滲碳是機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最廣的化學(xué)熱處理工藝之一，通過滲碳及相應(yīng)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(qiáng)韌性的同時(shí)，表面獲得高的強(qiáng)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，大大提高熱處理質(zhì)量，減少材料的浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率，降低成本，穩(wěn)定產(chǎn)品性能，延長使用壽命。因此，可控氣氛滲碳已廣泛應(yīng)用于井式滲碳爐、密封箱式多用爐、連續(xù)爐、網(wǎng)帶爐、轉(zhuǎn)底爐等，針對不同機(jī)械零件進(jìn)行滲碳處理。

常用可控氣氛滲碳?xì)夥?/span>

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1.載氣+富化氣滲碳?xì)夥?/span>

（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化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(chǎn)生CO 2 ，降低氣氛的碳勢。碳的減少，可能因發(fā)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(tài)影響，加富化氣后碳勢變化比較敏感。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(yīng)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、氧比為1混合，送入裝有催化劑的，由外部供熱的反應(yīng)罐內(nèi)反應(yīng)制得。

丙烷制備：丙烷︰空氣=1︰7.14（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（1m3天然氣生成4.88m3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(fā)生器工作溫度高，吸熱式氣氛在低溫較容易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，由于其高的氫含量和高的氧含量，容易發(fā)生爆炸。

（3）氮基氣氛+富化氣

在氮?dú)庵刑砑舆m當(dāng)數(shù)量的碳?xì)浠衔锘蛱細(xì)溲趸衔铮怏w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?dú)猓状細(xì)夥帐悄壳皬V泛采用的一種類型。氮?dú)夂图状及匆欢ū壤旌虾筮M(jìn)入爐內(nèi)，在高溫下裂解形成滲碳?xì)夥?。?dāng)N 2 與CH 3 OH按某一比例混合時(shí)，爐內(nèi)裂解氣氛中的CO︰H 2 ︰N 2 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(nèi)加入少量的富化氣，如CH 4 、C 3 H 8 或CH 3 COCH 3 （丙酮）等。氮?dú)猓状荚跔t內(nèi)裂解后氣氛成份穩(wěn)定，采用氧探頭很容易實(shí)現(xiàn)氣氛碳勢的自動(dòng)控制。

2.直生式滲碳?xì)夥?/span>

即所謂超級滲碳，是將原料氣和空氣直接通入爐內(nèi)，在爐內(nèi)裂解生成滲碳?xì)夥?。其原料氣通入量是固定的，通過調(diào)節(jié)空氣的加入量來調(diào)節(jié)爐內(nèi)的碳勢，也就是說當(dāng)爐內(nèi)的碳勢高于設(shè)定值時(shí)，將增加空氣的加入量；反之當(dāng)爐內(nèi)的碳勢低于設(shè)定值時(shí)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(shí)，容易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，而使?jié)B碳過程控制失穩(wěn)。直生式滲碳?xì)夥諠B碳法在易普森多用爐上采用和推廣較多。

氣氛控制方式

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氣氛控制基于水煤氣反應(yīng)方程，因?yàn)榫哂幸欢ㄌ紕莸臐B碳?xì)夥罩饕怯苫钚詺怏w成分CO、CO 2 、H 2 和H 2 O，以及作為惰性成分的N 2 所組成，而且這些活性氣體成分具有按照水煤氣反應(yīng)方式彼此相互作用達(dá)到平衡的特點(diǎn)。即符合：

CO 2 +H 2 =CO+H 2 O （1）

并依據(jù)下面三個(gè)與鋼表面進(jìn)行碳交換的關(guān)系式，推演了三種不同的碳勢控制方法。

2CO=(C)+CO 2 （2）

這一平衡式提供了通過測量滲碳?xì)夥罩蠧O2含量方法來確定碳勢的依據(jù)。即CO 2 紅外儀控制法。

從上述（1）、（2）兩式得出：

CO+H2=（C）+H2O （3）

這個(gè)平衡式（異質(zhì)的水煤氣平衡式）是通過露點(diǎn)法測定碳勢的依據(jù)。

從CO 分解反應(yīng)可以看到滲碳作用和氧勢之間的關(guān)系：

CO=（C）+1/2O 2 （4）

是氧探頭控制碳勢的依據(jù)。

以上三種方法，由于露點(diǎn)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(shí)、遲滯性，露點(diǎn)儀基本被淘汰，紅外儀僅用于輔助控制，目前廣泛應(yīng)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。

氮基氣氛的控制要點(diǎn)

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氮基氣氛由于其制備的易得性，在可控氣氛滲碳中應(yīng)用相當(dāng)普遍，應(yīng)用中需注意幾個(gè)要點(diǎn)。

按照標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體方程，氮基滲碳?xì)夥兆裱铝衅胶庥?jì)算。

CH 3 OH+2N 2 =CO+2H 2 +2N 2

以達(dá)到爐內(nèi)裂解氣氛中的CO︰H 2 ︰N 2 為20%∶40%∶40%。1mol甲醇重量為32kg，甲醇比重為0.7913kg/L，那么就可計(jì)算出每升甲醇的產(chǎn)氣量。

（22.4+44.8）÷32=2.1m3/kg

2.1m3/kg×0.7913kg/L=1.6617m3/L

則每升甲醇可產(chǎn)CO，1.6617×33.3%=0.5484m3；H 2 ，1.6617×66.7%=1.1084m3；與H 2 配等量的N 2 ，以滿足組分需求，所以，甲醇（L）:氮?dú)猓╩3）=1:1.11。

采用氮基氣氛進(jìn)行可控氣氛滲碳的關(guān)鍵是要保證CO、H 2 、N 2 的含量必須穩(wěn)定，就是要通過甲醇，氮?dú)饬髁康膰?yán)格控制，保證甲醇（L）:氮?dú)猓╩3）=1:1.11，若其中一個(gè)發(fā)生變化，另一個(gè)必須按此比例隨著變化。同時(shí)要保證氣體壓力要恒定，因?yàn)椋攘髁繗鈮翰煌?，?shí)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?fàn)t壓為正。富化氣要設(shè)定一個(gè)通入量上限，防止積碳使氧探頭失效。

另外，要注意的是在704℃到482℃，會發(fā)生2CO=C+CO 2 的反應(yīng)（愽多阿德反應(yīng)），這是進(jìn)氣孔積碳堵塞的主要原因所在。

氧探頭的使用注意事項(xiàng)

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氧探頭從總體結(jié)構(gòu)上課分兩大類：整體式和組合式。整體式結(jié)構(gòu)氧探頭氣密性好，內(nèi)阻小，輸出信號強(qiáng)度較高且穩(wěn)定，探頭的互換性好，缺點(diǎn)是一旦損壞不能修復(fù)（早期以英國Kent為代表，現(xiàn)在以MMI為代表）。組合式結(jié)構(gòu)氧探頭，氧化鋯頭、電極、氧化鋁管等元件各自獨(dú)立，可以任意更換，再生能力強(qiáng)，可修復(fù)，但氧化鋯頭內(nèi)外的氣密性是關(guān)鍵（以瑞典鋯球式為代表）。

（1）氧探頭使用溫度必須大于650℃。

（2）氧探頭在爐中工作時(shí)，潔凈的參比空氣要持續(xù)、恒量、恒壓通入。

（3）氧探頭最好冷態(tài)裝卸，插入深度控制在50～100mm為宜。熱態(tài)時(shí)，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。

（4）積炭是造成氧探頭失效的主要原因。一定要設(shè)定富化氣丙酮、丙烷等的最大通入量，否則會使氧探頭上產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)炭，從而造成氧探頭永久性損壞。同時(shí)，要周期性進(jìn)行燒炭黑，一般每爐結(jié)束后做一次。

（5）定期檢測氧探頭內(nèi)阻，防止失效狀態(tài)下運(yùn)行。