低压真空渗碳工艺浅述

王建甫

摘要：本文通过对可控气氛渗碳工艺和低压真空渗碳工艺各自特点及所采用设备的介绍，说明了低压真空渗碳工艺的优势所在，并指出其在汽车工业等领域的应用前景。

关键词：低压真空渗碳工艺、可控气氛渗碳工艺

一、可控气氛渗碳工艺

可控气氛渗碳工艺主要包括滴注式气体渗碳工艺、吸热式气体渗碳工艺、氮基气体渗碳工艺、直生式气体渗碳工艺。

滴注式气体渗碳工艺是在密封室内通入有机液体甲醇和丙酮（或乙酸乙酯等），以适当的数量直接滴人炉内而制得所需气氛的。甲醇热裂分解产物的渗碳能力很低，它主要是起携带气的作用，使炉内有一定的正压；起渗碳作用的气体主要是由丙酮或乙酸乙酯热裂分解形成的。滴注式气体渗碳工艺对设备要求较低，碳势控制精度较差，只适用于一般零件的处理。

吸热式气体渗碳工艺的渗碳气氛由吸热式气体加富化气组成，吸热式气体主要包括天然气、煤气、丙烷、丁烷等，一般采用甲烷或丙烷作富化气。需要有吸热式气氛发生装置。

氮基气氛渗碳工艺是指以氮气作为载体添加富化气进行渗碳的工艺，富化气主要有丙烷、丙酮等，同时通入甲醇作为基础气氛。

直生式气氛渗碳工艺是将燃料与氧化剂直接通入炉内形成渗碳气氛的工艺。

采用上述各渗碳工艺时，各种有机液体热裂分解时产生的主要是CO和H。同时还存在少量的其它产物。在一定条件下，达到平衡时，炉气的各成分之间具有一定的比例平衡關系。

可控气氛渗碳工艺已应用多年，积累了丰富的经验，可以满足一般零件的性能要求，但也有自身的缺点，例如：

无法解决表面内氧化问题，即在渗层表面出现一层很薄的非马氏体组织，影响零件的疲劳性能；

无法解决高温渗碳及深层渗碳问题；

生产能耗高；

生产区域环境较差。

这些设备一般都布置在独立的热处理车间，或者与机加工车间组建联合厂房，但与机加工车间之间需要有隔墙，以减少对加工设备的影响，并要求加强热处理车间的排烟措施，改善生产环境。

二、低压真空渗碳工艺

低压真空渗碳工艺的真空压力一般为10—100Pa。其工艺过程是：加热室装料—抽真空—通保护气—加热—工件在高温下脉冲式通入渗碳气氛（纯的乙炔等）和保护气氛（纯的氮气等）进行高速渗碳过程，是一个强渗—扩散—强渗—扩散……的过程，经过几个循环达到工艺渗碳层的要求（故此工艺又被称为脉冲渗碳工艺），然后进行高压气淬或真空油淬。经过这种处理方式，工件可以获得很好的渗层组织、渗碳层碳浓度分布和硬度梯度分布等。

三、低压真空渗碳工艺的特点：

（一）优点：

1、生产效率高

使用真空炉有条件提高渗碳温度（从900～930℃提高到1030～1050℃），真空还对零件表面有净化作用，有利于碳原子在工件表面吸附，故可大大缩短渗碳时间，特别是要取得较深的渗碳层时，或者对气体渗碳认为困难的不锈钢、硅钢等材料是非常有利的。

2、提高零件性能

工件在真空条件下渗碳，表面不脱碳，不产生晶界氧化，提高零件的疲劳强度。

3、有显著的节能效果

低压真空渗碳工艺的热效率高。由于真空渗碳炉的加热元件和隔热材料（石墨板和石墨毡）的热容量小，低压真空渗碳工艺的气体消耗量远小于气体渗碳工艺的渗碳气体消耗量，被气体吸收及带走的热量也小于气体渗碳，从而使真空渗碳炉的热效率较高。在普通气体渗碳过程中，只有6～10%的热量用于加热零件，而真空渗碳则可达到22～29%。

与可控气氛渗碳相比，真空渗碳的气氛非常简单，渗碳仅需单一的原料气如丙烷、乙炔，扩散仅需氮气，且压力非常低，因此使用气氛的成本显著降低。

从实际生产中所测得的数据看，真空渗碳炉升温至高温所耗电力与升温至较低温度所耗电力相差无几。

4、属于环保工艺

由于采用冷壁炉技术，设备在生产过程中，其表面温度与环境温度是一致的，且无火帘、火炬等，因此低压真空渗碳炉是环保的热处理设备。

低压真空渗碳后的零件可直接进行高压气淬。高压气淬是将工件在奥氏体化温度加热后施加0.5～2MPa的高压气体进行淬火冷却的技术，可达到静止油或高速循环油甚至水的淬火效果，其最大优点是避免油淬生产的烟气污染。高压气淬处理后的零件表面清洁度高，无需后序清洗和抛丸清理工序，无SO、CO排放问题，因此属于清洁热处理技术。高压气体淬火采用中性气体N、还原性气体H和惰性气体Ar、He等，这些气体排放到大气中无污染，可以满足最严格的环保要求。

5、自动化程度高

法国ECM公司生产的ICBP炉型采用模块化设计和全自动操作，把淬火及清洗，预热及回火全部整合在一起，内部机器人负责料盘在内搬运和分配，当装料进入到工艺链中，到整个工艺过程结束之前，工人不用做任何事情，具有高度自动化的特点。由于每个加热室可实现不同的热处理工艺，具有高度柔性化的特点。

6、调节适应性强

与可控气氛渗碳相比，低压真空渗碳的开炉和停炉非常简单，每次开炉后只需半小时即可进入工作状态，周末和假期时可随时停炉。

低压真空渗碳加高压气淬可实现真正意义上的在线生产，无需单独的热处理车间，即冷加工之后，直接进入低压无休止真空渗碳加高压气淬工艺循环，亦即该设备像机床一样，与冷加工设备联成一条线。

7、热处理变形量小

渗碳后进行高压气淬能使工件畸变减至最低程度。

钢的气体淬火有别于液态介质淬冷机理，可实现自表面向内层的均匀冷却，故气体淬火畸变很小，可实现少、无磨削。

8、其他优点

以法国ECM公司生产的ICBP炉型为例，低压真空渗碳设备具有下列优点：

设备结构紧凑，占地面积少；

低压真空渗碳重现性好，即只要按照工艺参数进行操作，就可获得各炉很一致的渗碳结果；

低压真空渗碳后零件表面质量高（不脱碳、不氧化），有利于提高零件的疲劳强度；

对具有盲孔、深孔及窄缝的零件具有较好的渗碳效果。

（二）缺点：

目前通用的渗碳剂，如甲烷、丙烷等，都将产生碳黑。碳黑附着于零件上，不但阻碍渗碳过程且造成渗碳层的不均匀（深度及碳浓度）。碳黑附着于加热器上，易于造成电短路现象。碳黑应定期清除，劳动强度大，而且需拆除真空管路，易于使设备漏气。

产生碳黑的主要原因是渗碳气的纯度不够高，渗碳气中所含不饱和碳氢化合物（烯烃、碳四以上高碳氢化合物）越多则产生的碳黑越多，故一般规定渗碳气的纯度应当在96%以上。当然，产生碳黑的原因还有很多，例如：

渗碳气中混入了空气；

渗碳气的流量过大；

渗碳气的压力过高；

搅拌风扇的转速低。

上述因素都能加剧生产中出现炭黑的倾向。

推荐用乙炔代替甲烷、丙烷作渗碳剂。相关实验结果表明，用乙炔作渗碳剂，可以明显减少生产中出现炭黑的倾向，降低设备维修频率，增加装炉量，提高生产效率。

四、低压真空渗碳技术展望

目前，影响真空渗碳工艺推广采用的主要是设备成本问题，随着制造技术的发展，设备成本有可能降低到一个能被使用者接收的程度，这里有一个产品质量和制造成本平衡点的问题。

低压真空渗碳作为一种全新且成熟的渗碳技术，在欧洲、美国、日本等地，已經在汽车、机械、航空航天等领域获得了广泛的应用，并呈现出逐渐替代可控气氛渗碳的趋势。尤其是在一些特定领域，更显示出其卓越的性能，如盲孔类零件的长型喷油嘴针阀体、销轴类零件的薄层渗碳等。这些件用一般的可控气氛渗碳是比较困难的，而真空渗碳却可轻易的加以解决。

五、低压真空渗碳技术在汽车行业的应用

低压真空渗碳技术在汽车行业主要用于油泵油嘴及变速器等精密零件的处理，适应更加严格的节能、环保要求，并提高驾乘舒适度。低压真空渗碳设备已经在上汽集团齿轮总厂和意大利菲亚特变速器工厂得到了广泛使用，在国内汽车行业的应用也日益广泛。