渗碳是目前机械工业中应用最广泛的一种化学热处理方法。其工艺特点是将低碳钢或低碳合金钢零件在增碳的活性介质（渗碳剂）中加热到900～930℃，使碳原子渗入表面层，继之以淬火并低温回火，使零件表层与心部具有不同的成分、组织和性能。渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。近期又发展了真空渗碳、可控气氛渗碳及等离子渗碳等。
一、渗碳的基本过程
根据渗碳介质状态的不同，可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。但无论采用何种渗碳介质，都包括分解、吸收和扩散三个基本过程。
1. 渗碳介质的分解过程
分解就是活性介质在一定温度下进行化学分解，析出活性原子（或离子）的过程。例如在气体渗碳时，煤油在高温热分解时产生甲烷（CH4），在钢件的表面按如下反应分解出活性碳原子［C］，即CH4→2H2+[C]。化学介质分解的速度，取决于化学介质的性质、数量、分解的温度、压力以及有无催化剂等。
2. 活性碳原子被金属表面吸收的过程
吸收就是活性原子（或离子）与金属原子产生键合而进入金属表层的过程。吸收的方式可以是活性原子向钢的固溶体中溶解或形成化合物。渗碳时，渗碳介质所分解的活性碳原子吸附在钢件表面后，溶入奥氏体中并形成间隙固溶体。当碳浓度超过该温度下奥氏体的饱和浓度时，可形成化合物（碳化物）。吸收的强弱，与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢件的成分及表面状态有关。
3. 渗入元素的扩散过程
扩散，就是被钢件表面所吸收的活性原子（或离子）向钢深处的迁移，以形成一定厚度的扩散层（即渗层）。分解、吸收、扩散是各种化学热处理所共有的基本过程，同样适用于其他化学热处理，例如渗氮、碳氮共渗、渗硫、渗硼及渗金属等。
二、气体渗碳工艺操作
本工艺为某厂气体渗碳工艺规范，适用于低碳钢和低碳合金钢制造的零件，其渗层深度要求1.1～1.3mm，渗碳剂为煤油。
如图3-11所示，渗碳过程一般由排气、强烈渗碳、扩散和降温4个阶段组成。
1. 排气
渗碳零件装入渗碳炉后必将引起炉温降低，同时带入大量空气。排气的作用在于恢复炉温到规定的温度，并尽量排除炉内空气。通常采取加大渗剂流量以使炉内氧化性气氛迅速减少。排气时间往往在仪表温度达到渗碳要求的温度后再延长30～60min，以使炉气成分达到要求，并使炉内温度均匀及工件烧透。排气不好会造成渗碳质量降低和渗碳速度减慢。
2. 强烈渗碳
排气阶段结束后，即进入强烈渗碳阶段。其特点是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，使工件表面的碳浓度高于最后的技术要求，增大表面的碳浓度梯度可以提高渗碳速度。强烈渗碳时间主要取决于渗碳零件渗碳层的要求。
3. 扩散
渗碳进入扩散阶段是以减少渗碳剂滴量或浓度为标志的。此时炉内渗碳能力降低，工件表层过剩的碳继续向内部扩散，最后得到符合要求的渗层深度及合适的碳浓度分布。扩散阶段所需时间由中间试棒的渗碳层深度确定。
4. 降温
对于可直接淬火的零件应随炉冷至适宜的淬火温度（一般在840～860℃），并保温20～30min，使零件内外温度均匀后出炉淬火；对于需要重新加热淬火的渗碳零件，可自渗碳温度出炉放入缓冷罐中。
三、气体渗碳操作要点
为了保证渗碳质量，渗碳零件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。常用热水或含Na2CO3的水溶液清洗介质，对锈蚀工件可采用喷砂清理。
零件装在料筐或挂具上，彼此间应留出50～10mm的间隙，以保证渗碳介质能与零件充分接触和循环流通。
渗碳炉密封要好，并始终保持炉内气氛为正压力（一般在20～60mm水柱高）。风扇应始终运转，以使零件能经常与新鲜气氛接触。排气口要点燃，以免废气污染空气，并便于观察判断炉内工作情况。有条件的应该进行炉气分析。根据生产经验，用煤油渗碳时，炉内气氛成分应控制在下列范围：CnH2n+21.5%,CnH2n≤0.6%%,CO:20%~35%,H2:50%~65%CO2≤0.5%O2≤0.5%,N2余量。在这种气氛下对低碳合金钢零件渗碳后表层碳含量在0.8％～1.0％（质量分数），而且炭黑很少。零件出炉时间根据随炉试样的层深检查结果决定。试样材料应与零件相同。对于不同的钢种和层深，不宜同炉渗碳。
另外，对新渗碳罐、新的工夹具应预先渗碳。在正常生产情况，停炉较长再开炉升温时也应进行炉腔渗碳。
四、渗碳零件的热处理
渗碳只能改变零件的表面化学成分，而零件表面的最终强化则必须经过适当的热处理。通过热处理可使零件的高碳表层获得细小的马氏体，而零件的心部由低碳马氏体、托氏体、索氏体等组织所组成。渗碳后可采用不同的热处理方法：直接淬火、一次淬火及二次淬火，淬火后必须进行低温回火。
1. 直接淬火
直接淬火是指工件渗碳后随炉降温到高于Ar1或Ar3温度（760～850℃），然后直接淬火的方法，淬火后在150～200℃回火2～3h。
随炉降温或出炉预冷的目的是为了减少淬火内应力，从而减小工件的变形。同时，还可使高碳的奥氏体析出一部分碳化物，降低奥氏体的碳浓度，从而减少淬火后残留的奥氏体，使零件表面获得较高的硬度。
直接淬火的优点是：减少了加热和冷却的次数，使操作简化，生产效率提高，还可减少淬火变形及表面氧化、脱碳倾向。直接淬火适用于低碳合金钢等本质细晶粒钢，不适用于本质粗晶粒钢及渗碳时表面碳浓度高的零件。
2. 一次淬火
一次淬火是指零件渗碳后立即出炉或降温到860～880℃出炉，在冷却坑内冷却至室温，然后再重新加热淬火。适于本质粗晶粒钢零件，以及不宜直接淬火的零件。
3. 二次淬火
对本质粗晶粒钢或使用性能要求很高的零件，要采用二次火，或一次正火加一次淬火，以保证渗碳零件的心部和渗层都达到高的性能要求。第一次淬火（或正火）温度，碳钢为880～900℃，合金钢为850～870℃，目的是细化心部组织，并消除表面网状碳化物。第二次淬火温度则要根据高碳的表层来决定，一般选择稍高于Ac1的温度（770～820℃）。
二次淬火，有可能出现较大的淬火缺陷，工艺较复杂，生产周期长，故仅用于表面耐磨性、疲劳强度和心部韧性等要求较高的重载荷零件。
