工件较密集装罐时适当提高炉压的滴注式气体渗碳

　　湖南省银州有色高技术有限公司（410125）肖可夫对于滴注式气体渗碳，早就有通用渗碳工艺，其中在强渗期和扩散期的渗碳剂的供给量是根据工件总表面积的大小而确定的。

　　在滴注式气体渗碳中，一般主张炉压不宜高，大多认为，炉压调节在强渗期为200300Pa，扩散期为150~200Pa，或者推荐炉压为294588Pa.因为炉压高了不利于渗碳剂的分解。

　　这些结论，在一般情况下都是适宜的。但如果工件装罐较密集，工件总表面积较大（例如，60kW炉，工件总表面积超过4m2），这时如果仍维持常规炉压（<588Pa），会因炉气循环不畅而影响渗碳，同时，这时若按工件总表面积的大小来确定渗碳剂的供给量，也必将使炉压超过588Pa.就是说，适当高的炉压与按工件总表面积提供渗碳剂，可解决工件较密集装罐时的渗碳效果问题，本文就此作了一些工艺探讨。

　　5.3mm的圆环状密封环，材料为铁基粉末冶金Fe-Mn-C系低合金烧结钢，经热锻，密度达理论密度的98%以上，碳含量0.2%，其渗碳规律与一般渗碳钢的基本相同。

　　装夹方式：用截面为工字形的垂直串具穿过工件内孔，串具竖立，工件水平旋转，每两工件间以丝径的隔圈相隔。这种装夹方式对消除工件篼温变形和提篼每炉产量都是合适的。但其缺点是：①工件总表面积大，达6.5m2，工件和夹具总表面积之和达12.6m2，总体积之和达0.021m3，占工作室空间的22%.②工件欲渗两端面与隔圈线接触，未接触部分与相邻工件间距只有4mm（按一般渗碳要求，应相距5mm以上）。

　　以前未改进的工艺：渗碳剂为煤油+甲醇，按常规炉压（500Pa以下），炉气流动性差，循环不畅。一方面工件不能以正常速度吸碳，渗速很慢（从关孔至开始降温需llh）；另一方面因炉气的滞留造成碳黑多，因炉气不匀造成渗层深度不均，且有内氧化现象；再者，渗速慢与碳黑多又互组互成，形成恶性循环。

　　改进后的渗碳工艺见。

　　上钅排气强渗扩散1空2h左右甲酵停煤油停停！

　　炉压/Pa关孔抽样抽样时间渗碳工艺改进后的工艺，经多年执行，效果良好，其主要特点如下：提高了渗碳速度，渗碳时间缩短了渗碳件外层组织为珠光体+二次渗碳体，渗碳层无内氧化。淬火后外层组织为马氏体+少量细粒状碳化物+少量残余奥氏体，淬火硬度> 60HRC，有效硬化层深均达1卜1.3mm.没有碳黑和焦油状沉积物。

　　提高炉压，炉气中渗碳气氛的摩尔分数降低，而渗碳气氛的分子数密度和分压不会降低。

　　炉压提篼不利于渗碳剂的分解，CnH2n+2、CO等的摩尔分数降低，也不利于象CH4= +2H2这样生成活性碳原子的的反应向右移动，降低了碳势气氛。这就难于产生碳黑。

　　另一方面，从气体状态方程的另一种形式1可以知道，因为渗碳时炉温T不变、普适气体常量i和阿伏加德罗常数N.均为常量，当炉气总压力提篼，气体总的分子数密度《成正比地增加，又由于混合气体中某组分的分子数密度n，。与其摩尔分数以及混合气体总的分子数密度n均成正比，所以当炉内气体总的分子数密度随炉气总压力增大时，虽然渗碳气氛的摩尔分数降低，但渗碳气氛的分子数密度并不会下降。只有这样，才使渗碳速度的提高有了可能。

　　同理，因为混合气体中某组分的分压P，与其摩尔分数n，/n以及混合气体总压力P均成正比，即所以当炉气总压力增大，渗碳气氛的摩尔分数降低时，渗碳气氛的分压不会下降。至少可以说，如果下降的话，也比摩尔分数下降的幅度小得多。

　　强渗期乙醇的作用强渗期供应的煤油比按通用渗碳工艺的供应量减少了，用弱渗碳剂乙醇代替了部分煤油。乙醇有如下特点：①乙醇的产气量比煤油大，能使此阶段的炉压提高到适当篼度。②减少了煤油的裂解反应中，由饱和碳氢化合物转化成的不饱和碳氢化合物，从而减少了生成碳黑和焦油的机会。③乙醇在920T：的分解物中，CO占体积分数的30%，当炉压增大，方程2C0=+C02右移，补偿了一部分由于炉压上升引起的碳势的降低。④乙醇在920t：的分解物中，H2的体积分数占50%，当氏分压增大，促使反应（+H2=C3H8右移，减少由聚合反应2（：3味―C6H12生成的焦油组成物。

　　炉压提篼，炉气的机械能随着增加炉气压力1700Pa是气体的静压头，即单位体积气体所具有的静压能。IPa静压相当于该气体每立方米中具有U的机械能。炉压提高，气体势能提高，即气体的机械能增加，克服因装炉密集而造成的气体流动阻力的能力增大，改善了炉气流动性，加速了炉气的循环。一方面，加速排气，使煤油分解的气体在炉内滞留时间短，多余的活性碳原子来不及形成碳黑即被排出；另一方面，炉气对工件表面“冲刷”作用增强，有利于工件表面吸咐活性碳原子和界面反应的进行。

　　炉压的提高使工件表面吸咐量增加布龙瑙尔、埃梅特和特勒三人的BET吸咐理论，较好地解释了全部五类吸咐等温线（如所示），这五类吸咐等温线，示出了气体分子在固体表面被吸咐时，其吸咐量r与相对压强P/Ps的关系。在大多数区间内（尤其在压强不高的范围里），吸附量随相对压强的上升而很快上升。

　　渗碳的三个过程为分解、吸收与扩散，吸收又是吸附与溶解（活性碳原子溶人基体金属）的总称。对吸附有利的因素能促进渗碳。

　　提高炉压加强了气氛对工件间较小间隙和接触点线附近的渗透作用这些小的间隙和接触点线附近，气体流动阻力大，流速小，常引起渗碳不均匀，借助管道中关于“粘滞流”的理论，粘滞流的流量与压力梯度dP/d：c成正比。当压力增大，压力梯度也增大，这些地方被气氛渗透的作用增强，消灭了原来渗碳的“死角”，提高了渗碳的均匀性。

　　铁基粉末冶金Fe-Mn-C系低合金烧结钢，因Mn元素与氧的亲和力比铁强，所以渗碳时容易造成内氧化。执行改进后的工艺，炉气流动性、均匀性加强，对小间隙的渗透能力增强，其氧化性组分无法在某些“死角”滞留，故消除了内氧化。

　　以上说明，炉压提高后，一方面降低了碳势，减少了碳原子的沉积，从而消除碳黑；另一方面，不但没有使工件表面接触的活性碳原子减少，反而促进了工件表面的吸碳反应，从而提高了渗碳速度并使渗碳均匀。在较密集装缸这种特殊情况下，要提高渗速，渗碳剂的分解、吸收、扩散这三个过程中，吸收是主要矛盾，解决好了主要矛盾，能使三个过程保持恰当的协调关系。而适当提高炉压，就是达到这种目的的一条有效途径。这时候，适当高的炉压，与按工件总表面积的大小来确定渗碳剂的供给量，是基本统一的。

　　我们还可以借助于下面的的抛物线关系，而几乎呈现直线关系。说明工件表面吸碳受阻，表层的碳对扩散供不应求。工艺改进后作同样的。

　　45钢是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能，而焊接性能一般。通常在调质或正火状态下使用，经调质成索氏体时，具有高的强度和塑性，且有一定的韧性。但热处理时，淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感，尤以401C左右水淬时更为明显。

　　45钢制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴、曲轴、活塞销、工夹具等零件时，要求零件表面篼硬度、高耐磨性，而心部具有篼强度和篼禚性，调质后进行篼频或火焰表面淬火。经低温球化退火后，可冷挤压成形零件，如球头销、推力杆等。

　　表1化学成分（质量分数）（％）元素3.其他性能（见表2）表2临界点熔点/r温度/t：4.热处理工艺方法（1）预备热处理45钢锻乳件一般不作退火处理，一是长时间退火造成铁素体集聚，组织不均，二是周期长，生产效率低，常采用篼温回火和正火。

　　篼温回火的温度在ACl以下，所以没有重结晶过程，不能细化钢的晶粒和组织，但可以消除或降低因锻轧而存在的内应力，降低硬度，便于切削加工。而且，高温回火时间短，成本低，钢材氧化，脱碳少，在很多情况下可以取代完全退火、不完全退火和正火，工艺曲线如所示。

　　的温度下进行，工艺曲线如所示。由于在八<；3以上温度，是钢的重§结晶过程，可以细化晶粒和组织，消除应力和降低硬度，提篼切削加工性能，并得到一定的力学性能，可代替调质处理作为*后热处理，或为感应加热表面淬火|前的预备热处理。正火丨的保温时间按每毫米1.0~1.5min计算，但在实际生产条件下，往w往是根据经验确定。保正火工艺曲线温后出炉在空气中冷却，正火后的硬度<226HB.（2）低温球化退火低温球化退火是冷挤压生产过程中一个不可缺少的工序。低温球化§退火的温度接近ACl点，经长时间保温后，可使片状球光体转变为球状°珠光体，硬度由原退火说明渗碳前期真正形成了强烈吸碳的强渗期。

　　此外，因为装料较多，适当延长升温过程中于880C处的均温期和后面的碳势调整期，都是很重要的。

　　对于滴注式气体渗碳，在本文探讨的这种工件较密集装罐的条件下，炉压提高到1600~1800Pa左右，同时提篼H2分压，能促进吸碳反应，加快渗碳速度，消除碳黑，改善渗层组织。这时，提高炉压与按工件总表面积的大小确定渗碳剂供应量是基本统一的。