什麼是滲碳
將低碳鋼在沃斯田鐵區置於含碳氣氛中，提高表層碳量的處理。以淬火使表層成為硬的麻田散鐵。
日文名稱: 浸炭
「滲碳」出現在3領域的6道練習題中（晶體缺陷與擴散, 表面處理與磨潤學, 破壞力學與疲勞等）。
這個名詞所屬的領域: 表面處理與磨潤學
使表面與內部性質不同的目的
像齒輪與軸這類零件，表面要能承受磨耗、高接觸應力與彎曲疲勞，內部則需要受衝擊也不破裂的韌性，若整體做成相同的組織，就難以兼顧。滲碳使用碳約0.2%的低碳鋼，只把表層的碳量提高到約0.8%左右再淬火，使表層成為硬的麻田散鐵，內部成為低碳而有韌性的組織。表層也會殘留壓縮殘留應力，因此疲勞強度也提高。常使用稱為表面硬化鋼、添加Cr或Mo的SCr420與SCM420等鋼。
硬化層深度與處理時間
碳由表面擴散進入，因此達到相同碳量的深度大致與 √(Dt) 成正比，深度要加倍約需4倍的時間。設沃斯田鐵中碳的擴散係數為 D = 2.3×10⁻⁵exp(−148 kJ/mol ÷ RT) m²/s，在927℃約為8×10⁻¹² m²/s。把含碳0.2%的鋼表面保持在0.9%、滲碳4小時時，以誤差函數解估算碳達到0.4%的深度，約為0.5 mm。實際上擴散係數隨碳量而變，因此這只是大致的估計。提高溫度會變快，但晶粒容易粗化。
氣體滲碳與真空滲碳
廣泛使用的氣體滲碳，是控制由碳氫化合物製成、以CO與H₂為主之氣氛的碳勢（決定鋼表面碳量的指標），來決定表面的碳量。這種氣氛含有些微的氧化性成分，因此Si、Mn、Cr等容易氧化的元素會在表層的晶界氧化，發生晶界氧化，這部分不易淬硬，成為疲勞強度下降的原因。真空滲碳是在減壓的爐中通入乙炔等碳氫化合物進行滲碳的方法，不發生晶界氧化，能在高溫下短時間處理，也容易滲碳到孔的內部。
淬火後的處理與品質確認方法
滲碳淬火後，通常在約150〜200℃的低溫回火，在不大幅降低硬度的情況下恢復韌性。表層碳多，淬火時容易殘留部分沃斯田鐵，尺寸變化或硬度不足成為問題時，會進行冷卻到0℃以下的深冷處理。品質以量測截面的硬度分布確認，一般以硬度為550 HV 的深度作為有效硬化層深度。淬火造成的變形無法避免，因此需要精度的齒輪，會在滲碳淬火後研磨齒面加以精加工。
練習滲碳的題目
將碳濃度0.20 wt%的鋼，在表面碳濃度保持1.00 wt%的條件下滲碳。在深度0.50 mm處碳濃度達到0.60 wt%所需的時間最接近下列何者？擴散係數為1.6×10⁻¹¹ m²/s，(C − C₀)/(Cₛ − C₀) = 1 − erf(x/2√(Dt))，erf(0.371) = 0.40，erf(0.477) = 0.50。
- A約7.9小時
- B約19小時
- C約4.8小時
查看答案與解析
正確答案：C. 約4.8小時
(0.60 − 0.20)/(1.00 − 0.20) = 0.50，因此 1 − erf(z) = 0.50，由 erf(z) = 0.50 得 z = x/2√(Dt) = 0.477。所以 √(Dt) = 0.50×10⁻³/(2 × 0.477) ≈ 5.24×10⁻⁴ m，Dt ≈ 2.75×10⁻⁷ m²，t = 2.75×10⁻⁷/(1.6×10⁻¹¹) ≈ 1.72×10⁴ s，約4.8小時。約19小時是漏掉分母的2、算成 x/√(Dt) = 0.477 的錯誤，時間差了4倍。約7.9小時是忽略原本的碳濃度C₀，由 0.60/1.00 得 erf(z) = 0.40、z = 0.371 的錯誤。時間與深度的2次方成正比，因此係數處理的差異影響很大。
對低碳鋼（約0.2%C）的齒輪進行滲碳淬火。下列關於此處理的敘述何者正確？
- A在沃斯田鐵區（約900〜950℃）使碳擴散進入表層後淬火，使表層成為硬的麻田散鐵，內部成為具韌性的組織
- B在能大量固溶碳的肥粒鐵區（約550℃）滲碳，因此不淬火表層也會變硬，變形也小
- C碳多的表層比內部先變態為麻田散鐵，淬火後表層留下拉伸殘留應力，因此齒輪的疲勞強度下降
常見問題
滲碳與滲碳淬火是不同的東西嗎？
滲碳只是指增加表層碳量的處理，光是這樣並不會變硬。之後淬火使表層成為麻田散鐵，再進行回火的一連串處理，稱為滲碳淬火。在實務上，說到滲碳常包含到淬火為止的處理。
滲碳與氮化如何區分使用？
滲碳淬火能使硬化層深達約0.5〜2 mm，適合承受大荷重的齒輪等，但淬火會產生變形。氮化的硬化層較薄，但能在低於變態點的溫度不淬火就硬化，變形小，適合需要尺寸精度的零件。
滲碳時不想讓碳進入的部分如何處理？
以鍍銅或防滲碳塗料覆蓋，使碳無法進入。用於保留螺紋部或之後要加工的部分等不想硬化的部位。也有在滲碳後、淬火前把該部分切削掉的方法。
解析中的「滲碳」
滲碳在碳的固溶量大（900多℃時約1.2〜1.4%）、擴散也快的沃斯田鐵區（約900〜950℃）進行。
對低碳鋼（約0.2%C）的齒輪進行滲碳淬火。下列關於此處理的敘述何者正確？D隨溫度呈指數變化，因此只要將滲碳溫度提高數十℃，就能大幅縮短處理時間。
碳在γ鐵中的擴散係數遵循 D₀ = 2.3×10⁻⁵ m²/s、活化能 Q = 148 kJ/mol 的阿瑞尼斯式 D…擴散距離的估計值 x ≈ √(Dt) 用於滲碳、摻雜物擴散等許多場合。
在相同溫度下進行擴散處理時，若要使達到某濃度的深度變為2倍，處理時間需要變為幾倍？滲碳、氮化與高週波淬火也會使表層硬化並導入壓縮殘留應力，因此能提高疲勞強度。
下列哪一種表面處理，可望提高鋼零件的疲勞強度？另一方面，硬化層約0.1〜0.5 mm，比滲碳薄，處理常需要數十小時，這是缺點。
對含Al、Cr、Mo的氮化用鋼進行氣體氮化等氮化處理，下列敘述何者正確？
出現「滲碳」的題目（6題）
- 將碳濃度0.20 wt%的鋼，在表面碳濃度保持1.00 wt%的條件下滲碳。在深度0.50 mm處碳濃度達到0.60 wt%所需的時間最接近下列何者？擴散係數為1.6×10⁻¹¹ m²/s，(C − C₀)/(Cₛ − C₀) = 1 − erf(x/2√(Dt))，erf(0.371) = 0.40，erf(0.477) = 0.50。
- 對低碳鋼（約0.2%C）的齒輪進行滲碳淬火。下列關於此處理的敘述何者正確？
- 碳在γ鐵中的擴散係數遵循 D₀ = 2.3×10⁻⁵ m²/s、活化能 Q = 148 kJ/mol 的阿瑞尼斯式 D = D₀exp(−Q/RT)。927℃時的擴散係數最接近下列何者？氣體常數為 R = 8.314 J/(mol·K)。
- 在相同溫度下進行擴散處理時，若要使達到某濃度的深度變為2倍，處理時間需要變為幾倍？
- 下列哪一種表面處理，可望提高鋼零件的疲勞強度？
- 對含Al、Cr、Mo的氮化用鋼進行氣體氮化等氮化處理，下列敘述何者正確？
相關名詞
擴散係數 氮化處理 麻田散鐵 真實接觸面積 無電鍍鎳 磨粒磨耗 黏著磨耗 Archard磨耗方程式 Stribeck曲線