文献综述

渗碳是最常用的化学热处理方法之一，这一工艺可以获得高硬度和耐磨的表面及强硬性好的心部，使零件具有承受复杂应力的能力[1]。在生产实际中，表面渗碳（碳氮共渗）是现今提高机械零件使用寿命的主要热处理工艺手段之一, 在制造业中广泛应用[2]。以奥氏体不锈钢为例，因为其具有良好的耐蚀性能，但是它的表面硬度较低、耐磨性较差，因此可以用渗碳的工艺使不锈钢表面产生残余应力，使表面硬化而达到使用要求[3]。

渗碳的主要优点是在轴、齿轮、轴承和其他机械零件的表面产生残余压应力[4]。此外,表层的高硬度、高强度及由于表层、心部的组织转变产生的压应力提高了表面性能，使零件具有很高的耐磨性、弯曲疲劳和滚动接触疲劳性能[5]。

1.传统高温热处理

传统的渗碳和碳氮共渗是典型的高温化学热处理。这就是说,在该处理温度中,钢处在奥氏体状态下。因此,传统渗碳和碳氮共渗总是伴随着冷却后的奥氏体转变[6]。对所有的材料, 淬火开始阶段是热收缩应力引起零件的变形, 在淬火过程中, 会发生相变( 如奥氏体转变成铁素体、珠光体、贝氏体、或者马氏体) , 产生相变应力, 并且和冷却中产生的热应力在一定程度上叠加[7]。在淬火过程中, 任何局部的马氏体转变都同时伴随着体积的膨胀, 同时把现存的应力值( 无论正负)转变成反向应力值[8]。在拉应力区发生相变, 则减少应力, 在压应力区则总是增加应力（渗碳层内应力分布式不均匀的，往往会形成压应力峰[9]。以扩散为基础的表面化学热处理( 包括渗碳和碳氮共渗) , 在不同的层深中碳和氮的分布是不同的，由于碳的分布密度不同会导致表面残余应力分布完全不同[10]。

渗碳是一种受扩散制约的工艺过程，而扩散系数是绝对温度的指数函数。因此，温度越高，碳的扩散速度越快。例如，渗碳温度从900℃提高到950℃时，渗碳时间就会缩短一半；渗碳温度从955℃提高到1010℃时，渗碳温度又会缩短一半。但是，伴随着高温渗碳的进行，炉内元件的寿命会被缩短，并且由于晶粒的长大，工件的机械性能也会降低[11]。此外，传统的高温渗碳热处理还会对不锈钢的耐蚀性能产生影响。因为在高温下不锈钢表层的铬会与碳形成碳化物，使表层碳含量增加，而局部贫铬。由此可见，传统的高温渗碳还是有很多明显的不足之处的[12]。

2.低温气体渗碳

而随着现代技术的发展，还有一些新型的渗碳方法，其中一种叫低温气体渗碳（在本次试验中使用）。我们在实验中对奥氏体不锈钢（316L）进行渗碳处理（奥氏体不锈钢因其良好的耐蚀性、韧性和可加工性能，被广泛应用于核工业、化学工业、机械工业等各大领域）。由于传统的高温热处理会影响不锈钢的耐蚀性能，因此就用低温气体渗碳来提高不锈钢表面强度的同时防止其耐蚀性的显著降低[13]。