滲透碳是目前機(jī)械制造工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的化學(xué)熱處理方法。其技術(shù)特點(diǎn)是將不銹鋼管和低碳合金鋼零件在增碳活性介質(zhì)(增碳劑)中加熱到高溫(900~950℃)，將碳原子滲透到表面層，淬火低溫再火，使零件表層和心部具有不同的成分、組織和性能。
一、滲透碳的基本過程。
根據(jù)碳介質(zhì)的狀態(tài)，可分為氣體碳、固體碳和液體碳。但是，無(wú)論用什么樣的碳介質(zhì)滲透碳，都有分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程。
1.滲透碳介質(zhì)的分解過程。
分解是活性介質(zhì)在一定溫度下進(jìn)行化學(xué)分解，分析活性(初生態(tài))原子(或離子)的過程。
例如，在固體滲碳時(shí)，木炭在密閉的滲碳罐內(nèi)不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳(CO)。一氧化碳在不銹鋼管表面分解活性碳原子[c]，其反應(yīng)如下
2CO->；C02[c]。
另外，在氣體滲透碳的情況下，煤油在高溫?zé)岱纸鈺r(shí)產(chǎn)生的甲烷(CH4)在不銹鋼管的表面根據(jù)以下反應(yīng)分解活性碳原子[c]
CH4->；2H2[c]。
化學(xué)介質(zhì)分解的速度取決于化學(xué)介質(zhì)的性質(zhì)、數(shù)量、分解的溫度、壓力和催化劑的有無(wú)。
2.活性原子被金屬表面吸收過程。
吸收是活性原子(或離子)與金屬原子結(jié)合進(jìn)入金屬表層的過程。吸收的方法是活性原子溶解在鋼的固溶體中或形成化合物。滲碳時(shí)，滲碳介質(zhì)分解的活性碳原子吸附在不銹鋼管表面后，溶解在奧氏體中，形成間隙固溶體。碳濃度超過該溫度時(shí)，奧氏體飽和濃度可形成化合物(碳化物)。
吸收的強(qiáng)弱與活性介質(zhì)的分解速度、滲透元素的性質(zhì)、擴(kuò)散速度、不銹鋼管的成分及其表面狀態(tài)有關(guān)。
3.滲透元素的擴(kuò)散過程。
擴(kuò)散是指被不銹鋼管表面吸收的活性原子(或離子)轉(zhuǎn)移到不銹鋼管深處，形成一定厚度的擴(kuò)散層(即滲透層)。
碳、氮、硼等要素滲透到γ-Fe或α-Fe時(shí)，形成間隙固溶體。鉻、鋁、硅等滲透到γ-Fe時(shí)形成置換固溶體。間隙固溶體中的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)是溶質(zhì)原子從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置的連續(xù)移動(dòng)。如圖10-1所示。交換固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，被認(rèn)為是通過空位進(jìn)行的。空位每次發(fā)生位移，相當(dāng)于鄰近的原子朝著空位的方向移動(dòng)到空位。如圖10-2所示。
固溶體中溶質(zhì)原子的轉(zhuǎn)移方向是任意的。但是，固溶體內(nèi)存在濃度差的情況下，從濃度高的同時(shí)向濃度低的同時(shí)移動(dòng)很多溶質(zhì)原子，以濃度均勻?yàn)槟繕?biāo)。這種原子的方向性轉(zhuǎn)移導(dǎo)致擴(kuò)散物質(zhì)的宏觀流動(dòng)。擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散數(shù)量可以用擴(kuò)散的第一法則來(lái)表示，這是第一章。
應(yīng)指出，擴(kuò)散的第一定律只適用于固溶體各區(qū)域的濃度不隨時(shí)間而變化的情況。但在化學(xué)熱處理過程中，滲透層內(nèi)各區(qū)域的濃度隨時(shí)間而變化，滲透要素的擴(kuò)散速度與不銹鋼管表面的濃度有關(guān)。考慮到上述兩個(gè)因素對(duì)擴(kuò)散的作用，需要用擴(kuò)散的第二法則來(lái)表示。
實(shí)際使用時(shí)，為了解決擴(kuò)散的第二法則，必須提出具體的邊界條件。
擴(kuò)散層的深度隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加而加深，其加深速度大致遵守拋物線的規(guī)律。
滲透碳時(shí)，滲透碳層的深度是溫度和時(shí)間的函數(shù)。從圖可以看出，同樣的滲碳溫度，滲透層的深度隨著時(shí)間的推移而增加。但是，隨著時(shí)間的推移，它的增長(zhǎng)速度越來(lái)越慢。溫度上升對(duì)滲透層的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)滲透層的作用。
化學(xué)熱處理是受上述分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程的控制，受三者相互制約的結(jié)果。例如，在滲透碳的情況下，在吸引碳的階段是強(qiáng)滲透碳的階段，滲透碳的介質(zhì)必須分解足夠的活性碳原子，吸收不銹鋼管的表面。如果分解的活性碳原子的數(shù)量少于表面吸收的數(shù)量，就會(huì)使不銹鋼管表面層碳量達(dá)不到應(yīng)有的濃度，因而減少了碳濃度梯度，使碳原子的擴(kuò)散速度減慢，造成滲碳速度緩慢。如果提供的活性碳原子過多，未被不銹鋼管吸收的活性碳原子失去活性，以分子形式而呈固相出現(xiàn)，即形成碳黑沉積在不銹鋼管表面上，則會(huì)阻礙不銹鋼管滲碳。但到擴(kuò)散階段，不銹鋼管表面吸收了一定數(shù)量的碳原子向深處擴(kuò)散時(shí)，介質(zhì)所提供的活性碳原子的數(shù)量則要與碳原子向深處擴(kuò)散的數(shù)量相適應(yīng)。在一般生產(chǎn)的條件下，碳原子往深處擴(kuò)散的速度總是小于表面吸收的速度，所以擴(kuò)散階段所要提供的活性原子的數(shù)量應(yīng)比吸收階段少得多。為此，在滲碳操作時(shí)應(yīng)在滲碳的各個(gè)階段隨時(shí)調(diào)整滲碳介質(zhì)的供應(yīng)量。
分解、吸收、擴(kuò)散是各種化學(xué)熱處理共有的基本過程，也適用于氮化、碳氮共滲、滲透金屬等其他化學(xué)熱處理。