气体渗碳技术及其应用比较

气体渗碳根据所用渗碳气体的产生办法及种类，分为滴注式气体渗碳、吸热式气体渗碳和氮基气氛渗碳。常用渗碳设备可分为周期式炉和连续式炉两大类。周期式炉用于单件或小批量渗碳工艺；连续式炉实现了连续式装卸工件，生产率高。

1.滴注式气体渗碳

滴注式气体渗碳是指将苯、醇、煤油等有机液体直接滴入渗碳炉中裂解进行气体渗碳的方法。常用有机液体渗碳剂见表6-8。

表6-8 常用有机液体渗碳剂

（1）滴剂选用原则 向渗碳炉中滴入渗剂时，一般最好不单独使用某一种液体，而是在渗碳过程中同时向炉内滴入两种有机液体。一种液体高温分解后相当于稀释性气氛，另一种液体高温分解后则形成渗碳气氛。滴注剂的选择可考虑以下几个因素：

1）碳氧比。碳氧比为有机液体分子中碳与氧的摩尔比。当碳氧比大于1时，高温下除分解出大量CO和H₂外，还有一定量的活性碳原子析出，这种滴注剂可以选作渗碳剂。碳氧比越大，析出的活性碳原子越多，渗碳能力越强。当碳氧比等于1时，气氛中活性碳原子不多，可选用稀释剂。对于碳氧比大于1的有机液体，若和水按一定的比例混合，使其碳氧比≈1时，也可作为稀释剂使用。对于不含氧的有机物如煤油、甲苯等，高温时产生大量的活性碳原子，也可作为渗碳剂使用，但如控制不当，容易产生大量的焦油和炭黑，所以使用时经常以甲醇、酒精等有机物稀释。

2）碳当量。产生1mol碳所需该物质的质量称为碳当量。碳当量越小，则该物质的渗碳能力越强。在其他性能相似的情况下，应选择碳当量较小的有机物作为渗碳剂。此外，滴剂的选择还要考虑是否有利于炉气成分的稳定，是否会出现炭黑和结焦，是否安全卫生，价格高低等因素。

常用有机液体在不同温度下的分解产物见表6-9。

表6-9 常用有机液体在不同温度下的分解产物

（2）碳势调节方法 滴注式渗碳中常采用下列方法调节碳势：

1）调整滴注剂的滴量，改变滴注剂中稀释剂和渗碳剂的比例。

2）使用几种渗碳能力不同的液体，通过改变滴液来调节碳势。

甲醇—煤油滴注式渗碳工艺曲线如图6-3所示，其中，q（mL/min）=0.13×[渗碳炉功率值（kW）]，Q（mL/min）=1×[装炉工件有效吸碳表面积（m²）]。

图6-3 甲醇—煤油滴注式渗碳工艺曲线

整个渗碳过程分为排气、强渗、扩散及降温出炉（缓冷或直接淬火）四个阶段。排气阶段通常加大渗碳剂（稀释剂）滴量，使炉内氧化性气氛迅速减少。若排气不好，会造成渗碳速度慢、渗层碳含量低等缺陷。强渗阶段渗碳剂滴量较多，保证炉气有较高碳势，以提高渗碳速度。强渗阶段的时间长短主要取决于层深要求。进入扩散阶段，应减少渗碳剂滴量，保持预定的碳势，以使表层过剩的碳向内部扩散，最后得到要求的深度及合适的碳含量分布。最后是降温出炉，对于可直接淬火的工件，应随炉冷至适宜的淬火温度，并保温15～30min后出炉淬火；对于需重新加热淬火的工件，可自渗碳温度出炉后在空气中冷却或入冷却井。强渗时间、扩散时间与渗碳层深度的关系见表6-10。采用甲醇、煤油滴注式渗碳时的渗碳剂用量见表6-11。

表6-10 强渗时间、扩散时间与渗碳层深度的关系

表6-11 采用甲醇、煤油滴注式渗碳时的渗碳剂用量 （单位：滴/min）

（3）滴注式渗碳的操作要点及注意事项

1）渗碳工件表面不得有锈蚀、油脂及污垢。

2）同一炉渗碳的工件，其材质、技术要求、渗后热处理方式应相同。

3）装料时应保证渗碳气氛的流通。

4）炉盖应盖紧，减少漏气，炉内保持正压，废气应点燃。

5）每炉都应用定碳片校正碳势，特别是在用CO₂红外仪控制和采用煤油作为渗碳剂时。(https://www.xing528.com)

6）严禁在750℃以下向炉内滴注任何有机溶液。每次渗碳完毕后，应检查滴注器阀门是否关紧，防止低温下有机溶液滴入炉内造成爆炸。

2.吸热式气氛气体渗碳

吸热式气氛渗碳工艺主要用于连续式炉和密封箱式炉。炉内渗碳气氛由吸热式气体加富化气组成。吸热式气氛是由一定比例的原料气和空气混合，通过内部装有催化剂、外部加热的反应罐，经吸热反应制备所得的气氛。其主要成分为CO、H₂、N₂及微量的H₂O、CO₂、CH₄、O₂等，原料气一般为天然气、丙烷、丁烷等碳氢化合物。几种典型吸热式气氛的组成见表6-12。

表6-12 几种典型吸热式气氛的组成

吸热式气氛的化学反应通式为

以吸热式气氛为载气的渗碳过程中，必须加入富化气（甲烷、丙烷等），以提高渗碳能力。添加丙烷的量一般在0.5%～4%（体积分数），调整吸热式气氛与富化气的比例即可控制气氛的碳势，由于CO和H₂的含量基本保持稳定，只测定单一的CO₂或O₂含量，即可确定碳势。吸热式气氛中碳势与CO₂含量及露点的关系见图6-4、图6-5。

图6-4 吸热式气氛中碳势与CO₂含量的关系

a）甲烷 b）丙烷

图6-5 吸热式气氛中碳势与露点的关系

a）甲烷 b）丙烷

3.氮基气氛渗碳

氮基气氛渗碳是一种以纯氮为载气，添加碳氢化合物进行气体渗碳的工艺方法。该方法具有能耗低、安全、无毒等优点。几种典型氮基渗碳气氛的组成见表6-13。

表6-13 几种典型氮基渗碳气氛的组成

氮基气氛渗碳具有下列特点：

1）不需要气体发生装置。

2）成分与吸热式气氛基本相同，气氛的重现性、渗碳层深度的均匀性和重现性均不低于吸热式气氛渗碳。

3）具有与吸热式气氛相近的点燃极限，由于氮气能自动安全吹扫，故采用氮基气氛的工艺具有更大的安全性。

4）适宜用反应灵敏的氧探头进行碳势控制。

5）氮基气氛渗碳的渗碳速度不低于吸热式氛渗碳的渗碳速度。

几种渗碳气氛的渗碳能力比较见表6-14。

表6-14 几种渗碳气氛的渗碳能力比较