為解決可控氣氛滲碳無法克服的表面內(nèi)氧化及高溫深層滲碳的問題，在發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域已開始大量應(yīng)用低壓真空滲碳技術(shù)，而國(guó)內(nèi)采用真空滲碳替代常規(guī)氣氛滲碳也只是一個(gè)時(shí)間問題。本文在利用北京易西姆工業(yè)爐科技發(fā)展有限公司研發(fā)的低壓真空滲碳設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)低壓真空滲碳工藝進(jìn)行了一些初步的探索。

　　比較低壓真空滲碳與可控氣氛滲碳，工藝上的不同主要是在滲碳?jí)毫Α⒔橘|(zhì)、控制和方式等方面。

1、滲碳?jí)毫?/h3>

　　在可控氣氛滲碳時(shí)，滲碳絕對(duì)壓力為100²-100³mbar，而真空滲碳時(shí)滲碳絕對(duì)壓力小于或等于30mbar，它不僅表明爐內(nèi)的真空狀態(tài)，更重要的是它與滲碳溫度、時(shí)間和滲碳?xì)怏w流量一起，直接或間接地影響滲碳層深度和工件表面碳濃度。

　　研究表明，低壓真空滲碳?jí)毫χ饕�與滲碳溫度、滲碳?xì)怏w流量和真空泵組的抽速有密切的關(guān)系，其中滲碳?jí)毫εc滲碳溫度和滲碳?xì)怏w流量成正比，與真空泵組的抽速成反比。而在選擇滲碳?xì)怏w流量時(shí)則主要考慮裝爐量，因?yàn)闈B碳?xì)怏w流量與滲碳工件總的表面積成正比。

　　一般滲碳?jí)毫μ岣咭馕吨鴿B碳?xì)怏w流量加大，供碳能力加強(qiáng)。而滲碳?jí)毫�降低，雖然會(huì)降低供碳能力，但卻使?fàn)t內(nèi)真空度提高，工件表面壓強(qiáng)降低，金屬工件晶體結(jié)構(gòu)的空隙加大，致使工件對(duì)活性碳原子的吸附能力提高。因此，在進(jìn)行低壓真空滲碳時(shí)應(yīng)選擇合適的滲碳?jí)毫Α＝?jīng)驗(yàn)表明，該壓力應(yīng)控制在3-25mbar范圍內(nèi)。

2、滲碳介質(zhì)

　　在可控氣氛滲碳中，滲碳介質(zhì)為甲醇+氮?dú)?富化氣+空氣或甲醇+富化氣+空氣，而在真空滲碳中，滲碳介質(zhì)為乙炔+保護(hù)氣(氮?dú)饣蚨栊詺怏w)或丙烷+保護(hù)氣(氮?dú)饣蚨栊詺怏w)。

　　雖然丙烷氣在低壓真空滲碳中可能有不同的分解反應(yīng)，但最終都會(huì)或多或少地產(chǎn)生甲烷。在20世紀(jì)90年代，低壓真空滲碳介質(zhì)以丙烷氣為碳源得到一定的市場(chǎng)確認(rèn)，較多汽車領(lǐng)域的用戶使用這一新工藝。但通過實(shí)際使用證明，丙烷作為滲碳碳源的應(yīng)用相對(duì)有限，主要集中應(yīng)用于汽車齒輪類零件的低壓真空滲碳，并未能在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域零件的低壓真空滲碳中廣泛使用。原因之一是當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，丙烷很容易分解為碳、氫和甲烷，這種分解速率非常快，幾乎瞬間完成，所以當(dāng)丙烷氣進(jìn)入加熱室內(nèi)便開始分解，在被加熱工件的附近空間更是傾向于大量分解，致使加熱室內(nèi)極易形成碳黑，而在爐子中相對(duì)溫度較低的部位，如內(nèi)殼或管道內(nèi)，丙烷還形成焦油，對(duì)真空泵組極為有害。

　　而乙炔在低壓真空滲碳中作為滲碳碳源具有以下一些優(yōu)勢(shì)。首先，一個(gè)乙炔分子在滲碳時(shí)完全分解為兩個(gè)自由碳原子和一個(gè)氫分子，而一個(gè)丙烷分子只能分解一個(gè)自由碳原子，可見使用乙炔將更經(jīng)濟(jì);其次，乙炔具有高的滲碳能力，供氣量相對(duì)減少，滲碳?jí)毫Ρ缺�烷低一�?第三，乙炔僅在于金屬表面接觸時(shí)才發(fā)生分解，這樣基本消除了使用丙烷滲碳時(shí)產(chǎn)生的碳黑現(xiàn)象，也無焦油產(chǎn)生的問題;另外，使用乙炔還可以對(duì)直徑小、長(zhǎng)盲孔的零件進(jìn)行均勻滲碳，并允許高密度和大容量的工件裝爐。

3、滲碳控制

　　可控氣氛滲碳采用的是氧探頭測(cè)碳勢(shì)的方法來控制滲碳層的形成，而在低壓真空滲碳中我們采用的是基于擴(kuò)散理論的“奧氏體碳含量飽和值控制法”，即整個(gè)滲碳過程由數(shù)個(gè)子滲碳程序集合組成，每個(gè)子滲碳程序包括強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期兩個(gè)階段。如何確定每個(gè)子滲碳程序中強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期的時(shí)間成為滲碳控制的關(guān)鍵。根據(jù)國(guó)外低壓真空滲碳的經(jīng)驗(yàn)，這些時(shí)間的確定需要依據(jù)材料的成分、滲層深度的要求和表面碳濃度的要求，在建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型后，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來。該數(shù)學(xué)模型的建立必須通過大量低壓真空滲碳試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能夠獲得。

4、滲碳方式

　　正如上節(jié)所述，在低壓(壓力一般≤30mbar)真空狀態(tài)下，滲碳方式是通過數(shù)個(gè)子滲碳程序組成的，包括多個(gè)子強(qiáng)滲(通入滲碳介質(zhì)乙炔)和子擴(kuò)散(通入保護(hù)氣體，如氮?dú)饣蚨栊詺怏w)，所以此工藝方式又稱為脈沖滲碳工藝方法。采取這種滲碳方式可以保證工件邊角不會(huì)產(chǎn)生過滲，也能夠保證工件表面不會(huì)積碳，形成碳黑。

　　低壓真空滲碳和可控氣氛滲碳相比，無論是在工件滲碳后的組織和性能、工藝的靈活性、生產(chǎn)成本和環(huán)境保護(hù)等方面都有著無法比擬的優(yōu)勢(shì)，必將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景和長(zhǎng)足的發(fā)展。