低压真空渗碳工艺的探讨

Dream

作者：北京易西姆工业炉科技发展有限公司
为解决可控气氛渗碳无法克服的表面内氧化及高温深层渗碳的问题，在发达国家工业领域已开始大量应用低压真空渗碳技术，而国内采用真空渗碳替代常规气氛渗碳也只是一个时间问题。本文在利用北京易西姆工业炉科技发展有限公司研发的低压真空渗碳设备和技术的基础上，对低压真空渗碳工艺进行了一些初步的探索。

比较低压真空渗碳与可控气氛渗碳，工艺上的不同主要是在渗碳压力、介质、控制和方式等方面。

1.渗碳压力

在可控气氛渗碳时，渗碳绝对压力为1002-1003mbar，而真空渗碳时渗碳绝对压力小于或等于30mbar，它不仅表明炉内的真空状态，更重要的是它与渗碳温度、时间和渗碳气体流量一起，直接或间接地影响渗碳层深度和工件表面碳浓度。

研究表明，低压真空渗碳压力主要与渗碳温度、渗碳气体流量和真空泵组的抽速有密切的关系，其中渗碳压力与渗碳温度和渗碳气体流量成正比，与真空泵组的抽速成反比。而在选择渗碳气体流量时则主要考虑装炉量，因为渗碳气体流量与渗碳工件总的表面积成正比。

一般渗碳压力提高意味着渗碳气体流量加大，供碳能力加强。而渗碳压力降低，虽然会降低供碳能力，但却使炉内真空度提高，工件表面压强降低，金属工件晶体结构的空隙加大，致使工件对活性碳原子的吸附能力提高。因此，在进行低压真空渗碳时应选择合适的渗碳压力。经验表明，该压力应控制在3-25mbar范围内。

2.渗碳介质

在可控气氛渗碳中，渗碳介质为甲醇+氮气+富化气+空气或甲醇+富化气+空气，而在真空渗碳中，渗碳介质为乙炔+保护气（氮气或惰性气体）或丙烷+保护气（氮气或惰性气体）。

虽然丙烷气在低压真空渗碳中可能有不同的分解反应，但最终都会或多或少地产生甲烷。在20世纪90年代，低压真空渗碳介质以丙烷气为碳源得到一定的市场确认，较多汽车领域的用户使用这一新工艺。但通过实际使用证明，丙烷作为渗碳碳源的应用相对有限，主要集中应用于汽车齿轮类零件的低压真空渗碳，并未能在各个工业领域零件的低压真空渗碳中广泛使用。原因之一是当温度高于600℃时，丙烷很容易分解为碳、氢和甲烷，这种分解速率非常快，几乎瞬间完成，所以当丙烷气进入加热室内便开始分解，在被加热工件的附近空间更是倾向于大量分解，致使加热室内极易形成碳黑，而在炉子中相对温度较低的部位，如内壳或管道内，丙烷还形成焦油，对真空泵组极为有害。

而乙炔在低压真空渗碳中作为渗碳碳源具有以下一些优势。首先，一个乙炔分子在渗碳时完全分解为两个自由碳原子和一个氢分子，而一个丙烷分子只能分解一个自由碳原子，可见使用乙炔将更经济；其次，乙炔具有高的渗碳能力，供气量相对减少，渗碳压力比丙烷低一些；第三，乙炔仅在于金属表面接触时才发生分解，这样基本消除了使用丙烷渗碳时产生的碳黑现象，也无焦油产生的问题；另外，使用乙炔还可以对直径小、长盲孔的零件进行均匀渗碳，并允许高密度和大容量的工件装炉。

3．渗碳控制

可控气氛渗碳采用的是氧探头测碳势的方法来控制渗碳层的形成，而在低压真空渗碳中我们采用的是基于扩散理论的“奥氏体碳含量饱和值控制法”，即整个渗碳过程由数个子渗碳程序集合组成，每个子渗碳程序包括强渗期和扩散期两个阶段。如何确定每个子渗碳程序中强渗期和扩散期的时间成为渗碳控制的关键。根据国外低压真空渗碳的经验，这些时间的确定需要依据材料的成分、渗层深度的要求和表面碳浓度的要求，在建立准确的数学模型后，利用计算机计算出来。该数学模型的建立必须通过大量低压真空渗碳试验数据才能够获得。

4.渗碳方式

正如上节所述，在低压（压力一般≤30mbar）真空状态下，渗碳方式是通过数个子渗碳程序组成的，包括多个子强渗（通入渗碳介质乙炔）和子扩散（通入保护气体，如氮气或惰性气体），所以此工艺方式又称为脉冲渗碳工艺方法。采取这种渗碳方式可以保证工件边角不会产生过渗，也能够保证工件表面不会积碳，形成碳黑。

低压真空渗碳和可控气氛渗碳相比，无论是在工件渗碳后的组织和性能、工艺的灵活性、生产成本和环境保护等方面都有着无法比拟的优势，必将会有广阔的应用前景和长足的发展。

雷电2

在实际使用中有的问题和上述不同处。
一个就是使用丙烷一般是有焦油，使用乙炔才出碳黑。这个是在使用中得出的经验。
其他上面讲的很不错。

呵呵

个人认为在这方面，ECM公司做的不错

jysh81

日本海斯技术在这方面比较好，我们公司准备做低压真空渗碳，都是乙炔气氛好，使用后及时通知大家

guidou_114

ECM的真空渗碳我用过的，渗碳剂为丙烷。我到是觉得ECM那套碳势分析软件不错，省去了氧探头带来的许多麻烦,但是有时候不是很准啊！

雷电2

回5#
你使用了感觉怎么样啊！ECM乙炔渗碳可以吗？？没氧探头那他压力的单位是什么。做过表面积吗？

wang1981

乙炔还可以，流量适中没有炭黑，零件出来为白色，渗层深度通过查材料数据定参数。

duyongjunhaha

工艺能再详细点就更好了，比如，抽真空压力，富化气注入量和频率，温度时间等。

duyongjunhaha

气体纯度怎么要求的，具体列点，大家看看3

amn727

非常迫切的在寻找适合于小模数浅层深渗碳的设备，类似的真空渗碳或低压真空渗碳可以满足这类要求吗？
我的产品热处理后还要磨齿以保证齿轮的精度，常规的多用炉满足不了需求。请这方面的行家及用户多多介绍设备及工艺。

daniel-li

amn727 发表于 2012-3-8 13:38
非常迫切的在寻找适合于小模数浅层深渗碳的设备，类似的真空渗碳或低压真空渗碳可以满足这类要求吗？
我的 ...

多用炉在哪些方面满足不了您

amn727

daniel-li 发表于 2012-3-9 08:26
多用炉在哪些方面满足不了您

我的产品模数为1.25-2，DC要求为0.4-65（513HV），100%要磨齿，磨去0.15-0.20后，硬度仍然要达到58HRC。材料为12Cr2Ni4(美标9310）。
最近刚解剖过进口的美国齿轮;磨齿后0.1处680HV 0.2处627HV 0.3处564HV 0.4处529HV 0.5处480HV.
国产化过程中，在爱协林和丰东炉试产过多炉产品，主要问题是普遍层深超差550HV与513HV之间拉的太长，硬度梯度分布不合理高硬度区不能稳定的保持在0.3-0.4，控制精度时好时坏。
几家外协厂都在工艺下过功夫，温度及碳势做过多次调整，国内多用炉现行工艺手段已经非常透明，来回就这么几招，但质量始终无法稳定。
真空渗碳能否满足上述要求呢?继续请行家们解或。

daniel-li

amn727 发表于 2012-3-9 09:27
我的产品模数为1.25-2，DC要求为0.4-65（513HV），100%要磨齿，磨去0.15-0.20后，硬度仍然要达到58HRC。材 ...

个人觉得低压渗碳同样存在此情况，就是多做几次试验的问题了，合理的设定碳势，调整强渗扩散比。当然真空渗碳时，同炉工件的结果相对多用炉分散性小

cailiaowang

amn727 发表于 2012-3-9 09:27
我的产品模数为1.25-2，DC要求为0.4-65（513HV），100%要磨齿，磨去0.15-0.20后，硬度仍然要达到58HRC。材 ...

我们公司的真空炉做9310钢，一般的渗层1.2（HRC50)的时候，HRC60处的硬度深度都有0.7.而且组织都相当好，偶尔几炉会出现少量的粒状碳化物。残奥一般都是在8% 以下.