这个过程本质上是一个表面化学热处理过程，其科学基础是高温下的化学扩散。整个工作周期精确地分为三个核心阶段：渗碳、扩散、淬火。
阶段一：渗碳 (Carburizing) - "表面增碳"
这是整个工艺的核心，目标是在工件表面创造一个高碳浓度的区域。
1. 化学过程：
介质分解：渗碳介质（如天然气 CH₄、丙烷 C₃H₈ 或煤油）被通入高温炉罐。在 900-950°C 的高温下，这些碳氢化合物在催化剂（如炉壁、工件表面的氧化铁）作用下发生裂解，分解出活性碳原子 [C]。
反应式示例：CH₄ → 2H₂ + [C]
吸附与溶解：这些高活性的碳原子 [C] 会被工件表面吸附，然后溶解到高温下的奥氏体（一种碳在铁中的固溶体）晶格中。
形成浓度梯度：由于工件心部是低碳钢，而表面被高浓度的碳所包围，形成了巨大的碳浓度差。这个浓度差是后续一切扩散的驱动力。
2. 物理过程：
扩散：在高温下，原子具有很高的能量。表面的碳原子会因为浓度梯度的存在，自发地向心部移动，形成一个碳浓度由表及里逐渐降低的区域，这就是渗碳层。
工艺控制：此阶段的目标是快速建立一个足够厚度的渗碳层。控制参数主要是温度和渗碳时间。温度越高，原子扩散速度越快；时间越长，渗碳层越厚。
阶段二：扩散 (Diffusing) - "浓度匀化"
渗碳阶段结束后，工件表面的碳浓度非常高（可能达到 0.8%-1.2%），而心部仍然是原始的低碳（如 0.2%）。这种急剧的浓度变化会导致表面在后续淬火后变得异常脆硬，性能不佳。扩散阶段就是为了解决这个问题。
1. 核心目标：
降低表面碳浓度：将表面过高的碳浓度 “拉” 下来，使其处于一个理想范围（通常为 0.7%-0.9%），这个碳含量淬火后能获得的硬度和韧性平衡。
平缓浓度梯度：让渗碳层内的碳浓度变化更加平缓，从表面到心部的过渡更柔和，避免了组织应力过大。
2. 工艺控制：
调整气氛：通常会停止或大幅减少富碳介质的通入，转而通入中性或弱渗碳气氛（如氮气、甲醇裂解气）。
调整温度：扩散可以在与渗碳相同的温度下进行，也可以适当降低温度（如降至 880-900°C）。降低温度可以减缓总扩散速度，但更有利于控制表面碳浓度，避免奥氏体晶粒过度长大。
控制时间：扩散时间的长短直接决定了最终渗碳层的碳浓度分布。
阶段三：淬火与回火 (Quenching & Tempering) - "性能定型"
渗碳和扩散只是改变了工件表层的化学成分，要获得最终的高硬度，必须通过淬火来改变其金相组织。
1. 淬火 (Quenching)：
目的：将经过渗碳、扩散的工件（此时表层是高碳奥氏体）从高温快速冷却（通常在油或水溶性淬火液中）。
效果：快速冷却抑制了奥氏体在冷却过程中的分解，使其转变为高硬度、高强度的马氏体组织。工件表层因此获得极高的硬度和耐磨性。而心部由于碳含量低，在快速冷却后形成强度和韧性较好的低碳马氏体或贝氏体组织。
2. 回火 (Tempering)：
目的：淬火后的马氏体组织非常硬，但也伴随着巨大的内应力和脆性。回火就是为了消除这些内应力，提高韧性，并稳定组织和尺寸。
工艺：将淬火后的工件重新加热到一个较低的温度（通常为 150-200°C，对于要求更高韧性的零件可能更高），保温一段时间后冷却。
效果：经过回火，工件表层的高硬度得以大部分保留，同时脆性大大降低，获得了 “外硬内韧” 的最终理想性能。
