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(diǎn)及所采用設(shè)備的介紹，說明了低壓真空滲碳工藝的優(yōu)勢所在，并指出其在汽車工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)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(nèi)通入有機(jī)液體甲醇和丙酮（或乙酸乙酯等），以適當(dāng)?shù)臄?shù)量直接滴人爐內(nèi)而制得所需氣氛的。甲醇熱裂分解產(chǎn)物的滲碳能力很低，它主要是起攜帶氣的作用，使?fàn)t內(nèi)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(shè)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?xì)夥沼晌鼰崾綒怏w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(fā)生裝置。

氮基氣氛滲碳工藝是指以氮?dú)庾鳛檩d體添加富化氣進(jìn)行滲碳的工藝，富化氣主要有丙烷、丙酮等，同時(shí)通入甲醇作為基礎(chǔ)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(nèi)形成滲碳?xì)夥盏墓に嚒?/p>

采用上述各滲碳工藝時(shí)，各種有機(jī)液體熱裂分解時(shí)產(chǎn)生的主要是CO和H。同時(shí)還存在少量的其它產(chǎn)物。在一定條件下，達(dá)到平衡時(shí)，爐氣的各成分之間具有一定的比例平衡關(guān)系。

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

無法解決表面內(nèi)氧化問題，即在滲層表面出現(xiàn)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(chǎn)能耗高；

生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境較差。

這些設(shè)備一般都布置在獨(dú)立的熱處理車間，或者與機(jī)加工車間組建聯(lián)合廠房，但與機(jī)加工車間之間需要有隔墻，以減少對加工設(shè)備的影響，并要求加強(qiáng)熱處理車間的排煙措施，改善生產(chǎn)環(huán)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(hù)氣—加熱—工件在高溫下脈沖式通入滲碳?xì)夥眨兊囊胰驳龋┖捅Ｗo(hù)氣氛（純的氮?dú)獾龋┻M(jìn)行高速滲碳過程，是一個(gè)強(qiáng)滲—擴(kuò)散—強(qiáng)滲—擴(kuò)散……的過程，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)達(dá)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(jìn)行高壓氣淬或真空油淬。經(jīng)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(diǎn)：

（一）優(yōu)點(diǎn)：

1、生產(chǎn)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(shí)間，特別是要取得較深的滲碳層時(shí)，或者對氣體滲碳認(rèn)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(chǎn)生晶界氧化，提高零件的疲勞強(qiáng)度。

3、有顯著的節(jié)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(yuǎn)小于氣體滲碳工藝的滲碳?xì)怏w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(dá)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(kuò)散僅需氮?dú)猓覊毫Ψ浅５?，因此使用氣氛的成本顯著降低。

從實(shí)際生產(chǎn)中所測得的數(shù)據(jù)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(huán)保工藝

由于采用冷壁爐技術(shù)，設(shè)備在生產(chǎn)過程中，其表面溫度與環(huán)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(huán)保的熱處理設(shè)備。

低壓真空滲碳后的零件可直接進(jìn)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(jìn)行淬火冷卻的技術(shù)，可達(dá)到靜止油或高速循環(huán)油甚至水的淬火效果，其最大優(yōu)點(diǎn)是避免油淬生產(chǎn)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(shù)。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(yán)格的環(huán)保要求。

5、自動化程度高

法國ECM公司生產(chǎn)的ICBP爐型采用模塊化設(shè)計(jì)和全自動操作，把淬火及清洗，預(yù)熱及回火全部整合在一起，內(nèi)部機(jī)器人負(fù)責(zé)料盤在內(nèi)搬運(yùn)和分配，當(dāng)裝料進(jìn)入到工藝鏈中，到整個(gè)工藝過程結(jié)束之前，工人不用做任何事情，具有高度自動化的特點(diǎn)。由于每個(gè)加熱室可實(shí)現(xiàn)不同的熱處理工藝，具有高度柔性化的特點(diǎn)。

6、調(diào)節(jié)適應(yīng)性強(qiáng)

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(shí)即可進(jìn)入工作狀態(tài)，周末和假期時(shí)可隨時(shí)停爐。

低壓真空滲碳加高壓氣淬可實(shí)現(xiàn)真正意義上的在線生產(chǎn)，無需單獨(dú)的熱處理車間，即冷加工之后，直接進(jìn)入低壓無休止真空滲碳加高壓氣淬工藝循環(huán)，亦即該設(shè)備像機(jī)床一樣，與冷加工設(shè)備聯(lián)成一條線。

7、熱處理變形量小

滲碳后進(jìn)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(tài)介質(zhì)淬冷機(jī)理，可實(shí)現(xiàn)自表面向內(nèi)層的均勻冷卻，故氣體淬火畸變很小，可實(shí)現(xiàn)少、無磨削。

8、其他優(yōu)點(diǎn)

以法國ECM公司生產(chǎn)的ICBP爐型為例，低壓真空滲碳設(shè)備具有下列優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少；

低壓真空滲碳重現(xiàn)性好，即只要按照工藝參數(shù)進(jìn)行操作，就可獲得各爐很一致的滲碳結(jié)果；

低壓真空滲碳后零件表面質(zhì)量高（不脫碳、不氧化），有利于提高零件的疲勞強(qiáng)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(diǎn)：

目前通用的滲碳劑，如甲烷、丙烷等，都將產(chǎn)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(xiàn)象。碳黑應(yīng)定期清除，勞動強(qiáng)度大，而且需拆除真空管路，易于使設(shè)備漏氣。

產(chǎn)生碳黑的主要原因是滲碳?xì)獾募兌炔粔蚋撸瑵B碳?xì)庵兴伙柡吞細(xì)浠衔铮ㄏN、碳四以上高碳?xì)浠衔铮┰蕉鄤t產(chǎn)生的碳黑越多，故一般規(guī)定滲碳?xì)獾募兌葢?yīng)當(dāng)在96%以上。當(dāng)然，產(chǎn)生碳黑的原因還有很多，例如：

滲碳?xì)庵谢烊肓丝諝猓?/p>

滲碳?xì)獾牧髁窟^大；

滲碳?xì)獾膲毫^高；

攪拌風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速低。

上述因素都能加劇生產(chǎn)中出現(xiàn)炭黑的傾向。

推薦用乙炔代替甲烷、丙烷作滲碳劑。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用乙炔作滲碳劑，可以明顯減少生產(chǎn)中出現(xiàn)炭黑的傾向，降低設(shè)備維修頻率，增加裝爐量，提高生產(chǎn)效率。

四、低壓真空滲碳技術(shù)展望

目前，影響真空滲碳工藝推廣采用的主要是設(shè)備成本問題，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備成本有可能降低到一個(gè)能被使用者接收的程度，這里有一個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量和制造成本平衡點(diǎn)的問題。

低壓真空滲碳作為一種全新且成熟的滲碳技術(shù)，在歐洲、美國、日本等地，已經(jīng)在汽車、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并呈現(xiàn)出逐漸替代可控氣氛滲碳的趨勢。尤其是在一些特定領(lǐng)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(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

低壓真空滲碳技術(shù)在汽車行業(yè)主要用于油泵油嘴及變速器等精密零件的處理，適應(yīng)更加嚴(yán)格的節(jié)能、環(huán)保要求，并提高駕乘舒適度。低壓真空滲碳設(shè)備已經(jīng)在上汽集團(tuán)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(nèi)汽車行業(yè)的應(yīng)用也日益廣泛。