳化物对钢的电阻有负面影响。 耐磨性也有好处。 在冷却及后续保温过程中，为防止表面脱碳，需继续滴加适量甲醇或煤油，炉压控制在49～98Pa。保温温度和时间确定通过过程测试。 保温完成后，根据具体钢种和工艺要求，采用直接淬火或其他冷却方法。 渗碳后常用的冷却方法见表。
滴注分段渗碳工艺示例。
某汽车后桥主动螺旋锥齿轮的材料及技术要求是：表面碳的质量分数为0.8％～1.05％； 渗碳层深度为1.2～1.6mm； 齿面及直径34mm硬度为58～64HRC，中心及花键处硬度为33～48HRC，螺纹处≤38HRC； D1和D2处的径向圆跳动≤0.05mm。 下图为齿轮在井式炉中采用煤油滴注式分段渗碳的工艺曲线及工件图。 该齿轮的加工路线为：锻造→预备热处理→机械加工→渗碳、调质→抛丸→精加工→涂油包装。 预备热处理采用(960±10)℃正火，正火后硬度为156~。
某汽车后桥主动螺旋锥齿轮井式炉滴注式分段渗碳工艺曲线及工件图
(a) 工艺曲线； (b) 工件图
渗碳前，先用汽油清洗工件（或在80～90℃的10%水溶液中保持3～5分钟），除去工件表面的油污和锈斑，然后刷涂花键。不需要渗碳。 防渗涂层（渗碳后不需要渗碳的地方也可以预留加工余量，去除渗碳层）。 采用专用吊具将工件装入炉内，垂直均匀放置，保证炉气良好流通，减少变形。 装炉时，放3个与齿轮材料同批号、同热处理状态的最终检验样品（置于上、中、下三个位置。最终检验样品用于淬火后的金相组织和脱碳程度）和回火等）。
在排气初期（850~900℃），使用小滴煤油（60~120滴/分钟），以防止炭黑的形成。 达到900℃后，增加至180滴/分钟，加速排气。 达到温度后，继续排气30至45分钟。 排气完成后，放入中间检验样品，然后关闭样品孔。 强渗透阶段，煤油滴注量约为60滴/分钟，时间约为100%，压力为147~245Pa。 扩散阶段时，滴量减少至50滴/分钟，压力维持在49～147Pa。扩散阶段的结束时间根据中间检验样品的渗透层深度确定。 当满足要求后，即可进入冷却阶段。 为了防止脱碳，在预冷和随后的等温期间应继续滴煤油，滴量与扩散阶段基本相同。 等温30分钟后，在油中淬火。
由上可见，滴注式分段渗碳通过采用不同的滴注渗碳剂、滴量、不同阶段的温度来控制渗碳质量。 调节滴注渗碳剂、滴量和温度。 ，通常是手动操作。 这种控制方法比较粗糙，渗碳质量不高，但经济、简单、易于实施。 在不具备可控气氛渗碳条件的企业中仍广泛使用。
2）滴式可控气氛渗碳
可控气氛渗碳采用自动碳势测控装置控制炉气成分，从而控制渗碳质量。 与分段渗碳相比，控制气氛渗碳具有渗碳质量好、质量稳定、渗碳速度较快的优点。
(1)滴落式可控气氛渗碳滴剂。
滴注式可控气氛渗碳滴注剂主要有以下三种类型：
①甲醇-乙酸乙酯。 用甲醇-乙酸乙酯渗碳时，甲醇形成稀释气体，乙酸乙酯形成浓缩气体。两者在渗碳温度下可按下式分解
由于两者分解产物中H2和CO的比例为2:1，因此渗碳时，无论两滴相对量如何变化，炉气中CO和H2的比例是恒定的。 这样，基于前述的碳势控制原理，只要测量和控制CO2、H2O、CH4中任意一种的含量（或分压），就可以控制炉气成分，从而控制碳潜在的。 炉气碳势可通过红外气体分析仪测量CH4或CO2（或使用露点仪测量H2O）并配备自动调节装置调节两种滴加渗碳剂的滴量来控制。 这种滴滴式增碳剂的优点是采用单参数碳势控制时，控制更加准确。
②甲醇-丙酮。 图5-6显示了不同滴滴渗碳剂与甲醇混合时对炉气中CO含量的影响。 由图可见，当采用甲醇作为稀释剂时，采用乙酸乙酯作为滴加渗碳剂最为理想。 即当乙酸乙酯滴量变化时，CO含量基本保持不变； 也可将甲醇与丙酮按适当比例混合使用。 取得更好的成绩。
甲醇-丙酮的另一个优点是丙酮的裂解性能比乙酸乙酯好，用红外仪器控制时比乙酸乙酯好。
③甲醇煤油。 煤油渗碳能力强，价格便宜，供应方便。 但如果单独使用煤油，煤油裂解后会产生大量的CH4和[C]，造成炉内结焦严重，且炉气成分不稳定，难以控制。 单一煤油实际上并不适合可控气氛渗碳。 当甲醇和煤油按适当比例混合时（甲醇裂解产物中的H2O、CO2等可与CH4和[C]发生氧化反应，使其含量显着降低），炭黑将显着减少。 目前，国内中小企业仍广泛使用甲醇煤油滴渗渗碳剂。
采用甲醇+煤油作为滴加渗碳剂时，通常使用较大滴量的甲醇，并且在整个渗碳过程中甲醇滴量基本保持不变； 采用小滴体积的煤油(煤油的体积分数一般为15%～30%)，煤油滴的量随工件表面吸碳能力的变化而变化。 当炉气中的成分趋于稳定，CO2含量达到预设值（即碳势达到预定的碳势）时，可以通过开启红外仪器和控制仪来控制炉气的碳势。自动控制装置。
甲醇煤油滴加渗碳剂的主要优点是经济。 缺点是炉气中除CO2外，CO、H2O、CH4等含量不够稳定，且甲烷含量往往较高（体积分数>12%）。 如果仅对CO2等组分进行单参数控制而忽略其他组分的控制，碳势控制精度会较低。
(2)滴式可控气氛渗碳系统。
下图所示的井式气体渗碳装置碳势控制系统中，由抽气泵抽取的炉气样品，经过干燥器和过滤器去除水分和灰尘后，由流量控制器控制引入进入红外仪器。 。 红外仪连续自动测量炉气中的CO2，并由记录仪指示和记录。 同时红外仪器将测得的炉气中CO2含量值发送至调节器。 调节器将此值与过程设定的CO2含量值进行比较，以获得偏差信号。 该偏差信号用于控制电磁阀的开启和关闭时间。 ，从而控制碳势。
井式气体渗碳装置碳势控制系统示意图
1—甲醇； 2——煤油； 3—电磁阀； 4——调节器； 5—红外测温仪； 6——记录仪； 7—流量计； 8——开关； 9——标准气瓶（1%CO2）； 10—取样泵； 11-过滤器； 12-干燥机； 13-冷却器； 14井渗碳炉
(3)滴式可控气氛渗碳工艺。
滴注式可控气氛渗碳工艺与分段式非可控气氛渗碳工艺类似，即一般包括排气、强渗、扩散、冷却四个阶段。 下面以滴注可控气氛渗碳工艺为例进行说明。
某汽车变速器五档齿轮采用甲醇-煤油滴注可控气氛渗碳。 渗碳层深度为0.9~1.3mm。 该设备是RJ-75-9T。 下图是工艺曲线。 此过程中，当炉温低于900℃时，采用大滴甲醇排气（150-180滴/分钟）； 当炉温大于870℃时，向旁路滴加煤油（90-120滴/分钟）。 加速排气； 当温度大于900℃时，减少甲醇滴量至60-80滴/分钟，同时增加煤油滴量至120-150滴/分钟，继续排气钢材温度变形系数，使炉内气氛达到预定值尽快确定碳势。
当CO2含量达到预设值0.5%（体积分数，下同）时，进入碳势调节期，开启红外仪器控制煤油滴量（60-80滴/min）。 当CO2调整至0.3%（碳势相应上升）时，调整期结束。 之后进入碳势自动控制期，红外仪自动调节碳势：当CO2含量高于设定值0.3%（即碳势低）时，电磁阀开启增加煤油滴的量，导致碳势上升。 ; 当低于0.3%时（碳势高），电磁阀关闭，减少煤油滴量。 经过一段时间的渗碳后，碳势会降低，CO2量会恢复到0.3%。 冷却均压期间，甲醇滴量减少至120-150滴/min，不滴或少量煤油（CO2由0.3%调整至0.8%，碳势相应降低）。 均压期间，电磁阀关闭，煤油滴量控制在8～10滴/分钟。 均温完毕后，加油淬火冷却。 其中，强渗透实际上是在碳势调整后期开始的，而之前意义上的扩散阶段主要发生在降温开始之后。
(4)碳势单一参数控制问题。
碳势控制只控制一种气体组分，属于单参数控制。 对于吸热气氛和某些滴加渗碳剂（如甲醇+乙酸乙酯等），当渗碳剂添加量变化时，H2和CO含量基本保持不变，因此只需控制渗碳和脱碳即可。 其中一种成分控制碳势。 但对于其他增碳剂，当滴量变化时，CO和H2含量变化较大。 此时如果CO和H2仍然基本不变处理，误差就会很大（所以渗碳剂的选择对于单参数渗碳来说非常重要）。 另外，由于渗碳时间短等原因，炉内气氛无法达到平衡（在渗碳温度下，一般需要20小时左右才能达到平衡）。 除了CO2之外，其他成分的含量也会波动，其中甲烷含量也会波动。 经常更多。 如果仅控制单一参数，碳势控制精度会较低。
下图所示为采用甲醇和丙酮作为滴加渗碳剂在920℃渗碳时炉气中CO2含量与碳势的关系。 从图中可以看出，总的趋势是随着CO2的增加，碳势降低。 但两者之间并不存在一一对应的关系，而是在较宽的范围内波动，这说明除了CO2之外，还有其他成分影响碳势。 这时就需要测出相应的修正系数，对原公式进行修正，并进行多参数控制（即CO2、CH4、O2等的含量也进行测控），以便准确测量和控制亚平衡状态下的碳势。 。
