低壓真空滲碳工藝淺述

王建甫

摘要：本文通過對可控氣氛滲碳工藝和低壓真空滲碳工藝各自特點及所采用設備的介紹，說明了低壓真空滲碳工藝的優勢所在，并指出其在汽車工業等領域的應用前景。

關鍵詞：低壓真空滲碳工藝、可控氣氛滲碳工藝

一、可控氣氛滲碳工藝

可控氣氛滲碳工藝主要包括滴注式氣體滲碳工藝、吸熱式氣體滲碳工藝、氮基氣體滲碳工藝、直生式氣體滲碳工藝。

滴注式氣體滲碳工藝是在密封室內通入有機液體甲醇和丙酮（或乙酸乙酯等），以適當的數量直接滴人爐內而制得所需氣氛的。甲醇熱裂分解產物的滲碳能力很低，它主要是起攜帶氣的作用，使爐內有一定的正壓；起滲碳作用的氣體主要是由丙酮或乙酸乙酯熱裂分解形成的。滴注式氣體滲碳工藝對設備要求較低，碳勢控制精度較差，只適用于一般零件的處理。

吸熱式氣體滲碳工藝的滲碳氣氛由吸熱式氣體加富化氣組成，吸熱式氣體主要包括天然氣、煤氣、丙烷、丁烷等，一般采用甲烷或丙烷作富化氣。需要有吸熱式氣氛發生裝置。

氮基氣氛滲碳工藝是指以氮氣作為載體添加富化氣進行滲碳的工藝，富化氣主要有丙烷、丙酮等，同時通入甲醇作為基礎氣氛。

直生式氣氛滲碳工藝是將燃料與氧化劑直接通入爐內形成滲碳氣氛的工藝。

采用上述各滲碳工藝時，各種有機液體熱裂分解時產生的主要是CO和H。同時還存在少量的其它產物。在一定條件下，達到平衡時，爐氣的各成分之間具有一定的比例平衡關系。

可控氣氛滲碳工藝已應用多年，積累了豐富的經驗，可以滿足一般零件的性能要求，但也有自身的缺點，例如：

無法解決表面內氧化問題，即在滲層表面出現一層很薄的非馬氏體組織，影響零件的疲勞性能；

無法解決高溫滲碳及深層滲碳問題；

生產能耗高；

生產區域環境較差。

這些設備一般都布置在獨立的熱處理車間，或者與機加工車間組建聯合廠房，但與機加工車間之間需要有隔墻，以減少對加工設備的影響，并要求加強熱處理車間的排煙措施，改善生產環境。

二、低壓真空滲碳工藝

低壓真空滲碳工藝的真空壓力一般為10—100Pa。其工藝過程是：加熱室裝料—抽真空—通保護氣—加熱—工件在高溫下脈沖式通入滲碳氣氛（純的乙炔等）和保護氣氛（純的氮氣等）進行高速滲碳過程，是一個強滲—擴散—強滲—擴散……的過程，經過幾個循環達到工藝滲碳層的要求（故此工藝又被稱為脈沖滲碳工藝），然后進行高壓氣淬或真空油淬。經過這種處理方式，工件可以獲得很好的滲層組織、滲碳層碳濃度分布和硬度梯度分布等。

三、低壓真空滲碳工藝的特點：

（一）優點：

1、生產效率高

使用真空爐有條件提高滲碳溫度（從900～930℃提高到1030～1050℃），真空還對零件表面有凈化作用，有利于碳原子在工件表面吸附，故可大大縮短滲碳時間，特別是要取得較深的滲碳層時，或者對氣體滲碳認為困難的不銹鋼、硅鋼等材料是非常有利的。

2、提高零件性能

工件在真空條件下滲碳，表面不脫碳，不產生晶界氧化，提高零件的疲勞強度。

3、有顯著的節能效果

低壓真空滲碳工藝的熱效率高。由于真空滲碳爐的加熱元件和隔熱材料（石墨板和石墨氈）的熱容量小，低壓真空滲碳工藝的氣體消耗量遠小于氣體滲碳工藝的滲碳氣體消耗量，被氣體吸收及帶走的熱量也小于氣體滲碳，從而使真空滲碳爐的熱效率較高。在普通氣體滲碳過程中，只有6～10%的熱量用于加熱零件，而真空滲碳則可達到22～29%。

與可控氣氛滲碳相比，真空滲碳的氣氛非常簡單，滲碳僅需單一的原料氣如丙烷、乙炔，擴散僅需氮氣，且壓力非常低，因此使用氣氛的成本顯著降低。

從實際生產中所測得的數據看，真空滲碳爐升溫至高溫所耗電力與升溫至較低溫度所耗電力相差無幾。

4、屬于環保工藝

由于采用冷壁爐技術，設備在生產過程中，其表面溫度與環境溫度是一致的，且無火簾、火炬等，因此低壓真空滲碳爐是環保的熱處理設備。

低壓真空滲碳后的零件可直接進行高壓氣淬。高壓氣淬是將工件在奧氏體化溫度加熱后施加0.5～2MPa的高壓氣體進行淬火冷卻的技術，可達到靜止油或高速循環油甚至水的淬火效果，其最大優點是避免油淬生產的煙氣污染。高壓氣淬處理后的零件表面清潔度高，無需后序清洗和拋丸清理工序，無SO、CO排放問題，因此屬于清潔熱處理技術。高壓氣體淬火采用中性氣體N、還原性氣體H和惰性氣體Ar、He等，這些氣體排放到大氣中無污染，可以滿足最嚴格的環保要求。

5、自動化程度高

法國ECM公司生產的ICBP爐型采用模塊化設計和全自動操作，把淬火及清洗，預熱及回火全部整合在一起，內部機器人負責料盤在內搬運和分配，當裝料進入到工藝鏈中，到整個工藝過程結束之前，工人不用做任何事情，具有高度自動化的特點。由于每個加熱室可實現不同的熱處理工藝，具有高度柔性化的特點。

6、調節適應性強

與可控氣氛滲碳相比，低壓真空滲碳的開爐和停爐非常簡單，每次開爐后只需半小時即可進入工作狀態，周末和假期時可隨時停爐。

低壓真空滲碳加高壓氣淬可實現真正意義上的在線生產，無需單獨的熱處理車間，即冷加工之后，直接進入低壓無休止真空滲碳加高壓氣淬工藝循環，亦即該設備像機床一樣，與冷加工設備聯成一條線。

7、熱處理變形量小

滲碳后進行高壓氣淬能使工件畸變減至最低程度。

鋼的氣體淬火有別于液態介質淬冷機理，可實現自表面向內層的均勻冷卻，故氣體淬火畸變很小，可實現少、無磨削。

8、其他優點

以法國ECM公司生產的ICBP爐型為例，低壓真空滲碳設備具有下列優點：

設備結構緊湊，占地面積少；

低壓真空滲碳重現性好，即只要按照工藝參數進行操作，就可獲得各爐很一致的滲碳結果；

低壓真空滲碳后零件表面質量高（不脫碳、不氧化），有利于提高零件的疲勞強度；

對具有盲孔、深孔及窄縫的零件具有較好的滲碳效果。

（二）缺點：

目前通用的滲碳劑，如甲烷、丙烷等，都將產生碳黑。碳黑附著于零件上，不但阻礙滲碳過程且造成滲碳層的不均勻（深度及碳濃度）。碳黑附著于加熱器上，易于造成電短路現象。碳黑應定期清除，勞動強度大，而且需拆除真空管路，易于使設備漏氣。

產生碳黑的主要原因是滲碳氣的純度不夠高，滲碳氣中所含不飽和碳氫化合物（烯烴、碳四以上高碳氫化合物）越多則產生的碳黑越多，故一般規定滲碳氣的純度應當在96%以上。當然，產生碳黑的原因還有很多，例如：

滲碳氣中混入了空氣；

滲碳氣的流量過大；

滲碳氣的壓力過高；

攪拌風扇的轉速低。

上述因素都能加劇生產中出現炭黑的傾向。

推薦用乙炔代替甲烷、丙烷作滲碳劑。相關實驗結果表明，用乙炔作滲碳劑，可以明顯減少生產中出現炭黑的傾向，降低設備維修頻率，增加裝爐量，提高生產效率。

四、低壓真空滲碳技術展望

目前，影響真空滲碳工藝推廣采用的主要是設備成本問題，隨著制造技術的發展，設備成本有可能降低到一個能被使用者接收的程度，這里有一個產品質量和制造成本平衡點的問題。

低壓真空滲碳作為一種全新且成熟的滲碳技術，在歐洲、美國、日本等地，已經在汽車、機械、航空航天等領域獲得了廣泛的應用，并呈現出逐漸替代可控氣氛滲碳的趨勢。尤其是在一些特定領域，更顯示出其卓越的性能，如盲孔類零件的長型噴油嘴針閥體、銷軸類零件的薄層滲碳等。這些件用一般的可控氣氛滲碳是比較困難的，而真空滲碳卻可輕易的加以解決。

五、低壓真空滲碳技術在汽車行業的應用

低壓真空滲碳技術在汽車行業主要用于油泵油嘴及變速器等精密零件的處理，適應更加嚴格的節能、環保要求，并提高駕乘舒適度。低壓真空滲碳設備已經在上汽集團齒輪總廠和意大利菲亞特變速器工廠得到了廣泛使用，在國內汽車行業的應用也日益廣泛。