滲碳製程詳解：定義、類型和性能

滲碳是一種高溫表面硬化工藝，用於製造具有堅硬耐磨外層和堅韌吸震芯層的零件。滲碳是汽車和航空航太工業中重型零件的標準熱處理工藝，例如變速箱齒輪、傳動軸和高負荷軸承。

什麼是滲碳？

滲碳是一種化學熱處理工藝，將工件加熱並浸入滲碳介質中，使碳原子滲入其表面。這是金屬材料常用的熱處理工藝，可使工件的滲碳表面獲得高硬度和更佳的耐磨性。滲碳製程廣泛應用於飛機、汽車和拖拉機等機械零件，例如齒輪、軸和凸輪軸。

依含碳介質的不同，滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。

氣體滲碳是將工件置於密封的滲碳爐中，並向爐內通入氣體滲碳劑（甲烷、乙烷等）或液體滲碳劑（煤油、苯、醇、丙酮等）。這些物質在高溫下分解成活性碳原子，滲入工件表面，形成高碳表面層。

固體滲碳是最早的方法，即將工件和固體滲碳劑（木炭加活化劑）放入密封的滲碳箱中，然後在爐中加熱到滲碳溫度並保持一段時間，使活性碳原子滲入表面。

液體滲碳製程採用液態介質。常用的液體滲碳介質包括碳化矽和“603”滲碳劑。

氣體滲碳

氣體滲碳是目前應用最廣泛、發展最快的滲碳方法。它透過合理調整製程參數，可以控制滲碳氣氛，從而確保產品品質穩定。

由於氣體滲碳適用於大規模生產、操作簡單且易於品質控制，因此目前應用廣泛。此方法主要使用天然氣、丙烷或丁烷作為主要氣體。其優點包括表面碳濃度可調、氣體流量和溫度控制易於自動化以及管理簡單。缺點是設備昂貴、小批量生產成本高，且需要專門的操作知識。

圖片來源： ScienceDirect

氣體滲碳方法有兩種：滴灌法和吸熱氣體滲碳法。滴灌法是將工件置於裝有活性滲碳介質的密封坑式爐中，加熱至900～950℃（通常為930℃）的單相奧氏體區。保溫足夠時間後，介質分解產生的活性碳原子滲入鋼材表面，使表面碳含量較高，芯部保持其原有成分。爐內滲碳氣氛主要由煤油、丙酮、甲苯、甲醛等有機液體在高溫下分解形成，主要成分為CO、H₂和CH₄，並含有少量CO₂和H₂O。

氣體滲碳過程也包括三個基本階段：分解、吸收和擴散。首先，滲碳介質在高溫下分解，產生活性碳原子：

CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]

2CO ⇌ CO₂ + [C]

CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]

隨後，活性碳原子被鋼表面吸收，溶解於高溫奧氏體中，並向內擴散形成一定深度的滲碳層。滲碳層的厚度主要取決於保溫時間。在恆溫條件下，保溫時間越長，滲碳層越厚。生產中，通常會採用「現場抽樣檢測」法來確定準確的出料時間。

使用930℃的坑式爐時，滲碳時間和深度的關係如下：

真空滲碳

真空滲碳是將工件放入真空爐中，抽真空加熱以淨化其內部。達到滲碳溫度後，引入碳氫化合物（例如丙烷）。經過一段時間後，停止滲碳，再次抽真空以進行擴散。

真空滲碳是一種在真空環境下進行的氣體滲碳工藝，通常在較高的溫度（1030–1050°C）下進行。真空環境對工件表面具有清潔作用，有利於碳原子的吸附，並顯著縮短製程週期，使其約為標準氣體滲碳製程的三分之一。此外，真空爐在高溫下不會增加維護成本。

此外，真空滲碳無需載氣或碳勢控制。碳濃度取決於增強時間與擴散時間的比值，因此無需碳勢控制器和氣體發生器。此製程在提高產品品質和節能方面具有顯著優勢。

等離子滲碳

等離子滲碳利用等離子轟擊輔助氣體滲碳。與真空滲碳類似，它不需要氣體發生器或碳電位控制器。可以透過調節放電電流密度來控制滲碳層濃度。由於等離子衝擊強化了滲碳過程，其滲碳速率遠高於一般滲碳，甚至可以與真空滲碳相媲美。

圖片來源： ScienceDirect

用於滲碳的鋼材

用於滲碳的鋼材通常為低碳鋼和低碳合金鋼，其碳含量需達到0.1%～0.25%，以確保芯部具有足夠的強度和韌性。添加鉻、鎳、錳、鈦和鉬等合金元素可提高淬透性、細化晶粒、防止過熱並增強芯部韌性。

常見等級和應用：

低強度鋼（S355、1022、5120 等）：用於低負載耐磨零件，如摩擦片、襯套和量規。

中等強度鋼（20CrMn、20CrMnTi、20CrMnMo 等）：用於中等載重磨損和抗疲勞零件，如軸、齒輪和銷。

高強度鋼（12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4、30CrMnTi 等）：用於高強度、重型零件，如高功率引擎軸和重型齒輪。

滲碳後的熱處理

滲碳後，工件必須進行熱處理，以提高表面強度、硬度和耐磨性，同時細化晶粒並增強芯部韌性。

直接淬火

直接淬火是指在滲碳後，將工件在爐內冷卻（或預冷）至760–860°C，然後進行淬火。預冷可以降低內應力和變形，並使高碳奧氏體析出碳化物，從而減少殘餘奧氏體。這種方法可以提高生產效率並降低成本，但僅適用於晶粒本身就細的鋼材，而不適用於表面碳濃度非常高的鋼材。

單次淬火

滲碳後，工件緩慢冷卻，然後重新加熱至臨界溫度以上。 淬火若芯材強度要求較高，溫度應略高於 A3。對於載重較低但表面要求較高的零件，溫度應比 Ac1 高 30–50°C。

雙淬火

雙淬火製程適用於機械性能要求高的零件或由本身晶粒粗大的鋼材製成的零件。第一次淬火（溫度高於A3 + 30–50°C）改善芯部組織。第二次淬火（溫度高於Ac1 + 30–50°C）細化表面組織，得到細小的馬氏體和顆粒狀二次碳化物。

滲碳零件淬火後需在150–250°C下進行回火處理。對於非合金鋼，通常採用150–180°C的回火溫度；對於合金鋼，則採用160–200°C的回火溫度。淬火和低溫回火後，表面硬度可達58–64 HRC，具有優異的耐磨性，而芯部仍保持韌性。表面形成的壓應力也有助於提高疲勞強度。

滲碳零件的性能

淬火後的表面顯微組織主要為高硬度馬氏體，輔以殘餘奧氏體和少量碳化物。芯部為韌性較強的低碳馬氏體（應避免出現鐵素體）。典型滲碳層深度為0.8～1.2mm，深度滲碳可達2mm以上。表面硬度達58～63HRC，芯部硬度為30～42HRC。滲碳能有效提高強度、衝擊韌性和耐磨性，進而延長零件的使用壽命。

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