1.气体渗碳
气体渗碳是将工件置于含有气体渗碳介质（渗碳剂）的密封高温炉罐中，渗碳剂裂化分解，产生活性碳原子并渗入工件表面的化学热处理工艺。气体渗碳生产率高，劳动条件好，渗碳过程易于控制，渗层质量好，适于大批量生产，应用最广。
（1）气体渗碳的基本过程
无论用何种渗碳介质进行渗碳，它们都有分解、吸收、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。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]。
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，溶于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饱和浓度时可形成金属化合物（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、钢件的成分及其表面状态有关。
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）向钢件深处迁移，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、渗金属等。
（2）气体渗碳的工艺参数
主要工艺参数为渗碳温度、保温时间、炉气换气次数和碳势选定与控制等。
1）渗碳温度。气体渗碳温度一般为880～930℃。较低的渗碳温度有利于减少渗碳工件变形和渗碳深度与渗碳浓度控制；较高的渗碳温度，可以加快渗碳速度，缩短渗碳周期，节约能源。但渗碳温度过高容易使碳化物呈网状，并使晶粒长大，降低力学性能。
2）保温时间。气体渗碳保温时间主要取决于渗碳温度和要求渗碳层的厚度。当温度一定时，渗层深度δ与保温时间t的平方根成正比，即
式中 D——扩散系数；
K——常数，均须由试验确定。
计算出的渗碳时间只能供操作参考。在渗碳时，应随工件装入若干试样，定时抽取试样检测渗碳层深度和渗层的碳质量分数，并与技术要求指标进行比较，以确定出炉时间。
3）炉气换气次数。炉内渗碳气氛要不断更换，以保持炉气的活性。换气次数等于单位时间送入炉内渗碳气体的量除以炉膛的容积。换气次数多，炉气活性大，但是渗碳剂量和电耗增大。通常炉气的换气次数≥2，同时要保证炉内气压为正压，以防止炉外空气窜入炉内，破坏渗碳气氛。
4）碳势选定与控制。渗碳过程中，炉气碳势高，则渗碳工件表面碳的质量分数高，碳浓度梯度大，因而可以提高渗碳速度。但是，过高的碳势会导致在渗层出现网状碳化物，使渗层的脆性增大。为此，在渗碳工艺上采用分段控制碳势的工艺方法。将渗碳时间分为两段：第一阶段采用较高的碳势进行强渗，称为强渗期；第二阶段采用较低的碳势，以降低渗层表面含碳量并增加渗层深度，称为扩散期。
（3）气体渗碳的工艺过程
气体渗碳时，将工件装挂在密闭的井式渗碳炉中，如图9-1所示。滴入易于热分解和汽化的液体（如煤油、丙酮等），加热到900～950℃，按0.15～0.30mm/h估算保温时间，渗碳剂在高温下分解产生活性碳原子，活性碳原子被工件的表面吸收，并向心部扩散，形成一定深度的渗碳层。渗碳层的深度根据零件尺寸及工作性能要求而定，通过控制保温的时间来达到，一般为0.5～2.5mm。
渗碳工艺过程一般由排气、强烈渗碳、扩散及降温4个阶段组成，如图9-2所示。(https://www.daowen.com)
1）排气。模具零件入炉后必将引起炉温降低，同时带入大量空气。排气阶段的作用在于恢复炉温到规定的渗碳温度。在此阶段应尽快排除炉内空气，通常采取加大渗碳剂流量的措施以使炉内氧化性气氛迅速减少。在仪表温度达到渗碳要求的温度后排气往往尚需延长30～60min，以使炉内成分达到要求，并使炉内温度均匀及工件烧透，排气不好会造成渗碳速度减慢或质量不合格等缺陷。
图9-1 气体渗碳示意图
图9-2 井式气体渗碳工艺
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要求，增大表面的碳浓度梯度以提高渗碳速度。强烈渗碳时间主要取决于模具钢渗碳层的要求。
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。此时炉气渗碳能力降低，表层过剩的碳继续向内部扩散，最后得到要求的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。渗碳后的冷却，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15～30min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模具零件，可自渗碳温度出炉放入缓冷罐中。
（4）气体渗碳的操作要点
1）为了保证渗碳质量，模具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Na2 CO3的水溶液清洗，锈蚀工件可采用喷砂清理。
2）工件应装在料筐或挂具上，彼此间应留出5～10mm的间隙，以保证渗碳介质能与零件充分接触和循环流通。
3）渗碳炉密封性要好，并始终保持炉内气氛为正压力[一般为20～60mm水柱高（1mmH2 O＝9.80665Pa）]；风扇应始终运转，以使工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，应经常进行炉气分析。根据生产实践，用煤油渗碳时，炉内气氛成分（体积分数）控制在下列范围：Cn H2n+21.0%～1.5%，Cn H2n≤0.6%，CO20%～35%，H250%～65%，CO2≤0.5%，O2≤0.5%，N2余量。
4）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。不同钢种或层深不宜同炉渗碳，另外对于新渗罐、新的工夹具或未使用过的炉罐应预先渗碳。在正常生产情况下，停炉再升温时也应进行炉腔渗碳。
5）渗碳件通常为wc＝0.15%～0.20%的低碳钢或合金渗碳钢，渗碳后表层的wc可达0.85%～1.05%。渗碳层由表层向心部依次为过共析层、共析层、亚共析过渡层和心部原始组织。
（5）气体渗碳后的热处理
渗碳只能改变模具零件表面的化学成分，而零件表面的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现，通过热处理使零件的高碳表层获得细小的马氏体、适量的残留奥氏体和弥散分布的粒状碳化物；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，如直接淬火、一次淬火、两次淬火等。
1）直接淬火。直接淬火是指工件渗碳后随炉降温或出炉预冷到高于Ar1或Ar3温度（760～850℃）然后直接淬火（油），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，还使高碳的奥氏体中析出一部分碳化物，降低奥氏体中的碳浓度，从而减少淬火后的残留奥氏体，获得较高的表面硬度。
直接淬火的优点是：减少加热和冷却的次数，使操作简化，生产率高，还可以降低淬火变形及表面氧化、脱碳倾向。直接淬火适用于20CrMnTi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。模具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。适宜于本质粗晶粒钢零件和不宜直接淬火的零件。
3）两次淬火。对于本质粗晶粒钢或使用性能要求很高的零件，要采用两次淬火，或一次正火加一次淬火，以保证模具零件心部和渗层都达到高的性能要求。第一次淬火（或正火）温度碳素钢为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。第二次淬火温度则根据高碳的表层来决定，一般选择在稍高于Ac1的温度。
两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和疲劳强度及心部韧性等要求较高的重载荷零件。