滲碳淬火
金屬材料常見的熱處理工藝
滲碳淬火是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。
滲碳：是對金屬表面處理的一種，採用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質中，加熱到900--950攝氏度的單相奧氏體區，保溫足夠時間后，使滲碳介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分。相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。
滲碳（carburizing/carburization）
滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。
滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小於0.25%)。滲碳后，鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火，以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度，並保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性，使工件能承受衝擊載荷。滲碳工藝廣泛用於飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件，如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。
滲碳工藝在中國可以上溯到2000年以前。最早是用固體滲碳介質滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀出現並得到廣泛應用的。美國在20年代開始採用轉筒爐進行氣體滲碳。30年代，連續式氣體滲碳爐開始在工業上應用。60年代高溫(960～1100℃)氣體滲碳得到發展。至70年代，出現了真空滲碳和離子滲碳。
滲碳與其他化學熱處理一樣，也包含3個基本過程。
①分解
滲碳介質的分解產生活性碳原子。
②吸附
活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中，使奧氏體中含碳量增加。
③擴散
表面含碳量增加便與心部含碳量出現濃度差，表面的碳遂向內部擴散。碳在鋼中的擴散速度主要取決於溫度，同時與工件中被滲元素內外濃度差和鋼中合金元素含量有關。
滲碳零件的材料一般選用低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小於0.25%)。滲碳后必須進行淬火才能充分發揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘餘奧氏體和少量碳化物，心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織，但應避免出現鐵素體。
一般滲碳層深度範圍為0.8～1.2毫米，深度滲碳時可達2毫米或更深。表面硬度可達HRC58～63，心部硬度為HRC30～42。滲碳淬火后，工件表面產生壓縮內應力，對提高工件的疲勞強度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強度﹑衝擊韌性和耐磨性，藉以延長零件的使用壽命。
按含碳介質的不同，滲碳可分為固體滲碳﹑液體滲碳﹑氣體滲碳、離子滲碳和真空滲碳。
滲碳工藝是一個十分古老的工藝，在中國，最早可上溯到2000年以前。起先是用固體滲碳介質滲碳。在20世紀出現液體和氣體滲碳並得到廣泛應用。後來又出現了真空滲碳和離子滲碳。到現在，滲碳工藝仍然具有非常重要的實用價值，原因就在於它的合理的設計思想，即讓鋼材表層接受各類負荷（磨損、疲勞、機械負載及化學腐蝕）最多的地方，通過滲入碳等元素達到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度及耐蝕性，而不必通過昂貴的合金化或其它複雜工藝手段對整個材料進行處理。這不僅能用低廉的碳鋼或合金鋼來代替某些較昂貴的高合金鋼，而且能夠保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性，使工件能承受衝擊載荷。因此，完全符合節能、降耗，可持續發展的方向。
近年來，出現了高濃度滲碳工藝，與傳統工藝在完全奧氏體區（溫度在900~950℃，滲碳后表面碳質量分數為0.85%~1.05%）進行滲碳不同，它是在Ac1～Accm之間的不均勻奧氏體狀態下進行，其滲層表面碳濃度可高達2%～4%。其結果可獲得細小顆粒碳化物均勻、彌散分佈的滲層。其滲碳溫度降至800℃～860℃溫度範圍，可實現一般鋼材滲碳后直接淬火；由於高濃度滲碳層含有很高數量（20%～50%）的彌散分佈的碳化物，故顯示出比普通滲碳更優異的耐磨性、耐蝕性，更高的接觸與彎曲疲勞強度，較高的衝擊韌度、較低的脆性及較好的回火穩定性。該工藝還具有適用性廣、對設備無特殊要求等優點，具有較高的經濟效益和實用價值，近年來在國內外獲得競相研究與開發。
為了防止滲碳過程中奧氏體晶粒的粗化，一般都在鋼材中添加適量的鈦，通過形成碳氮化鈦粒子釘扎晶界而阻止晶粒長大。國家標準規定滲碳鋼中鈦添加量為0.04～0.08wt%。然而，最近有研究工作表明，當鈦含量超過0.032%，就會在滲碳鋼冶鍊鑄錠凝固時析出氮化鈦。這種氮化鈦尺寸達到微米數量級，起不到阻止奧氏體晶粒長大的作用，反而由於這種呈立方體的粒子的尖角效應以及與基體組織的不連續性而成為微裂紋的策源地和裂紋擴展的中繼站，嚴重損害鋼材的韌塑性。工作還表明，將鈦含量降至0.02～0.032%，仍然能夠同樣有效地起到控制奧氏體晶粒長大的作用，而又可避免有害氮化鈦粒子的形成，因此是值得推薦的合理的選擇範圍。
1、直接淬火低溫回火
組織及性能特點：不能細化鋼的晶粒。工件淬火變形較大，合金鋼滲碳件表面殘餘奧氏體量較多，表面硬度較低
適用範圍：操作簡單，成本低廉用來處理對變形和承受衝擊載荷不大的零件，適用於氣體滲碳和液體滲碳工藝。
2、預冷直接淬火、低溫回火，淬火溫度800-850℃
組織及性能特點：可以減少工件淬火變形，滲層中殘餘奧氏體量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奧氏體晶粒沒有變化。
適用範圍：操作簡單，工件氧化、脫碳及淬火變形均小，廣泛應用於細晶粒鋼製造的各種工具。
3、一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度820-850℃或780-810℃
組織及性能特點：對心部強度要求較高者，採用820-850℃淬火，心部為低碳M，表面要求硬度高者，採用780-810℃淬火可以細化晶粒。
適用範圍：適用於固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機械加工的零件。
4、滲碳高溫回火，一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度840-860℃
組織及性能特點：高溫回火使M和殘餘A分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，便於切削加工及淬火后殘餘A減少。
適用範圍：主要用於Cr—Ni合金滲碳工件
5、二次淬火低溫回火
組織及性能特點：第一次淬火（或正火），可以消除滲碳層網狀碳化物及細化心部組織（850-870℃），第二次淬火主要改善滲層組織，對心部性能要求不高時可在材料的Ac1—Ac3之間淬火，對心部性能要求高時要在Ac3以上淬火。
適用範圍：主要用於對力學性能要求很高的重要滲碳件，特別是對粗晶粒鋼。但在滲碳后需經過兩次高溫加熱，使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過程較複雜。
6、二次淬火冷處理低溫回火
組織及性能特點：高於Ac1或Ac3（心部）的溫度淬火，高合金錶層殘餘A較多，經冷處理（-70℃/-80℃）促使A轉變從而提高表面硬度和耐磨性。
適用範圍：主要用於滲碳后不進行機械加工的高合金鋼工件。
7、滲碳后感應加熱淬火低溫回火
組織及性能特點：可以細化滲層及靠近滲層處的組織。淬火變形小，不允許硬化的部位不需預先防滲。
適用範圍：各種齒輪和軸類
(一)碳濃度過高
⒈產生原因及危害：如果滲碳時急劇加熱，溫度又過高或固體滲碳時用全新滲碳劑，或用強烈的催滲劑過多都會引起滲碳濃度過高的現象。隨著碳濃度過高，工件表面出現塊狀粗大的碳化物或網狀碳化物。由於這種硬脆組織產生，使滲碳層的韌性急劇下降。並且淬火時形成高碳馬氏體，在磨削時容易出現磨削裂紋。
⒉防止的方法
①不能急劇加熱，需採用適當的加熱溫度，不使鋼的晶粒長大為好。如果滲碳時晶粒粗大，則應在滲碳后正火或兩次淬火處理來細化晶粒。
②嚴格控制爐溫均勻性，不能波動過大，在反射爐中固體滲碳時需特別注意。
(二)碳濃度過低
⒈產生的原因及危害：溫度波動很大或催滲劑過少都會引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9—1.0%之間，低於0.8%C，零件容易磨損。
⒉防止的方法：
①滲碳溫度一般採用920—940℃，滲碳溫度過低就會引起碳濃度過低，且延長滲碳時間；滲碳溫度過高會引起晶粒粗大。
②催滲劑(BaCO3)的用量不應低於4%。
(三)滲碳后表面局部貧碳
產生的原因及危害：固體滲碳時，木炭顆粒過大或夾雜有石塊等雜質，或催滲劑與木炭拌得不均勻，或工件所接觸都會引起局部無碳或貧碳。工件表面的污物也可以引起貧碳。
防止的方法：
①固體滲碳劑一定要按比例配製，攪拌均勻。
②裝爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時要將滲碳劑搗實，勿使滲碳過塌而使工件接觸。
③卻除表面的污物。
(四)滲碳濃度加劇過渡
產生的原因及危害：滲碳濃度突然過渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇，不是由高到低的均勻過渡，而是突然過渡。產生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強烈(如新配製的木炭，舊滲碳劑加得很少)，同時鋼中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強烈，而造成表面高濃度，中心低濃度，並無過渡層。產生此缺陷后造成表裡相當大的內應力，在淬火過程中或磨削過程中產生裂紋或剝落現象。
防止的方法：滲碳劑新舊按規定配比制，使滲碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因為Na2CO3比較急劇。
(五)磨加工時產生回火及裂紋
產生的原因：滲碳層經磨削加工后表面引起軟化的現象，稱之為磨加工產生的回火。這是由於磨削時加工進給量太快，砂輪硬度和粒度或轉速選擇不當，或磨削過程中冷卻不充分，都易產生此類缺陷。這是因為磨削時的熱量使表面軟化的緣故。磨削時產生回火缺陷則零件耐磨性降低。
表面產生六角形裂紋。這是因為用硬質砂輪表面受到過份磨削，而發熱所致。也與熱處理回火不足，殘餘內應力過大有關。用酸浸蝕后，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒有缺陷處區別開來。這是磨削時產生熱量回火。使馬使體轉變為屈氏體組織的緣故。其實，裂紋在磨削后肉眼即可看見。
防止的方法：
①淬火后必須經過充分回火或多次回火，消除內應力。
②採用40~60粒度的軟質或中質氧化鋁砂輪，磨削進給量不過大。
③磨削時先開冷卻液，並注意磨削過程中的充分冷卻淬火。
淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然後配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。
將金屬工件加熱到某一適當溫度並保持一段時間，隨即浸入淬冷介質中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。
淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用於各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。通過淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度，並可獲得這些性能之間的配合（綜合機械性能）以滿足不同的使用要求。
另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學性能，如淬火使永磁鋼增強其鐵磁性、不鏽鋼提高其耐蝕性等。
淬火工藝主要用於鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時，原有在室溫下的組織將全部或大部轉變為奧氏體。隨後將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉變為馬氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。
淬火時的快速冷卻會使工件內部產生內應力，當其大到一定程度時工件便會發生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火4類。
淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和檢測方法。
淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般採用洛氏硬度計，測試HRC硬度。淬火的薄硬鋼板和表面淬火工件可測試HRA的硬度。厚度小於0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小於5mm的淬火鋼棒，可改用表面洛氏硬度計，測試HRN硬度。
在焊接中碳鋼和某些合金鋼時，熱影響區中可能發生淬火現象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過程中要設法防止的。
由於淬火后金屬硬而脆，產生的表面殘餘應力會造成冷裂紋，回火可作為在不影響硬度的基礎上，消除冷裂紋的手段之一。
淬火對厚度、直徑較小的零件使用比較合適，對於過大的零件，淬火深度不夠，滲碳也存在同樣問題，此時應考慮在鋼材中加入鉻等合金來增加強度。
淬火是鋼鐵材料強化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相，故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火后鋼件內部有較大的淬火內應力，因而不宜直接應用，必須進行回火。
淬火工藝在現代機械製造工業得到廣泛的應用。機械中重要零件，尤其在汽車、飛機、火箭中應用的鋼件幾乎都經過淬火處理。為滿足各種零件千差萬別的技術要求，發展了各種淬火工藝。如，按接受處理的部位，有整體、局部淬火和表面淬火；按加熱時相變是否完全，有完全淬火和不完全淬火(對於亞共析鋼，該法又稱亞臨界淬火)；按冷卻時相變的內容，有分級淬火，等溫淬火和欠速淬火等。
工藝過程包括加熱、保溫、冷卻3個階段。下面以鋼的淬火為例，介紹上述三個階段工藝參數選擇的原則。
以鋼的相變臨界點為依據，加熱時要形成細小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細小馬氏體組織。碳素鋼的淬火加熱溫度範圍如圖1所示。
由本圖示出的淬火溫度選擇原則也適用於大多數合金鋼，尤其低合金鋼。亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上30～50℃。從圖上看，高溫下鋼的狀態處在單相奧氏體(A)區內，故稱為完全淬火。如亞共析鋼加熱溫度高於Ac1、低於Ac3溫度，則高溫下部分先共析鐵素體未完全轉變成奧氏體，即為不完全(或亞臨界)淬火。
過共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上30～50℃，這溫度範圍處於奧氏體與滲碳體(A+C)雙相區。因而過共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基體上分佈滲碳體的組織。這-組織狀態具有高硬度和高耐磨性。對於過共析鋼，若加熱溫度過高，先共析滲碳體溶解過多，甚至完全溶解，則奧氏體晶粒將發生長大，奧氏體碳含量也增加。
淬火后，粗大馬氏體組織使鋼件淬火態微區內應力增加，微裂紋增多，零件的變形和開裂傾向增加；由於奧氏體碳濃度高，馬氏體點下降，殘留奧氏體量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。常用鋼種淬火的溫度參見表2。
表2常用鋼種淬火的加熱溫度
實際生產中，加熱溫度的選擇要根據具體情況加以調整。如亞共析鋼中碳含量為下限，當裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時可選用溫度上限；若工件形狀複雜，變形要求嚴格等要採用溫度下限。
淬火保溫時間由設備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設備功率等多種因素確定。對整體淬火而言，保溫的目的是使工件內部溫度均勻趨於一致。對各類淬火，其保溫時間最終取決於在要求淬火的區域獲得良好的淬火加熱組織。
加熱與保溫是影響淬火質量的重要環節，奧氏體化獲得的組織狀態直接影響淬火后的性能。-般鋼件奧氏體晶粒控制在5～8級。
要使鋼中高溫相——奧氏體在冷卻過程中轉變成低溫亞穩相——馬氏體，冷卻速度必須大於鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過程中，
表面與心部的冷卻速度有-定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大於臨界冷卻速度部分轉變成馬氏體，而小於臨界冷卻速度的心部不能轉變成馬氏體的情況。為保證整個截面上都轉變為馬氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內部由於熱脹冷縮不均勻造成內應力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質和冷卻方式。
冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關鍵環節。
工件在一種介質中冷卻，如水淬、油淬。優點是操作簡單，易於實現機械化，應用廣泛。缺點是在水中淬火應力大，工件容易變形開裂；在油中淬火，冷卻速度小，淬透直徑小，大型工件不易淬透。
工件先在較強冷卻能力介質中冷卻到300℃左右，再在一種冷卻能力較弱的介質中冷卻，如：先水淬后油淬，可有效減少馬氏體轉變的內應力，減小工件變形開裂的傾向，可用於形狀複雜、截面不均勻的工件淬火。雙液淬火的缺點是難以掌握雙液轉換的時刻，轉換過早容易淬不硬，轉換過遲又容易淬裂。為了克服這一缺點，發展了分級淬火法。
工件在低溫鹽浴或鹼浴爐中淬火，鹽浴或鹼浴的溫度在Ms點附近，工件在這一溫度停留2min～5min，然後取出空冷，這種冷卻方式叫分級淬火。分級冷卻的目的，是為了使工件內外溫度較為均勻，同時進行馬氏體轉變，可以大大減小淬火應力，防止變形開裂。分級溫度以前都定在略高於Ms點，工件內外溫度均勻以後進入馬氏體區。現在改進為在略低於Ms點的溫度分級。實踐表明，在Ms點以下分級的效果更好。例如，高碳鋼模具在160℃的鹼浴中分級淬火，既能淬硬，變形又小，所以應用很廣泛。
工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在貝氏體區的下部(稍高於Ms)，工件等溫停留較長時間，直到貝氏體轉變結束，取出空冷。等溫淬火用於中碳以上的鋼，目的是為了獲得下貝氏體，以提高強度、硬度、韌性和耐磨性。低碳鋼一般不採用等溫淬火。
表面淬火是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火狀態的一種局部淬火的方法。表面淬火時通過快速加熱，使剛件表面很快到淬火的溫度，在熱量來不及穿到工件心部就立即冷卻，實現局部淬火。
