低压真空渗碳的特点及原理

低压真空渗碳的特点及原理

摘要：本文分析了低压真空渗碳的技术特点及工艺原理，通过对比可控气氛渗碳的渗碳速度、渗碳组织及冶金指标，最终分析认为低压真空渗碳渗层组织更加细小、弥散，可以显著降低零部件在实际工况服役条件下的裂纹敏感度，降低基体组织硬度不均的程度，提高零部件的接触疲劳强度，从而延长服役寿命。

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关键字：低压真空渗碳 金相组织 接触疲劳强度

1.低压真空渗碳工艺特点

低压真空渗碳与传统渗碳工艺过程的方式不同，低压真空渗碳采用渗碳气氛和中性扩散气氛，分别以周期的脉冲方式交替供气控制碳流量来满足不同的渗碳要求。

低压真空渗碳扩散时间通常是脉冲强渗时间的10倍左右，每一脉冲的充足扩散时间保证了渗入碳量能够充分向内部扩散，以确保第二轮碳量的有效可靠吸收，从而保证最终渗碳层的平滑性，更有利于渗层承载能力的提高[1]。

低压真空渗碳技术具有诸多优势，但针对高合金含量的渗碳工艺依赖Infracarb渗碳工艺软件制定并执行，实际与理论差异较大，亟待在工艺制定方面开展迫切的工艺预先研究[2]。

1.1无碳势概念

一般气体渗碳是在正压环境中进行，炉 气成分较复杂。由于在一系列复杂的化学反 应中，CO、CO2 、O2 、H2O等气体与活性碳原子 间存在着动态平衡，就建立起了碳势的概念．并可以通过氧探头(检测0 的含量)、红外仪(检测CO

的含量)、露点仪(检测H 0的含量)等来间接测定炉内的碳势，从而给工艺过程的控制带来极大的便利。而低压真空渗碳的压力为mbar级，接近真空状态下炉内CO、CO 、H2O等气体的含量少得可以忽略不计，因而目前还不能建立类似碳势的概念并定量检测[3]。但这并不意味着这是不能严格控制的工艺过程，而实际上真空渗碳的一大优点就是一旦确定好工艺．那么工艺的重现性更好，其渗碳层和表面含碳量也是可控的。

1.2渗碳速度快

低压真空渗碳作为近年来发展较快的一项新工艺，很大的一个原因是其渗碳速度大大加快。之所以有这种优越性，原因在于：

低压真空渗碳可以提高工艺温度，其工艺温度可以提高到(950~1100)℃，而一般常压气体渗碳由于设备的承受能力所限，工艺温度提高会导致工件晶粒过度长大等原因，工艺温度一般都不超过950℃。较高的渗碳温度会加快渗碳剂的分解，也会加快活性碳原子在奥氏体中的扩散，从而提高了渗碳速度，缩短工艺时间，节约能源。

1.3表面质量好

和其他真空热处理类型一样，真空渗碳处理后的零件表面洁净光亮，不产生脱碳和黑色组织等问题，这样使得渗碳件有较高的机械性能，也有利于后续的精加工工序的进行。

1.4渗碳层均匀

上已述及，由于零件的表面洁净．而且是零件充分均温后才开始渗碳，这样可使整个零件表面活性均匀一致，从而实现对渗碳气体在表面的均匀吸附和分解，得到更均匀的渗碳层分布，而一般滴注式气体渗碳往往在工件的尖角、边缘处的渗碳速度明显较快，导致同一工件也存在较明显的渗碳层不均匀。

1.5表面积碳问题

各种渗碳方法都会产生多余的碳黑，其危害是影响渗碳的速度和均匀性、增加设备清理维护的工作量、还可能损害设备上的元器件。目前,真空渗碳产生碳黑的问题还没有得到很有效的解决，这也是制约其在工业生产上普遍应用的原因之一。只要注意维护清理、工艺得当(如合理设置渗碳、扩散周期)，还是可以把碳黑的影响尽量减小的。低压真空渗碳比较适合小件和带深孔、盲孔、窄缝零件的渗碳；对于难于用气体渗碳的不锈钢、含硅钢等也可以比较顺利地渗碳。

1.6精确薄层渗碳

由于零件充分加热奥氏体化后才开始通入渗碳剂，能够较准确地控制其与零件接触的时间。因此，可以控制得到很浅的渗碳层。而常压气体渗碳零件是在渗碳气氛中加热、奥氏体化并渗碳，较难做到薄层均匀渗碳的。

1.7操作方便，安全无污染

相比于井式炉、多用炉渗碳，真空炉炉壳结构采用水冷，无火焰、无油烟，操作环境更好，而且向大气排出的气体主要是无害的氢气。更不存在发生爆炸、燃烧的危险因素，非常符合安全环保要求，值得推广应用。

2.低压真空渗碳的原理

之所以称为低压真空渗碳，是因为它和真空淬火、真空退火等工艺不同。由于它需要维持一定的渗碳气氛，故真空度并不高。它是在高温渗碳的基础上发展起来的，和常压气体渗碳一样，低压真空渗碳也是一个活性碳原子产生、吸附和扩散的过程。

2.1活性碳原子的产生

低压真空渗碳主要采用甲烷(CH4)、乙炔(C2H4)、丙烷(C3H8 )作为渗碳气源，但由于甲烷在常规渗碳温度下分解能力很差且易产生碳黑，目前基本上已不被采用。所以现在低压真空渗碳一般采用乙炔(如德国IPSEN公司采用)和丙烷(如法国ECM公司采用)。渗碳剂可直接采用工业用乙炔(如瓶装乙炔)或购买制备好的丙烷。当然，原料气纯度越高，会有助于减少碳黑的产生。

1）以乙炔为渗碳介质时活性碳原子的提供

在温度为(900～1000)℃及压力小于20mbr的条件下，乙炔将进行如下分解： C2H2=>2C+H2

可见，乙炔提供活性碳原子的能力较强(一个分子可提供二个活性碳原子)，而在同等条件下丙烷可能发生的各种分解反应，一般都要生成甲烷．进而再分解，而甲烷是很难继续分解的。因此，就提供活性碳原子的能力而言，乙炔明显强于丙烷。

2.2 碳的吸收和扩散

与常压渗碳一样，活性碳原子产生后，通过被零件表面吸附与吸收，在奥氏体状态下进行扩散，形成一定深度的碳浓度分布区域，从而达到渗碳的目的。由于真空条件对零件表面的净化、活化，使得碳原子的吸附速度比常压气体渗碳更快。同时，碳在奥氏体中的扩散速度随温度的增加而增加。

目前，低压真空渗碳技术已逐渐在航空制造行业推广应用。尤其适合高合金齿轮钢高温渗碳和淬火的需要。

3.齿轮真空渗碳应用的技术优势

近年来，随着低压真空渗碳技术的逐步完善和普及，在精密齿轮的应用上已经取得明显成效，可较大幅度提高产品质量，节省工序，改变后续机械加工方式。

与传统渗碳相比，低压真空渗碳具有如下特点：

（1）单一渗碳气体的应用和气氛流量的精确控制，可彻底消除内氧化现象的产生；

（2）低压真空渗碳工艺可使渗碳采用的工艺温度进一步提高，大幅缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本；

（3）真空渗碳工艺的灵活性，允许多种渗碳材料进行可控渗碳淬火处理；

（4）真空渗碳采用脉冲式交替的渗碳和扩散，渗层和浓度分布更加均匀，能够很好满足齿轮轮廓（齿顶、节径、齿根）碳浓度分布均匀性问题； （5）真空渗碳是在相对真空条件下进行，洁净的齿轮表面表现一定的活性，有利于碳的吸收，提高渗碳效率；

（6）真空渗碳设备具备智能化和清洁性，批量生产可以与机械加工合理进行有机组合形成生产线，便于生产的统筹管理和掌握等。

4.低压真空渗碳工艺优势浅析

钢中碳化物的含量、析出形态以及马氏体中碳含量的多少，直接关系到零部件显微裂纹敏感度Sv（单位：mm-1，数值越小，形成裂纹的趋势越小，马氏体固溶程度越大，晶胞涨应力越大，由此造成的晶格涨裂、产生裂纹源的趋势越大）。奥氏体化结束后，当奥氏体内碳含量小于1.4wt.%时，随着奥氏体化温度的降低，淬火后的马氏体中碳含量下降，碳固溶造成的异常正方度下降，产生的畸变应力场下降，此时，显微裂纹敏感度数值相应减小。

可控气氛渗碳后，最外层碳含量与炉内碳势接近，在(1.10-1.15)%左右，为过共析成份。而淬火时，马氏体中碳含量大约在1.02wt.%左右。通过对比可以发现，低压真空渗碳后在淬火保温时，渗碳层中碳化物完全能够固溶于奥氏体；而可控气氛渗碳必然后碳化物存在，通过杠杆定律计算，渗碳+高温回火后的一部分二次渗碳体无法重溶进入奥氏体基体，此时，可以将其理解为由碳化物和奥氏体组成的复相组织，其力学性能符合复合材料相关定律，淬火过程中复相材料界面间组织应力增大，如果高温回火后碳化物过于粗大，容易在淬火时产生微裂纹，同时，碳化物存在偏聚可能，基体淬火后产生硬度不均的现象。低压真空渗碳后，重新加热到奥氏体状态，渗碳层属于单项奥氏体状态，微观属性为单相不饱和固溶体，不归于复合材料体系，其组织应力仅为碳原子沿界面浓度梯度分布而产生的内部组织应力，这种应力会显著低于可控气氛渗碳的情况，因此，低压真空渗碳+淬火工艺，可以等效于可控气氛渗碳+淬火工艺（该温度下淬火，马氏体碳含量0.83wt.%左右）。

低温回火后，采用低压真空渗碳工艺的零件，低温亚稳态过饱和马氏体固溶体，同时从基体中析出细小、弥散且均匀分布的碳化物，碳化物等级为1级左右。可控气氛渗碳的零件，淬火后即已经存在一定量的碳化物（二次渗碳体），回火阶段，过饱和马氏体固溶体中析出的碳化物可以淬火时就已经存在的碳化物为形核质点，继续在其上生长，碳化物不断粗大的同时，形状不规则程度加大，也可形成新核成长，但总体上碳化物尺寸分布不均匀性增强，这将影响到零件的最终抗疲劳性能。

第4章 结论

本文通过分析低压真空渗碳的特点及原理，对比了与可控气氛渗碳工艺特点，分析认为低压真空渗碳渗层组织更加细小、弥散，可以显著降低零部件在实际工况服役条件下的裂纹敏感度，降低基体组织硬度不均的程度，提高零部件的接触疲劳强度，从而延长服役寿命。

参考文献

[1] 汪志良.《中国航空材料手册》.中国标准出版社，1988.

[2].辛昕.YJT119 A低压真空渗碳技术条件,2017.

[3] 王忠诚.真空热处理技术.化学工业出版社，2015.10