真空渗碳及碳氮共渗技术近况和应用
在简述真空渗碳及碳氮共渗近况的基础上，重点介绍了乙炔真空渗碳及乙炔、氨气真空碳氮共渗的效果及应用。在WZST系列双室真空渗碳淬火炉渗碳后，渗碳层深度均匀性为±0.05～0.08mm。当渗碳深度为0.97～1.08mm时，表面碳浓度为0.84%～0.87%。20CrMo钢制精密级齿轮真空碳氮共渗后，硬化层深0.15～0.30mm，硬度550HV0.5，齿轮内孔直径变形量≤0.01mm，且无喇叭口。
一、真空渗碳近况
1、丙烷作为渗碳气的特点
丙炳因含有丰富的“C”源，早期真空渗碳一直采用丙烷(C3H8)为渗碳气。其特点如下：
(1)渗速快，可实施高温快速渗碳。
(2)渗层组织中无晶界氧化层。
(3)使复杂形状和不通孔渗碳成为可能。
2、丙烷作为渗碳气的问题
(1)装炉量增加，渗碳气流量增加，压力加大，炭黑也越严重。
(2)由于炭黑严重，维修频率加快。
(3)为了减轻维修量、频率，不得不减少装炉量，导致生产率低下。为此，真空渗碳停留在特殊领域、特殊零件的应用，难于推广和普及。
3、乙炔作为渗碳气的特点
有人用16MnCr5钢试样，在1000℃、1×103Pa时渗碳10min后，经2×105Pa氮气中快速冷却。采用4种不同的渗碳气：甲烷、丙烷、乙烯和乙炔。16MnCr5钢用各种碳氢化合物气体渗碳后碳浓度的分布曲线示于图1。从图1中可看出，甲烷表面碳浓度最低达0.2%，基本上没有渗碳能力;乙炔表面碳浓度最高达1.4%，渗碳能力最强;丙烷、乙稀结果相同，渗碳能力居中，而且相同的渗碳层深，用乙炔渗碳时碳浓度要高0.1%。碳的传输能力或称富化率(g/m2·h)也得到相同的规律，甲烷2g/m2·h，丙烷和乙稀为120g/m2·h和130g/m2·h，乙炔的碳传输最大，接近150g/m2·h。
更为重要的是不同渗碳气体在真空渗碳时，进入小而深的不通孔的渗碳效果。对3mm×90mm的不通孔做试验，900℃、5×102Pa、10min渗碳，2×105Pa氮气中快冷，再次加热至860℃并在5×105Pa氮气中淬火。图2是用不同碳化氢气体渗碳后的试验结果。从结果可以明显看出，丙烷及乙稀渗碳能力只能使不通孔深6mm处渗碳淬硬，>6mm处均未被渗上。而用乙炔进行渗碳，沿着孔的深度直至不通孔的底部90mm全部渗上了碳，显然乙炔比丙烷或乙稀具有明显的、更强的渗碳能力。乙炔的应用使真空渗碳技术的发展进入了新的阶段，生产中炭黑的产生明显减少，维修周期拉长，效率提高，装炉量逐渐加大到300～700kg/炉。
4、饱和值调整法
图3是表示在相图上的真空渗碳工艺及饱和值调整法。气体渗碳是对渗碳气氛的碳势进行控制。真空渗碳是利用调整达到碳的固溶极限的渗碳时间，以及停止供渗碳气后的扩散时间，来控制渗碳层的方法，这就是所谓的“饱和值调整法”。
在试验确定了渗碳气流量、压力的基础上，设定好时间参数，用自动控制的方法可以方便地确保生产质量的再现性。
二、真空渗碳均匀性
表1、表2是系列双室真空渗碳炉某些炉型均匀性测试结果。测量点和国标规定的温度均匀性5点测温的位置一致。据这些表中数据来看，渗层深度±0.08mm，碳浓度±0.05%。
三、真空渗碳的应用
1、齿轮类零件的应用
图4为20CrMo齿轮类零件真空渗碳后外观，渗层深度分别是0.38mm、0.64mm。表3是变形和硬度情况。
图4所示各类齿轮精度等级为JB179-60、8DC级，热处理后不再研磨加工，直接装配，因此变形量要尽可能小。变形大时，因电动机转速高(1450r/min)会使噪声增大，甚至会使装配无法进行(因内渐开线花键孔无法再加工)。从表4可知，各齿轮件变形量可控制在0.05mm以内。
2、不锈钢渗碳
为了给耐蚀性优良的不锈钢附加高的耐磨性，可不受设备条件限制用真空渗碳的方法实现。图5是0Cr18Ni9经1050℃、50min渗碳后的组织，层深0.2mm，硬度可达700～800HV。
3、模具的真空渗碳
为进一步增加Cr12MoV钢制模具表面层碳化物含量，以提高耐磨性能，可用真空渗碳的方法在高温高碳势条件下，实现高浓度渗碳。
四、真空碳氮共渗
1、碳氮共渗技术的进展
气体碳氮共渗是在20世纪60年代被大量研究，70年代得到广泛使用的一项传统热处理技术。该技术由于氮的渗入使钢的临界点(A1、A3)下移，可以适当降低淬火温度，提供了进一步减少淬火变形的可能。氮的渗入还使淬透性增加，所以除合金钢外，碳素钢也可以实施碳氮共渗及油淬处理，从而提高硬度和表面耐磨性,这两个特点也正是该技术被广泛应用的原因。该技术使用的渗剂有：①氨气+煤油。②吸热式气氛+富化气+氨气。③氮基气氛+甲醇+丙烷+氨气等。共渗机理:无论哪种渗剂中都有含氧介质，C、N同时渗入金属,金属表面的化学反应、C和N向金属内部的扩散是平衡式，从共渗结果看，渗层组织有晶界氧化层。
20世纪末到本世纪初以来，出现了一种预抽真空式碳氮共渗技术。从C、N来源和使用渗剂方法来看，共渗机理、结果和气体碳氮共渗是一样的，渗剂中仍有含氧介质。渗层组织中仍有表面晶界氧化层，并无法杜绝。不过此法由于使用了真空排气和密封技术，不仅工艺过程缩短，效率提高，渗剂使用量略有减少，而且晶界氧化层深度也有所减轻。据有关资料介绍可减少50%。
本世纪以来，H.Altena和F.Schrank介绍了往真空炉中通入丙烷、氨气的新技术来提高合金钢和非合金钢的表面硬度，借助真空中工艺过程的控制来影响金属表层碳、氮浓度及渗层的深度，说明了碳、氮渗入的过程和影响因素，报道了关于设备的构想。2004年日本专利公开，该专利提到的新技术特征：在真空炉内，工件被加热至渗碳温度，通入渗碳气体进行渗碳、扩散，然后降低温度，再向真空状态的炉内通入渗氮气体，进行渗氮。碳钢或表面硬化钢用这种新技术都可以得到要求的表面硬度、层深和韧性。该专利曾有应用于汽车零件批量生产的报道。
2、真空碳氮共渗的特点
在真空(低压)碳氮共渗的渗剂(碳氢化合物+氨气)中没有含氧介质，金属表面的化学反应是在100～3000Pa的真空状态下单向的分解反应，其中C和N的渗入是同时，或是C先、N后，说法不一。但在碳氮共渗过程中，一旦停止气源供应，表层的C继续向金属内部扩散，呈现非平衡态;而N则从金属表面溢出，呈现平衡态，或者说此时已渗入金属的N同时向金属内部和表面两个方向扩散，这些特点对工艺有重要影响。真空碳氮共渗除保留气体碳氮共渗特点外，渗剂气体中无含氧介质，渗层组织中可以杜绝晶界氧化层，共渗压力低，使用的渗剂气体量少，废气排放量也大幅度减少。
五、真空碳氮共渗技术的应用
1、应用对象
适合使用的材质：可用于低碳合金钢(包括合金结构钢、合金渗碳钢)，也能用于广泛使用的碳素钢及粉末冶金钢。对载荷大的零件建议使用中碳钢、Cr钢、Ni-Cr钢、Ni-Cr-Mo钢等。适用于要求耐磨性、疲劳强度为主的零件，如各种齿轮、轴、垫圈(片)、轴衬(套)齿圈(盘)、油泵油嘴、滚柱、轴承盖、链轮(条)、离合器、闸阀、销钉、螺钉(母、杆)等。
2、应用实例
名称：精密级齿轮(5级);材质：20CrMo。技术要求：硬化层深0.15～0.30mm;硬度(550±50)HV;内孔变形：≤0.01mm，不能形成喇叭口。
精密齿轮经真空碳氮共渗热处理后测量，渗层0.18～0.20mm，淬火硬度728～731HV，符合技术要求。表5列出了内孔测点1(下端)、测点2(上端)，见齿轮剖面图(见图7)，热处理前后内径测量值及变形量。同一个齿轮的测点1和测点2变形量差值≥0.01mm时，则该齿轮内孔呈喇叭口，为报废品;反之则为合格品。所以从表1喇叭口一项可见，所测12件齿轮均为合格品。这足以说明真空碳氮共渗热处理变形小的优越性。
3、真空碳氮共渗的技术装备及选型
真空碳氮共渗后的冷却可采用油冷。油冷时，表6列出了系列双室真空渗碳及碳氮共渗油淬气冷炉的各种类型，可根据表6中加热区尺寸和装炉重量等选择你所需要的型号。图8是真空碳氮共渗设备及油淬后工件表面的状况。
六、结语
乙炔真空渗碳的应用，使真空渗碳技术的发展进入了新的阶段，生产中炭黑明显减少，维修周期拉长，装炉量增大，生产效率提高。与气体碳氮共渗相比，真空碳氮共渗完全无氧的介入，渗层组织无晶介氧化层，适用于普通碳素钢、合金钢、粉末冶金件，热处理变形比渗碳小，精度高。对机械行业量大面广的基础零部件，其使用寿命提高，节约国家资源，意义重大。真空碳氮共渗新技术需要的渗剂气体少、废气的排放也大幅度地降低，既节约气体、又清洁环保，有望能得到广泛的应用。
