低壓真空滲碳工藝的探討

　　為解決可控氣氛滲碳無(wú)法克服的表面內氧化及高溫深層滲碳的問(wèn)題，在發(fā)達國家工業(yè)領(lǐng)域已開(kāi)始大量應用低壓真空滲碳技術(shù)，而國內采用真空滲碳替代常規氣氛滲碳也只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)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)的低壓真空滲碳設備和技術(shù)的基礎上，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(shí)，滲碳絕對壓力為100²-100³mbar，而真空滲碳時(shí)滲碳絕對壓力小于或等于30mbar，它不僅表明爐內的真空狀態(tài)，更重要的是它與滲碳溫度、時(shí)間和滲碳氣體流量一起，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、滲碳氣體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氣體流量成正比，與真空泵組的抽速成反比。而在選擇滲碳氣體流量時(shí)則主要考慮裝爐量，因為滲碳氣體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(zhù)滲碳氣體流量加大，供碳能力加強。而滲碳壓力降低，雖然會(huì )降低供碳能力，但卻使爐內真空度提高，工件表面壓強降低，金屬工件晶體結構的空隙加大，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(shí)應選擇合適的滲碳壓力。經(jīng)驗表明，該壓力應控制在3-25mbar范圍內。

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+保護氣(氮氣或惰性氣體)或丙烷+保護氣(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，但最終都會(huì )或多或少地產(chǎn)生甲烷。在20世紀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(chǎng)確認，較多汽車(chē)領(lǐng)域的用戶(hù)使用這一新工藝。但通過(guò)實(shí)際使用證明，丙烷作為滲碳碳源的應用相對有限，主要集中應用于汽車(chē)齒輪類(lèi)零件的低壓真空滲碳，并未能在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域零件的低壓真空滲碳中廣泛使用。原因之一是當溫度高于600℃時(shí)，丙烷很容易分解為碳、氫和甲烷，這種分解速率非�？�，幾乎瞬間完成，所以當丙烷氣進(jìn)入加熱室內便開(kāi)始分解，在被加熱工件的附近空間更是傾向于大量分解，致使加熱室內極易形成碳黑，而在爐子中相對溫度較低的部位，如內殼或管道內，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。首先，一個(gè)乙炔分子在滲碳時(shí)完全分解為兩個(gè)自由碳原子和一個(gè)氫分子，而一個(gè)丙烷分子只能分解一個(gè)自由碳原子，可見(jiàn)使用乙炔將更經(jīng)濟;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(shí)才發(fā)生分解，這樣基本消除了使用丙烷滲碳時(shí)產(chǎn)生的碳黑現象，也無(wú)焦油產(chǎn)生的問(wèn)題;另外，使用乙炔還可以對直徑小、長(cháng)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(lái)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散理論的“奧氏體碳含量飽和值控制法”，即整個(gè)滲碳過(guò)程由數個(gè)子滲碳程序集合組成，每個(gè)子滲碳程序包括強滲期和擴散期兩個(gè)階段。如何確定每個(gè)子滲碳程序中強滲期和擴散期的時(shí)間成為滲碳控制的關(guān)鍵。根據國外低壓真空滲碳的經(jīng)驗，這些時(shí)間的確定需要依據材料的成分、滲層深度的要求和表面碳濃度的要求，在建立準確的數學(xué)模型后，利用計算機計算出來(lái)。該數學(xué)模型的建立必須通過(guò)大量低壓真空滲碳試驗數據才能夠獲得。

4、滲碳方式

　　正如上節所述，在低壓(壓力一般≤30mbar)真空狀態(tài)下，滲碳方式是通過(guò)數個(gè)子滲碳程序組成的，包括多個(gè)子強滲(通入滲碳介質(zhì)乙炔)和子擴散(通入保護氣體，如氮氣或惰性氣體)，所以此工藝方式又稱(chēng)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(huì )產(chǎn)生過(guò)滲，也能夠保證工件表面不會(huì )積碳，形成碳黑。

　　低壓真空滲碳和可控氣氛滲碳相比，無(wú)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)境保護等方面都有著(zhù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢，必將會(huì )有廣闊的應用前景和長(cháng)足的發(fā)展。