1.高温快速渗碳及其应用实例
目前，渗碳热处理广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、矿山、船舶及宇航等多行业。传统气体渗碳热处理工艺周期长、能耗高。因此，渗碳是热处理行业节能降耗突破口之一。从降低成本和环保来看，对渗碳技术的要求是提高生产效率、节省能源和工艺材料。对部分要求深层渗碳工件在设备使用温度允许及所用钢种奥氏体晶粒不长大条件下，采用高温渗碳工艺，如在1010～1050℃施行高温渗碳，可比在930℃常规渗碳工艺时间缩短1/3～1/2，因此显著降低能耗和生产成本。
随着要求的渗碳层深度的增加，高温渗碳所节省的时间越加明显。表2-15为高温渗碳所节省的时间与层深的关系。
表2-15 高温渗碳所节省的时间与层深的关系
（1）高温渗碳缩短时间机理 渗碳淬火的经济性主要取决于加热工件的能耗，其主要影响因素是渗碳的时间，而形成渗碳层所需的时间取决于碳在工件中的扩散速度。根据哈里斯（F.E.Harris）扩散定律，扩散主要是由温度和浓度梯度这两个参数所决定的。对于温度和时间对渗层深度的影响，温度的影响要远大于时间的影响。钢的渗碳就是在奥氏体状态下碳原子从钢表面向内层的扩散过程。其速度快慢取决于温度的高低。哈里斯（F.E.Harris）依据碳在奥氏体中的扩散推算出钢的渗碳层深度δ（mm）和温度T（K）与渗碳时间t（h）的关系为
在给定温度T下，则
。式中，K为与渗碳温度相关的系数。不同渗碳温度下的K计算值列于表2-16。
表2-16 不同渗碳温度下的K值
由表2-16的计算值可以推算925℃渗碳和1000℃渗碳，在达到相同的渗层深度，如2.0mm的情况下，其相应的渗碳时间分别为9.4h和4.2h，即1000℃渗碳时间可减少50%以上。
AISI1018[相当于w（C）为0.18%碳钢]、AISI1022[相当于w（C）为0.22%碳钢]、AISI4615[相当于w（C）为0.15%的NiMoV钢]、AISI8620（相当于20CrNiMo钢）在925℃、980℃和1040℃分别渗碳1h、3h和1h、3h、7.5h以及1h、3h、4h的晶粒度变化（见表2-17）表明，碳素结构钢的晶粒度粗化较为明显，含Mo、V的合金结构钢晶粒度粗化尚不显著。为此，高温渗碳时应选用本质细晶粒钢，或含Mo、V、Ti和Nb的合金钢，国产含Nb的齿轮用钢如20CrMoNb和20Cr2Ni2MoNb钢可应用于高温渗碳。
表2-17 几种钢在不同渗碳温度和时间下晶粒度变化
18ХГТ、12ХН3А和20Х（相当于18CrMnTi、12CrNi3A和20Cr钢）在920℃渗碳15h和1000℃渗碳8h缓冷至室温+850℃油淬+180℃回火的力学性能表明，相应高温渗碳后的性能并不比常规渗碳差，甚至有超过的数值出现。
（2）高温渗碳设备 可选择的设备有真空渗碳炉、盐浴炉、流态粒子炉及高温可控气氛多用炉等。
（3）高温渗碳工艺应用实例 见表2-18。
表2-18 高温渗碳工艺应用实例(www.xing528.com)
（续）
图2-2 20CrNi2Mo钢齿轮轴的高温渗碳工艺
图2-3 行星轮轴调整后渗碳工艺
2.高温快速渗氮及其应用实例
与渗碳相比，渗氮工艺周期要长得很多。例如要获得0.6mm深的渗氮层深度，在520℃需要70～80h，而渗碳处理保温6h便可获得1.0mm以上的渗层。因此，缩短渗氮过程对节能、提高生产效率就显得尤为重要。
（1）高温快速渗氮机理 以提高表面硬度和强度为目的的常规气体渗氮的工艺温度一般在520℃左右，而高温渗氮是指采用更高的工艺温度（一般在540～580℃）。在相同的氨分解率下，提高温度可以提高钢件表面吸附氮原子的能力和氮原子的扩散系数，因而提高了渗氮速度，相应降低了能耗。高温渗氮的最高工艺温度一般根据零件畸变情况和预备热处理温度（调质处理时的回火温度）进行选择。
（2）高温渗氮优点 ①提高氮原子在γ′相和γ相的扩散速度，大幅度缩短渗氮时间，提高渗氮效率；②可以降低能耗；③降低因渗氮时间过长造成表面硬度下降的倾向。
（3）高温快速渗氮工艺及效果 （560～580）℃×（2～4）h，氨分解率40%～50%，可获得6～15μm化合物层。
对于更高温度（如650℃）的渗氮，为防止氮化物晶粒变粗、硬度下降，必须采用V、Ti等形成稳定合金氮化物的合金钢种，即快速渗氮钢。含钛快速渗氮钢的两段渗氮工艺为：620℃×5h；750℃×2h，氨分解率可通过调整气体流量控制。
（4）高温快速渗氮工艺应用实例 见表2-19。
表2-19 高温快速渗氮工艺应用实例
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