钢件的气体高温渗碳的分析介绍

高温渗碳

1 范围

本标准规定了钢件在950℃以上高温气体渗碳的常用钢种、设备、工艺、质量检验、能源消耗及安全卫生要求等。

本标准适用于钢件的气体高温渗碳。

2 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 230.1 金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）（GB/T 230.1—2009，ISO 6508-1：1999，MOD）

GB/T 1182 产品几何技术规范（GPS）几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注

GB/T 3077 合金结构钢

GB/T 4340.1 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法

GB/T 4341 金属肖氏硬度试验方法

GB/T 5216 保证淬透性结构钢

GB 5226.1 机械安全 机械电气设备 第一部分：通用技术条件（IEC 60204-1：2000，IDT）

GB 5959.4 电热装置的安全第4部分：对电阻加热装置的特殊要求（IEC 60519：2006，IDT）

GB/T 6394 金属平均晶粒度测定法（ASTME112：1996，MOD）

GB/T 7232 金属热处理工艺 术语

GB/T 9450 钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核

GB/T 9452 热处理炉有效加热区测定方法

GB/T 10067.1 电热装置基本技术条件 第1部分：通用部分

GB/T 10067.4 电热装置基本技术条件 第4部分：间接电阻炉

GB 15735 金属热处理生产过程安全卫生要求

GB/T 15822.1 无损检测 磁粉检测 第1部分：总则

GB/T 16924 钢件的淬火与回火

GB/T 17358 热处理生产电耗计算和测定方法

GB/T 19944 热处理生产燃料消耗计算和测定方法

GB/T 25744 钢件渗碳淬火回火金相检验

3 术语和定义

GB/T 7232和GB/T 10067.1所确立的以及下列术语和定义适用于本标准。

3.1 高温渗碳 high temperature carburizing

在950℃以上温度进行的渗碳。

3.2 炭黑极限 soot limit

渗碳气氛在对应温度下开始析出炭黑时的碳势。

4 待处理工件

4.1 材料

采用高温渗碳的工件应优先选用晶粒长大耐受温度较高的细晶粒钢，常用钢种见表1。

表1 高温渗碳常用钢种

4.2 加工状态

根据表2所列项目注明待处理工件的加工状态，并保存相关记录。

表2 待处理工件的加工状态

4.2 加工状态

根据表2所列项目注明待处理工件的加工状态，并保存相关记录。

表2 待处理工件的加工状态

① 可根据工件的具体要求，部分或全部省略。

4.3 外观、质量、形状、尺寸、精度

工件的外观、质量、形状、尺寸、精度偏差要求应符合GB/T 1182的规定，记录应予以保存见表3。

表3 待处理工件的外观、质量、形状、尺寸、精度记录

① 可根据工件的具体要求，部分或全部省略。

4.3 外观、质量、形状、尺寸、精度

工件的外观、质量、形状、尺寸、精度偏差要求应符合GB/T 1182的规定，记录应予以保存见表3。

表3 待处理工件的外观、质量、形状、尺寸、精度记录

（续）

（续）

① 可根据工件的具体要求，部分或全部省略。

② 各几何公差的定义依据GB/T 1182。

4.4 待处理件的验收

应根据5.1、5.2和5.3的规定验收工件。必要时应对一些重要的或有疑问的项目进行复检。

5 高温渗碳设备

5.1 设备组成与基本要求

高温渗碳设备可以是周期式炉或连续式炉生产线。生产线一般由高温渗碳炉、缓冷装置、淬火装置、回火炉、清洗机及辅助设备、气氛系统和控制系统等组成。

高温渗碳设备应符合GB/T 10067.4的有关规定。高温渗碳设备应满足高温渗碳工艺的要求。

高温渗碳设备的安全性应符合GB5226.1和GB5959.4中的有关规定。高温渗碳设备应具有良好的可靠性和易维修性，以满足高温渗碳工艺在高温下长时间作业的需要。

5.2 高温渗碳炉

5.2.1 加热元件

加热元件采用高电阻电热合金或其他材料，应满足高温和高碳势气氛下的稳定工作，其工作寿命应不低于1年。

5.2.2 炉衬

炉衬应满足高温和高碳势渗碳气氛下的稳定工作；其工作寿命应不低于5年，炉衬材料和结构应能保证炉体表面温升≤50℃。

5.2.3 循环风机

应满足高温渗碳工艺中炉温和气氛均匀性的要求，其工作寿命应不低于1年。

5.2.4 炉内构件

炉底承重装置或炉底导轨、炉罐、马弗、气氛导流装置等应有足够的高温强度，确保设备能在

高温和高碳势渗碳气氛下稳定工作，其工作寿命应不低于3年。

5.2.5 快冷装置

需要在高温渗碳后快冷降温的渗碳炉应配备快冷装置，从1050℃到900℃的快速冷却时间应不大于1h。

5.2.6 安全装置

设备应配置超温联锁保护装置、安全温度与渗碳气氛供给的联锁控制装置、炉压控制与联锁控制装置、泄压和防爆装置、废气燃烧联锁控制与排放装置等，确保设备安全可靠运行。

5.2.7 密封

设备应具有良好的密封，避免炉气泄漏。

5.2.8 取样装置

应配有定碳装置、试样装置和供红外分析仪取气分析的接口。

5.2.9 温度控制

5.2.9.1 最高使用温度不低于1100℃。

5.2.9.2 炉温控制精度≤±1℃。

5.2.9.3 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.2.10 气氛控制

5.2.10.1 高温渗碳气氛推荐使用滴注式气氛或氮气+甲醇气氛。使用氮气+甲醇气氛时，应采取措施确保氮气和甲醇的流量比例稳定。

5.2.10.2 气氛碳势控制应配备主控和监控系统。主控系统使用氧探头控制碳势，氧探头使用温度应能达到1100℃，最高测量碳势不低于1.5%；监控系统使用氧探头或CO、CO₂红外分析仪监控碳势。

5.2.10.3 碳势控制精度≤±0.05%。

5.2.11 工艺过程控制系统

可配置渗碳智能专家系统软件，实现渗碳工艺的离线辅助设计及工艺过程的在线动态实时控制。

5.3 淬火装置

5.3.1 淬火装置应配有淬火介质的搅拌、加热和热交换系统。

5.3.2 淬火介质的温度应能调节和控制。

5.3.3 淬火装置应配有防爆、灭火、排烟、液位监控等安全设施。

5.4 缓冷装置

5.4.1 缓冷装置必要时可配备可通入保护气氛或介质的流量控制装置，以防止工件在缓冷过程中的氧化、脱碳。

5.4.2 缓冷装置需要时可配备能调节缓冷速度的降温装置。

5.5 高温回火炉

5.5.1 应配备炉气循环装置和保护气氛装置。

5.5.2 温度控制精度≤±1℃。

5.5.3 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.6 淬火加热炉

5.6.1 用于高温渗碳后的二次加热淬火，可以使用高温渗碳炉或其他可控气氛淬火加热炉。

5.6.2 单独配置的淬火加热炉，最高使用温度为950℃。

5.6.3 炉温控制精度≤±1℃。

5.6.4 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.6.5 应配备气氛安全温度联锁和超温联锁控制。

5.6.6 推荐使用滴注式气氛或氮气+甲醇气氛，氮气纯度不低于99.995%，碳势控制范围0.6%～1.1%，碳势控制精度≤±0.05%。

5.6.7 应配有气氛循环装置和定碳取样装置。

5.7 低温回火炉

5.7.1 应配备循环风机和导流装置。

5.7.2 炉温控制精度≤±1℃。

5.7.3 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.8 清洗机及辅助设备

5.8.1 清洗机及所有辅助设备应能满足工艺安全使用的需要。

5.8.2 清洗过程中产生的废气、废液的排放应符合GB15735的要求。

5.9 设备的维护保养和检定

应制定设备的操作规程和维护保养、检定制度，并妥善保管记录。

6 高温渗碳工艺过程

6.1 高温渗碳工艺

6.1.1 高温渗碳应根据渗碳件材料和质量要求选择合适的工艺。常用工艺可参考附录A。

6.1.2 高温渗碳温度根据工件材料、硬化层深度确定，在950～1050℃之间选择。

6.1.3 强渗碳势不得超过对应渗碳温度下的炭黑极限，不同温度的炭黑极限可参照表4。

表4 不同温度的炭黑极限值

① 可根据工件的具体要求，部分或全部省略。

② 各几何公差的定义依据GB/T 1182。

4.4 待处理件的验收

应根据5.1、5.2和5.3的规定验收工件。必要时应对一些重要的或有疑问的项目进行复检。

5 高温渗碳设备

5.1 设备组成与基本要求

高温渗碳设备可以是周期式炉或连续式炉生产线。生产线一般由高温渗碳炉、缓冷装置、淬火装置、回火炉、清洗机及辅助设备、气氛系统和控制系统等组成。

高温渗碳设备应符合GB/T 10067.4的有关规定。高温渗碳设备应满足高温渗碳工艺的要求。

高温渗碳设备的安全性应符合GB5226.1和GB5959.4中的有关规定。高温渗碳设备应具有良好的可靠性和易维修性，以满足高温渗碳工艺在高温下长时间作业的需要。

5.2 高温渗碳炉

5.2.1 加热元件

加热元件采用高电阻电热合金或其他材料，应满足高温和高碳势气氛下的稳定工作，其工作寿命应不低于1年。

5.2.2 炉衬

炉衬应满足高温和高碳势渗碳气氛下的稳定工作；其工作寿命应不低于5年，炉衬材料和结构应能保证炉体表面温升≤50℃。

5.2.3 循环风机

应满足高温渗碳工艺中炉温和气氛均匀性的要求，其工作寿命应不低于1年。

5.2.4 炉内构件

炉底承重装置或炉底导轨、炉罐、马弗、气氛导流装置等应有足够的高温强度，确保设备能在

高温和高碳势渗碳气氛下稳定工作，其工作寿命应不低于3年。

5.2.5 快冷装置

需要在高温渗碳后快冷降温的渗碳炉应配备快冷装置，从1050℃到900℃的快速冷却时间应不大于1h。

5.2.6 安全装置

设备应配置超温联锁保护装置、安全温度与渗碳气氛供给的联锁控制装置、炉压控制与联锁控制装置、泄压和防爆装置、废气燃烧联锁控制与排放装置等，确保设备安全可靠运行。

5.2.7 密封

设备应具有良好的密封，避免炉气泄漏。

5.2.8 取样装置

应配有定碳装置、试样装置和供红外分析仪取气分析的接口。

5.2.9 温度控制

5.2.9.1 最高使用温度不低于1100℃。

5.2.9.2 炉温控制精度≤±1℃。

5.2.9.3 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.2.10 气氛控制

5.2.10.1 高温渗碳气氛推荐使用滴注式气氛或氮气+甲醇气氛。使用氮气+甲醇气氛时，应采取措施确保氮气和甲醇的流量比例稳定。

5.2.10.2 气氛碳势控制应配备主控和监控系统。主控系统使用氧探头控制碳势，氧探头使用温度应能达到1100℃，最高测量碳势不低于1.5%；监控系统使用氧探头或CO、CO₂红外分析仪监控碳势。

5.2.10.3 碳势控制精度≤±0.05%。

5.2.11 工艺过程控制系统

可配置渗碳智能专家系统软件，实现渗碳工艺的离线辅助设计及工艺过程的在线动态实时控制。

5.3 淬火装置

5.3.1 淬火装置应配有淬火介质的搅拌、加热和热交换系统。

5.3.2 淬火介质的温度应能调节和控制。

5.3.3 淬火装置应配有防爆、灭火、排烟、液位监控等安全设施。

5.4 缓冷装置

5.4.1 缓冷装置必要时可配备可通入保护气氛或介质的流量控制装置，以防止工件在缓冷过程中的氧化、脱碳。

5.4.2 缓冷装置需要时可配备能调节缓冷速度的降温装置。

5.5 高温回火炉

5.5.1 应配备炉气循环装置和保护气氛装置。

5.5.2 温度控制精度≤±1℃。

5.5.3 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.6 淬火加热炉

5.6.1 用于高温渗碳后的二次加热淬火，可以使用高温渗碳炉或其他可控气氛淬火加热炉。

5.6.2 单独配置的淬火加热炉，最高使用温度为950℃。

5.6.3 炉温控制精度≤±1℃。(www.xing528.com)

5.6.4 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.6.5 应配备气氛安全温度联锁和超温联锁控制。

5.6.6 推荐使用滴注式气氛或氮气+甲醇气氛，氮气纯度不低于99.995%，碳势控制范围0.6%～1.1%，碳势控制精度≤±0.05%。

5.6.7 应配有气氛循环装置和定碳取样装置。

5.7 低温回火炉

5.7.1 应配备循环风机和导流装置。

5.7.2 炉温控制精度≤±1℃。

5.7.3 炉温均匀性≤±8℃。炉温均匀性应按GB/T 9452的规定进行测定。

5.8 清洗机及辅助设备

5.8.1 清洗机及所有辅助设备应能满足工艺安全使用的需要。

5.8.2 清洗过程中产生的废气、废液的排放应符合GB15735的要求。

5.9 设备的维护保养和检定

应制定设备的操作规程和维护保养、检定制度，并妥善保管记录。

6 高温渗碳工艺过程

6.1 高温渗碳工艺

6.1.1 高温渗碳应根据渗碳件材料和质量要求选择合适的工艺。常用工艺可参考附录A。

6.1.2 高温渗碳温度根据工件材料、硬化层深度确定，在950～1050℃之间选择。

6.1.3 强渗碳势不得超过对应渗碳温度下的炭黑极限，不同温度的炭黑极限可参照表4。

表4 不同温度的炭黑极限值

6.1.4 渗碳时间根据硬化层深度和渗碳温度确定，强渗时间一般为扩散时间的2～5倍。

6.1.5 扩散一般可在渗碳温度下进行，如渗碳后碳浓度过高或已经形成碳化物，可选用高于渗碳温度下进行扩散。

6.1.6 扩散碳势根据工件表面碳浓度和材料合金含量确定，扩散碳势一般在0.65%～1.00%。

6.1.7 为防止碳化物析出，扩散后可采用快速降温。

6.2 渗碳后的处理

6.2.1 直接淬火

根据工件材料晶粒在高温下的长大规律和渗碳层深度，在不影响工件力学性能条件下，优先选择渗碳后直接淬火。直接淬火时，需降温至淬火温度并均温，淬火温度一般为800～860℃。

6.2.2 缓冷

6.2.2.1 对要求渗碳后缓冷的工件，渗碳后降温至工艺规定温度后出炉缓冷，并采取措施防止氧化脱碳。

6.2.2.2 根据设备的结构，可通入氮气或甲醇、乙醇，对通入的甲醇、乙醇应保证在750℃时能安全切断。

6.2.2.3 通入的氮气纯度应不低于99.995%，氮气流量应能调节。

6.2.2.4 为防止缓冷时形成网状或块状碳化物组织，应对缓冷速度进行适当的控制。

6.2.3 高温回火

6.2.3.1 高温回火时应采用氮气保护，氮气纯度不低于99.995%。

6.2.3.2 高温回火温度一般为500～700℃，保温时间参照GB/T 16924确定。

6.2.4 二次加热淬火与低温回火

6.2.4.1 二次淬火加热温度一般为800～860℃，保温时间参照GB/T 16924确定。

6.2.4.2 二次淬火加热气氛碳势应根据工件对表面碳浓度的要求确定。

6.2.4.3 低温回火温度根据工件的最终硬度要求确定，一般为160～220℃。

6.3 后续工序

6.3.1 及时清除工件上附着的残留物。

6.3.2 如有需要，可对工件进行喷丸等表面强化处理。

6.3.3 对工件进行防锈处理。

7 质量检验

7.1 外观

已处理工件表面不应有因热处理引起的裂纹、熔融、烧伤及明显划痕。

7.2 硬度

硬度应按GB/T 230.1、GB/T 4340.1和GB/T 4341规定的方法进行检测。

7.2.1 表面硬度

高温渗碳淬火后表面硬度偏差应不超过表5的要求。

表5 表面硬度偏差要求

6.1.4 渗碳时间根据硬化层深度和渗碳温度确定，强渗时间一般为扩散时间的2～5倍。

6.1.5 扩散一般可在渗碳温度下进行，如渗碳后碳浓度过高或已经形成碳化物，可选用高于渗碳温度下进行扩散。

6.1.6 扩散碳势根据工件表面碳浓度和材料合金含量确定，扩散碳势一般在0.65%～1.00%。

6.1.7 为防止碳化物析出，扩散后可采用快速降温。

6.2 渗碳后的处理

6.2.1 直接淬火

根据工件材料晶粒在高温下的长大规律和渗碳层深度，在不影响工件力学性能条件下，优先选择渗碳后直接淬火。直接淬火时，需降温至淬火温度并均温，淬火温度一般为800～860℃。

6.2.2 缓冷

6.2.2.1 对要求渗碳后缓冷的工件，渗碳后降温至工艺规定温度后出炉缓冷，并采取措施防止氧化脱碳。

6.2.2.2 根据设备的结构，可通入氮气或甲醇、乙醇，对通入的甲醇、乙醇应保证在750℃时能安全切断。

6.2.2.3 通入的氮气纯度应不低于99.995%，氮气流量应能调节。

6.2.2.4 为防止缓冷时形成网状或块状碳化物组织，应对缓冷速度进行适当的控制。

6.2.3 高温回火

6.2.3.1 高温回火时应采用氮气保护，氮气纯度不低于99.995%。

6.2.3.2 高温回火温度一般为500～700℃，保温时间参照GB/T 16924确定。

6.2.4 二次加热淬火与低温回火

6.2.4.1 二次淬火加热温度一般为800～860℃，保温时间参照GB/T 16924确定。

6.2.4.2 二次淬火加热气氛碳势应根据工件对表面碳浓度的要求确定。

6.2.4.3 低温回火温度根据工件的最终硬度要求确定，一般为160～220℃。

6.3 后续工序

6.3.1 及时清除工件上附着的残留物。

6.3.2 如有需要，可对工件进行喷丸等表面强化处理。

6.3.3 对工件进行防锈处理。

7 质量检验

7.1 外观

已处理工件表面不应有因热处理引起的裂纹、熔融、烧伤及明显划痕。

7.2 硬度

硬度应按GB/T 230.1、GB/T 4340.1和GB/T 4341规定的方法进行检测。

7.2.1 表面硬度

高温渗碳淬火后表面硬度偏差应不超过表5的要求。

表5 表面硬度偏差要求

① 局部渗碳硬度测量位置不应在渗碳与未渗碳交界处。

7.2.2 心部硬度

心部硬度应符合工件技术要求，一般在随炉试样上测量，有特殊要求时，可通过解剖工件进行。

7.3 有效硬化层深度

7.3.1 有效硬化层深度的测定应符合GB/T 9450的规定，偏差应小于硬化层深度的10%。

7.3.2 有效硬化层一般在随炉试样上测量，若有特别要求时，可在解剖的工件截面上进行。

7.4 表面碳含量

表面碳含量可按剥层法或光谱法检测，一般为0.75%C～1.0%C。当要求韧性较好时，取下限；要求耐磨性较好时，取上限。

7.5 金相组织

7.5.1 金相组织按GB/T 25744进行检验，晶粒度级别按GB/T 6394进行评定，其结果应符合表6的要求。

表6 高温渗碳工件金相组织要求

① 局部渗碳硬度测量位置不应在渗碳与未渗碳交界处。

7.2.2 心部硬度

心部硬度应符合工件技术要求，一般在随炉试样上测量，有特殊要求时，可通过解剖工件进行。

7.3 有效硬化层深度

7.3.1 有效硬化层深度的测定应符合GB/T 9450的规定，偏差应小于硬化层深度的10%。

7.3.2 有效硬化层一般在随炉试样上测量，若有特别要求时，可在解剖的工件截面上进行。

7.4 表面碳含量

表面碳含量可按剥层法或光谱法检测，一般为0.75%C～1.0%C。当要求韧性较好时，取下限；要求耐磨性较好时，取上限。

7.5 金相组织

7.5.1 金相组织按GB/T 25744进行检验，晶粒度级别按GB/T 6394进行评定，其结果应符合表6的要求。

表6 高温渗碳工件金相组织要求

7.5.2 表层内氧化层的深度按GB/T 25744进行检测检定，其结果应符合表7的要求。

表7 表层内氧化层深度要求

7.5.2 表层内氧化层的深度按GB/T 25744进行检测检定，其结果应符合表7的要求。

表7 表层内氧化层深度要求

7.6 畸变

高温渗碳、淬火回火后，可用特定量具测量工件畸变情况，测量内容可根据工件技术要求确定。畸变量（可为校直后畸变量）应符合技术要求。

7.7 检验设备

7.7.1 硬度计及标准块应经检定合格，并在检定周期内使用。

7.7.2 定碳天平、光谱、磁粉探伤机、金相显微镜或相关测微标尺等应经检定合格，并在检定周期内使用。

8 能源消耗要求

8.1 高温渗碳的电能测定、计算及消耗应符合GB/T 17358的有关规定。

8.2 高温渗碳的工艺燃料测定、计算及消耗应符合GB/T 19944的有关规定。

9 安全卫生与劳动保护要求

高温渗碳生产过程的安全卫生与劳动保护应符合GB15735的有关规定。

10 产品报告单

根据要求可按每批或每炉填写报告单。

报告单应包括下列内容：

a）批号或炉号；

b）工艺类型或代号；

c）工件名称和图号；

d）工件材料的牌号；

e）工件材料处理前组织状态；

f）单件重量及数量；

g）质量检验结果；

h）加工单位；

i）操作者；

j）质量检验员；

k）报告日期。

附录A

（资料性附录）

常用高温渗碳工艺

A.1 高温渗碳淬火回火工艺

图A.1为常用高温渗碳淬火回火工艺曲线。

7.6 畸变

高温渗碳、淬火回火后，可用特定量具测量工件畸变情况，测量内容可根据工件技术要求确定。畸变量（可为校直后畸变量）应符合技术要求。

7.7 检验设备

7.7.1 硬度计及标准块应经检定合格，并在检定周期内使用。

7.7.2 定碳天平、光谱、磁粉探伤机、金相显微镜或相关测微标尺等应经检定合格，并在检定周期内使用。

8 能源消耗要求

8.1 高温渗碳的电能测定、计算及消耗应符合GB/T 17358的有关规定。

8.2 高温渗碳的工艺燃料测定、计算及消耗应符合GB/T 19944的有关规定。

9 安全卫生与劳动保护要求

高温渗碳生产过程的安全卫生与劳动保护应符合GB15735的有关规定。

10 产品报告单

根据要求可按每批或每炉填写报告单。

报告单应包括下列内容：

a）批号或炉号；

b）工艺类型或代号；

c）工件名称和图号；

d）工件材料的牌号；

e）工件材料处理前组织状态；

f）单件重量及数量；

g）质量检验结果；

h）加工单位；

i）操作者；

j）质量检验员；

k）报告日期。

附录A

（资料性附录）

常用高温渗碳工艺

A.1 高温渗碳淬火回火工艺

图A.1为常用高温渗碳淬火回火工艺曲线。

图A.1 常用高温渗碳淬火回火工艺曲线

A.2 高温渗碳二次淬火回火工艺

图A.2为常用高温渗碳二次淬火回火工艺曲线。

图A.1 常用高温渗碳淬火回火工艺曲线

A.2 高温渗碳二次淬火回火工艺

图A.2为常用高温渗碳二次淬火回火工艺曲线。

图A.2 常用高温渗碳二次淬火回火工艺曲线

图A.2 常用高温渗碳二次淬火回火工艺曲线