低壓真空滲碳工藝的探討

為解決可控氣氛滲碳無法克服的表面內(nèi)氧化及高溫深層滲碳的問題，在發(fā)達(dá)國家工業(yè)領(lǐng)域已開始大量應(yīng)用低壓真空滲碳技術(shù)，而國內(nèi)采用真空滲碳替代常規(guī)氣氛滲碳也只是一個時間問題。本文在利用北京易西姆工業(yè)爐科技發(fā)展有限公司研發(fā)的低壓真空滲碳設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，對低壓真空滲碳工藝進(jìn)行了一些初步的探索。

比較低壓真空滲碳與可控氣氛滲碳，工藝上的不同主要是在滲碳壓力、介質(zhì)、控制和方式等方面。

1、滲碳壓力

在可控氣氛滲碳時，滲碳絕對壓力為100²-100³mbar，而真空滲碳時滲碳絕對壓力小于或等于30mbar，它不僅表明爐內(nèi)的真空狀態(tài)，更重要的是它與滲碳溫度、時間和滲碳?xì)怏w流量一起，直接或間接地影響滲碳層深度和工件表面碳濃度。

研究表明，低壓真空滲碳壓力主要與滲碳溫度、滲碳?xì)怏w流量和真空泵組的抽速有密切的關(guān)系，其中滲碳壓力與滲碳溫度和滲碳?xì)怏w流量成正比，與真空泵組的抽速成反比。而在選擇滲碳?xì)怏w流量時則主要考慮裝爐量，因為滲碳?xì)怏w流量與滲碳工件總的表面積成正比。

一般滲碳壓力提高意味著滲碳?xì)怏w流量加大，供碳能力加強。而滲碳壓力降低，雖然會降低供碳能力，但卻使?fàn)t內(nèi)真空度提高，工件表面壓強降低，金屬工件晶體結(jié)構(gòu)的空隙加大，致使工件對活性碳原子的吸附能力提高。因此，在進(jìn)行低壓真空滲碳時應(yīng)選擇合適的滲碳壓力。經(jīng)驗表明，該壓力應(yīng)控制在3-25mbar范圍內(nèi)。

2、滲碳介質(zhì)

在可控氣氛滲碳中，滲碳介質(zhì)為甲醇+氮氣+富化氣+空氣或甲醇+富化氣+空氣，而在真空滲碳中，滲碳介質(zhì)為乙炔+保護(hù)氣(氮氣或惰性氣體)或丙烷+保護(hù)氣(氮氣或惰性氣體)。

雖然丙烷氣在低壓真空滲碳中可能有不同的分解反應(yīng)，但z*終都會或多或少地產(chǎn)生甲烷。在20世紀(jì)90年代，低壓真空滲碳介質(zhì)以丙烷氣為碳源得到一定的市場確認(rèn)，較多汽車領(lǐng)域的用戶使用這一新工藝。但通過實際使用證明，丙烷作為滲碳碳源的應(yīng)用相對有限，主要集中應(yīng)用于汽車齒輪類零件的低壓真空滲碳，并未能在各個工業(yè)領(lǐng)域零件的低壓真空滲碳中廣泛使用。原因之一是當(dāng)溫度高于600℃時，丙烷很容易分解為碳、氫和甲烷，這種分解速率非?？欤瑤缀跛查g完成，所以當(dāng)丙烷氣進(jìn)入加熱室內(nèi)便開始分解，在被加熱工件的附近空間更是傾向于大量分解，致使加熱室內(nèi)極易形成碳黑，而在爐子中相對溫度較低的部位，如內(nèi)殼或管道內(nèi)，丙烷還形成焦油，對真空泵組極為有害。

而乙炔在低壓真空滲碳中作為滲碳碳源具有以下一些優(yōu)勢。s*先，一個乙炔分子在滲碳時完全分解為兩個自由碳原子和一個氫分子，而一個丙烷分子只能分解一個自由碳原子，可見使用乙炔將更經(jīng)濟(jì);其次，乙炔具有高的滲碳能力，供氣量相對減少，滲碳壓力比丙烷低一些;第三，乙炔僅在于金屬表面接觸時才發(fā)生分解，這樣基本消除了使用丙烷滲碳時產(chǎn)生的碳黑現(xiàn)象，也無焦油產(chǎn)生的問題;另外，使用乙炔還可以對直徑小、長盲孔的零件進(jìn)行均勻滲碳，并允許高密度和大容量的工件裝爐。

3、滲碳控制

可控氣氛滲碳采用的是氧探頭測碳勢的方法來控制滲碳層的形成，而在低壓真空滲碳中我們采用的是基于擴(kuò)散理論的“奧氏體碳含量飽和值控制法”，即整個滲碳過程由數(shù)個子滲碳程序集合組成，每個子滲碳程序包括強滲期和擴(kuò)散期兩個階段。如何確定每個子滲碳程序中強滲期和擴(kuò)散期的時間成為滲碳控制的關(guān)鍵。根據(jù)國外低壓真空滲碳的經(jīng)驗，這些時間的確定需要依據(jù)材料的成分、滲層深度的要求和表面碳濃度的要求，在建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型后，利用計算機計算出來。該數(shù)學(xué)模型的建立必須通過大量低壓真空滲碳試驗數(shù)據(jù)才能夠獲得。

4、滲碳方式

正如上節(jié)所述，在低壓(壓力一般≤30mbar)真空狀態(tài)下，滲碳方式是通過數(shù)個子滲碳程序組成的，包括多個子強滲(通入滲碳介質(zhì)乙炔)和子擴(kuò)散(通入保護(hù)氣體，如氮氣或惰性氣體)，所以此工藝方式又稱為脈沖滲碳工藝方法。采取這種滲碳方式可以保證工件邊角不會產(chǎn)生過滲，也能夠保證工件表面不會積碳，形成碳黑。

低壓真空滲碳和可控氣氛滲碳相比，無論是在工件滲碳后的組織和性能、工藝的靈活性、生產(chǎn)成本和環(huán)境保護(hù)等方面都有著無法比擬的優(yōu)勢，必將會有廣闊的應(yīng)用前景和長足的發(fā)展。