可控氣氛滲碳的發展及應用

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人氣：-發表時間：2017-11-02 09:00【大中小】

通過滲碳及相應的熱處理工藝手段，可使低碳鋼、低碳合金鋼在保持心部有較高的強韌性的同時，表面獲得高的強度、硬度和耐磨性。而可控氣氛滲碳能夠有效控制滲碳層深度、碳含量、硬度和金相組織，避免零件氧化和脫碳，大幅提高熱處理質量，減少材料的浪費，提高生產效率，降低成本，穩定產品性能，延長使用壽命。因此，可控氣氛滲碳已廣泛應用于井式滲碳爐、密封箱式多用爐、連續爐、網帶爐及轉底爐等，針對不同機械零件進行滲碳處理。

一、常用可控氣氛滲碳

1．載氣+富化氣滲碳氣氛

（1）甲醇+富化氣甲醇的碳氧比(C/O)等于1，甲醇在滲碳溫度下裂解而形成弱滲碳性氣體，因此可作為載氣來使用。甲醇裂解氣中不論是碳的減少還是氧的增多都將破壞其平衡而產生CO₂，降低氣氛的碳勢。碳的減少，可能因發生炭黑沉積，或形成CH₄。氧的增多，可能由于空氣或水的侵入。因此，甲醇裂解氣的碳勢很易受外界和工藝狀態影響，加富化氣后碳勢變化較敏感。富化氣一般采用丙酮、煤油、丙烷居多。甲醇+富化氣滲碳法在滴注式井式滲碳爐上應用較多。

（2）吸熱性氣氛+富化氣吸熱式氣氛

將原料氣（液化石油氣或天然氣、丙烷）與空氣按原子碳、氯比為1混合，送入裝有催化劑的、由外部供熱的反應罐內反應制得。

丙烷制備：丙烷：空氣=1：1.74（1m³丙烷氣生成12.64m³吸熱式載氣）

天然氣制備：天然氣：空氣=1：2.4（I m³天然氣生成4.88 m³吸熱式載氣）

富化氣一般采用天然氣、丙烷。吸熱式氣氛廣泛用于多用爐。吸熱式氣氛發生器工作溫度高，吸熱式氣氛在低溫較容易產生積炭現象，由于其高的氫含量和氧含量，容易發生爆炸。

（3）氮基氣氛+富化氣

在氮氣中添加適當數量的碳氫化合物或碳氫氧化合物（氣體或液體），由于使用的添加物不同，就有了不同類型的氮基氣氛。其中氮氣+甲醇氣氛是目前廣泛采用的一種類型。氮氣和甲醇按一常規熱處理定比例混合后進入爐內，在高溫下裂解形成滲碳氣氛。當N₂與CH₃OH按某一比例混合時，爐內裂解氣氛中的CO：H₂：N₂約為20%：40%：40%。這種比例的氣氛與天然氣為原料所制備的吸熱式氣氛的組成比例十分接近。為了使氣氛具有較高的碳勢，還需向爐內加入少量的富化氣，如CH₄、C₃H₈或CH₃COCH₃（丙酮）等。氮氣+甲醇在爐內裂解后氣氛成分穩定，采用氧探頭很容易實現氣氛碳勢的自動控制。

2．直生式滲碳氣氛

即所謂超級滲碳．是將原料氣和空氣直接通入爐內，在爐內裂解生成滲碳氣氛。其原料氣通入量是固定的，通過調節空氣的加入量來調節爐內的碳勢，也就是說當爐內的碳勢高于設定值時，將增加空氣的加入量；反之，當爐內的碳勢低于設定值時，將減少空氣的加入量。作為原料氣可以選擇使用丙烷、丙酮或天然氣。該種氣氛在溫度較低滲碳時，容易產生積炭現象，而使滲碳過程控制失穩。直生式滲碳氣氛滲碳法在易普森多用爐上采用和推廣較多。

二、氣氛控制方式

因露點法和紅外儀法測量值的精度，特別是測量值與爐氣變化的不同時、遲滯性，露點儀基本被淘汰，紅外儀僅用于輔助控制，目前廣泛應用的是測量精度高，測量值與爐氣變化無遲滯的氧探頭控制法。

三、氮基氣氛的控制要點

氮基氣氛由于制備的易得性，在可控氣氛滲碳中的應用相對普遍，但需注意幾個要點。

采用氮基氣氛進行可控氣氛滲碳的關鍵是要保證CO、H₂、N₂的含量必須穩定，就是要通過甲醇、氮氣流量的嚴格控制，保證甲醇(L)：氮氣(m³)=1:1.11，若其中一個發生變化，另一個必須按此比例隨著變化。同時要保證氣體壓力恒定，因為同等流量氣壓不同，實際流量是不一樣的。

低于760℃不引入富化氣，高于540℃才通入甲醇。氣氛的通入量一定要使爐壓為正。富化氣要設定一個通入量上限，防止積炭使氧探頭失效。

另外，在482-704℃內，會發生2CO=C+CO₃的反應（博多阿德反應），這是進氣孔積炭堵塞的主要原因。

四、氧探頭的使用注意事項

結構氧探頭的優點是氣密性好，內阻小，輸出信號強度較高且穩定，探頭的互換性好。缺點是一旦損壞不能修復。組合式結構氧探頭，氧化鋯頭、電極、氧化鋁管等元件各自獨立，可以任意更換，再生能力強，可修復，但氧化鋯頭內外的氣密性是關鍵。

（1）氧探頭使用溫度必須高于650℃。

（2）氧探頭在爐中工作時，潔凈的參比空氣要持續、恒量、恒壓通入。

（3）氧探頭最好冷態裝卸，插入深度控制在50-100mm為宜。熱態時必須緩慢將氧探頭從熱爐膛中拔出或插入，拔出或插入的速度控制在30 - 40mm/min。