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底装料立式多用炉技术应用研究
戴瑞,李宾思,董小虹,王桂茂 ,陈志强 ,吴友维
广东世创金属科技有限公司 世创-索罗(SOLO-STRONG)工业炉,广东 佛山 528313
摘要:本文介绍了 SOLO 底装料立式多用炉的技术特点,重点阐述了底...
图 2 SOLO 底装料立式多用炉工作原理
Fig.2 Working principle of SOLO bell-type furnace
1.1 炉内金属炉罐的优点
(1) 炉气被隔离在炉罐内,与炉墙没有化学反
应和被吸收,使炉气气氛恢复...
2.1 渗层内氧化的成因和影响
渗层内氧化的实质:是在高温下,吸附在工件
表面的氧可沿奥氏体晶界扩散,并和与氧有较大亲
和力的元素(Ti,Si,Mn,Al,Cr)发生氧化反应形成金
属氧化物,渗层的金相组织出现沿晶界的黑色网、
带或块状组织。同...
提供的:a)补充的碳氢化合物脉冲式加入,与氮
气吹扫净化阶段分开 b)控制碳氢化合物随时间
的流动速度(见图 4),通过设定常规的碳势 Pc=C
饱和,优点在于通过氧探头和/或 CO/CO2 红外分析仪
很好地控制流动条件。对于这种情形,因为有...
SOLO 底装料立式多用炉由于具有气氛转换
快的独特优点,可以解决薄层渗碳、碳氮共渗的技
术关键。
3.1 控制表面碳浓度的薄层渗碳[6]
某 航 空 产 品 配 重 支 架 零 件 , 材 料 为
16Ni3CrMoA,要求渗碳深度 0.40...
图表 3 底装料立式多用炉碳氮共渗工艺程序单
Table 3 Carbonitriding process of bell-type furnace
表 4 经底装料立式多用炉处理的部分渗碳和碳氮共渗零件质量情况
Table 4 Quality...
4 在少畸变工件热处理中应用
渗碳件由于渗层和内部的含碳量不同,而且渗
层中碳的浓度变化很大,所以在加热和冷却过程中
除了有热应力和组织应力之外,还有由于表层与心
部的含碳量和相变温度的差异,引起组织转变和应
力大小等的差异而造成的附加应力。渗...
特的结构和功能。
以 H13 (4Cr5MoSiV1)钢模具热处理为例,从
H13 钢的连续冷却转变曲线可知,过冷奥氏体在珠
光体转变区的孕育期最短,约 15min; 亚共析碳化
物沉淀发生在 800~1000℃之间,而在 400~600℃之
...
Washing machine
with 3 tanks
and salt recuperation
Furnace 2
1100°C
Second salt
quench tank 150 - 300°C
First salt
quench ...
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2005.8月西安活动周 底装料立式多用炉技术应用研究 - technology application research for bell-type furnace - 3

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2005.8月西安活动周 底装料立式多用炉技术应用研究 - technology application research for bell-type furnace - 3

  1. 1. 底装料立式多用炉技术应用研究 戴瑞,李宾思,董小虹,王桂茂 ,陈志强 ,吴友维 广东世创金属科技有限公司 世创-索罗(SOLO-STRONG)工业炉,广东 佛山 528313 摘要:本文介绍了 SOLO 底装料立式多用炉的技术特点,重点阐述了底装料立式多用炉在无内氧化高质 量渗碳、薄层渗碳和碳氮共渗、少畸变渗碳和淬火、防止畸变的分级或等温淬火等热处理中的应用研究 结果,充分体现了底装料立式多用炉的优越性。 关键词:底装料立式多用炉;渗碳;薄层渗碳;畸变;分级淬火;等温淬火;内氧化。 Technology Application Research for Bell-type Furnace Thierry Sperisen, Francis Liebens, Dong Xiao Hong, Wang Gui Mao, Chen Zhi Qiang, Wu You Wei Guangdong Strong Metal Technology Co., Ltd., SOLO–STRONG Industrial Furnace Foshan Guangdong, 528313, China Abstract: It introduces the technology advantages of the bell-type furnace, major describes the technology application research in high quality carburizing without intergranular oxidation, sheet carburizing and carbonitriding, less distortion carburizing and quenching, austempering or martempering avoiding distortion etc., which represent the advantages of bell-type furnace. Key words: Bell-type furnace; carburizing; sheet carburizing, distortion, martempering; austempering; intergranular oxidation. 可控气氛热处理(包括渗碳和保护气氛热处 理)可以使工件获得良好综合性能和表面质量,是 热处理主要工艺之一。很多研究表明[1~3],可控 气氛渗碳或碳氮共渗容易产生渗层的内氧化,降低 表面显微硬度,表层出现非马氏体组织,当内氧化 深度≥13μm 时会明显降低疲劳性能,因此要求内氧 化深度控制在一定范围之内。如何消除或减少内氧 化,进一步提高渗层质量,已成为可控气氛热处理 的重要研究课题。另一方面,为了最大限度发挥材 料潜力,热处理工作者希望有一种炉子允许使用多 种淬火介质,以适应不同材料和工件对淬火冷却的 各种不同要求,使热处理零件达到最佳的性能和质 量,最大限度的减少畸变。 多年来,SOLO 工业炉一直致力于研发新型可 控气氛热处理技术,底装料立式多用炉和相关的工 艺技术是近年来的重要贡献,底装料立式多用炉已 获得多项专利,并在机械、汽车、航空航天、军工、 工模具、医疗器械、精密机械和五金等行业中广泛 应用。底装料立式多用炉技术可以满足如下要求 [4]: - 抑制渗层表面的内氧化,提高质量; - 使用常规的热壁式炉子,成本低; - 没有装料密度限制,提高了生产效率; - 最大限度满足机械性能要求,同时减少畸变; - 可在任意介质中淬火,包括在油、盐浴、聚 合物、水中淬火及高压气淬(最大 15bar)等。 1 底装料立式多用炉的技术特点 SOLO 底装料立式多用炉主要由加热炉、淬火 槽、控制系统(电和气)、装卸料小车四部分组成。 如图 1 所示。其工作过程包括装料、加热、转移、 淬火、卸料等工序,如图 2 所示。 SOLO 底装料立式多用炉有如下四个特点: > 炉内装有金属炉罐; > 立式轴向设计; > 炉子与淬火槽结构和功能分开; > 工件直接进行无氧化淬火。 图 1 SOLO 底装料立式多用炉组成 Fig.1 One set of SOLO bell-type furnace
  2. 2. 图 2 SOLO 底装料立式多用炉工作原理 Fig.2 Working principle of SOLO bell-type furnace 1.1 炉内金属炉罐的优点 (1) 炉气被隔离在炉罐内,与炉墙没有化学反 应和被吸收,使炉气气氛恢复或转换快,提高生产 效率。 1.2%C←→0.2%C <5min 0.8%C←→100%N2 <10min 5%CO←→33%CO <5min 75%NH3 ←→25%NH3 <10min 渗碳←→碳氮共渗 <5min 碳氮共渗←→保护淬火 <5min 渗碳←→渗氮 <60min 保护淬火←→渗碳 <10min 渗碳←→退火、钎焊 <10min (2) 加热元件在炉罐之外,不受炉气的损害, 提高了使用寿命和使用温度(可达 1150℃)。 (3) 因为气氛转换或恢复快,又没有前室,减 少气体消耗,气体消耗量比一般密封箱式多用炉少 1/3~1/2,降低生产成本。 (4) 炉罐与炉膛之间可以通入冷却气体冷却, 可实现渗碳或钎焊后对气氛和冷却速度的控制,提 高冷却质量,以满足各种不同冷却方式要求。 (5) 启动和停炉方便,与一般井式炉相似,没 有任务时可停炉,有任务时可快速进入生产状态, 从 25℃大气条件下达到 850℃、0.8%C 碳势状态 ≤60min,特别适合多品种小批量生产。 1.2 立式轴向设计的优点 加热元件均匀分布在工件的周围,采用三区七 支热电偶关联控温,顶部设有大型循环风机和良好 导风装置进行对流循环,保证炉温均匀性和气氛均 匀性。 控温精度 ≤±1℃ 炉温均匀性 ≤±5℃ 碳势控制精度和均匀性 ≤±0.05%C 氮势控制精度:氨分解率(10~80%)±1%或 KN≤±0.1 1.3 炉子与淬火槽结构和功能分开的优点: 与密封箱式多用炉不同,底装料立式多用炉的 炉子和淬火槽在结构上是分开的,只有淬火时,炉 子与淬火槽紧密接触,模块式设计使淬火介质可能 有多种选择,根据生产需要可以有多种组合和灵活 扩展。 淬火介质:油、热油(≤200℃)、水、盐水、 聚合物、盐浴(130~550℃)、气冷(1~15bar)。 组合:一般为一炉一槽,也可一炉二槽、二炉 一槽,实现炉、槽各种各样的组合,还可以与清洗 机、回火炉和自动装卸料小车组成各种组合生产 线;灵活实现生产线扩大。 1.4 工件直接淬火的优点 底装料立式多用炉没有前室,淬火时工件被锁 在炉罐内转移,继续保持加热,并通入大量氮气, 防止空气进入。淬火时垂直淬入淬火槽,保证转移 过程中没有温度降低,没有氧化脱碳,淬火转移时 间短。淬火后,炉子可以立刻从淬火槽上方移开, 恢复原位,进行下一炉装炉,提高了生产效率,也 避免了密封箱式多用炉中工件滴油时容易出现的 意外回火危险。垂直装料和淬火对长杆形零件减少 热处理畸变有重要作用。 2 在高质量渗碳中应用 机械制造业中广泛应用渗碳表面强化工艺,制 造业精密化发展要求提高渗碳质量,减少畸变,迫 切要求研究发展防止渗层内氧化和灵活选择淬火 冷却介质的可控渗碳工艺技术。其中包括真空(低 压)渗碳,但真空渗碳受到成本高、高压气淬时淬 透性有限,以及淬火介质选择余地小等限制。我们 研究开发了底装料立式多用炉及 Ecocarb 渗碳新技 术,有效防止渗层内氧化,实现高质量渗碳。
  3. 3. 2.1 渗层内氧化的成因和影响 渗层内氧化的实质:是在高温下,吸附在工件 表面的氧可沿奥氏体晶界扩散,并和与氧有较大亲 和力的元素(Ti,Si,Mn,Al,Cr)发生氧化反应形成金 属氧化物,渗层的金相组织出现沿晶界的黑色网、 带或块状组织。同时氧化物附近基体碳和合金元素 下降,使该层的淬透性下降,淬火组织中出现非马 氏体组织。若炉气的 O2、H2O、CO2 气体含量较高, 或零件表面有严重氧化皮时,提供内氧化的氧,在 渗碳过程中将发生内氧化。一般气体渗碳内氧化是 不可避免。 内氧化使表层出现非马氏体组织,表面显微硬 度下降。内氧化对弯曲疲劳强度有影响。当内氧化 深度大于 13μm 时,疲劳强度随内氧化层增加而明 显下降。如铬锰钢,内氧化层深度从 13μm 增加至 30μm 时,疲劳强度下降 20~25%,100μm 左右时, 疲劳寿命下降 63%。内氧化的存在也影响渗层表面 残余应力的分布,使渗层表面出现拉应力。所以很 多重要渗碳件都有内氧化层深度要求,成为渗碳工 艺的技术关键。 2.2 SOLO-Ecocarb 气体渗碳工艺原理及措施[5] 常规渗碳工艺的碳势总流动速度由三个流动 过程联合决定。 Φ=Φ1=Φ2=Φ3 (1) 其中,Φ1 是气氛流向工件表面的流动密度, Φ2 是吸附作用于钢铁表面的碳的化学反应的流动 密度,Φ3 是碳原子向钢内扩散的流动密度。 这个平衡方程式也可以写为: Φ=Φ1=Φ2=Φ3=(Pc-Pcj)/R1 = (Pcj-Cs)/R2= (CS-Co)/R3 (2) 其中: Pc: 气氛平衡时的碳势 Pcj: 界面的碳势 Cs: 零件表面的碳浓度 Co: 零件的初始含碳量(心部含碳量) R1.2.3: 三个各自机制下的独立阻力 渗碳气氛含有 CO 和 H2 时,R3 的阻力比 R1 或 R2 小得多,所以反应式一般写为: Φ=(Pc-Cs)/R = h (Pc-Cs) (3) 其中 R=R1+R2,h=1/R 因此,当 R2<<R1 时,动态控制被气相传送 所控制;另外当 R1<<R2 时,界面的动态化学反 应起动态控制作用。 实际上,因为如下的原因上述情况永远不会出 现: > Cs 值在渗碳时缓慢变化,永远不会达到设定 值 Pc; > 在工艺周期里碳传送系数不是恒量; > 金属与气体的界面所形成的氧化层会改变 条件和使得碳难以扩散到钢铁里,必须注意到即使 在渗碳工艺开始的最早阶段当碳含量仍然很低并 且接近 Co 时,这种氧化层也会发生。 也就是说,碳的传递系数并不是以恒定的浓度 和速度来实现,导致很难精确控制真实的情形。 为了克服这种现象,工艺必须满足以下要求: 为了流动密度有一个高的恒定值,Cs 浓度必须恒 定与控制在富碳气氛里,为了获得理论的最大的碳 流动速度,表面碳浓度必须要达到奥氏体的饱和浓 度值。 渗碳工艺 Ecocarb 在底装料立式炉密封炉罐内 进行,金属炉罐来控制保温效果和保证炉子有良好 的气氛惯性。炉子装备有一套非常高效的对流系 统,当不同的阻力(△P)、压力损失时,设计的风 机能够保持恒定的流量。这个设计能保证温度均匀 性±5℃,同样具有完美的气体对流和循环,并且可 以快速净炉和气氛转换,并使热处理气氛均匀分 布。 这个工艺的原理基本上和所谓的“真空渗碳” 是一样的,但是主要的区别在于它并不需要真空。 它可以分解为四个主要步骤(见图 3)。 %Csatthesurface 1,4 0,7-0,8 Csat. 850 930 Temperature Time TimeTime I II III IV <2min 图 3 Ecocarb 渗碳工艺示意图 Fig.3 Ecocarb carburizing process a) 加热阶段 加热是在纯氮保护下升至渗碳温度。这个周期 的优点在于快速和均匀的加热,避免了任何影响工 艺的表面氧化层产生在这个阶段,Φ=0,Cs=Co b)渗碳阶段 当渗碳温度 T 到达时,条件设为 Cs=C 饱和,所以 Φ=最大。奥氏体表面碳浓度快速达到饱和是通过 向炉内加入碳氢化合物获得的。达到饱和后(通常 几分钟内 Cs=C 饱和)所需的碳是由几种不同的方法
  4. 4. 提供的:a)补充的碳氢化合物脉冲式加入,与氮 气吹扫净化阶段分开 b)控制碳氢化合物随时间 的流动速度(见图 4),通过设定常规的碳势 Pc=C 饱和,优点在于通过氧探头和/或 CO/CO2 红外分析仪 很好地控制流动条件。对于这种情形,因为有金属 炉罐气氛转换快,Cs 几乎保留在 Cs=C 饱和,所以没 有内氧化发生。 扩散是从所有的碳进入到零件内开始的。扩散 开始时 Φ=0 和 Cs=可变量,直到获得所需的渗碳 深度和最终的表面碳浓度。 计算的理论增重计算的理论增重 饱和相饱和相 测量增重测量增重 碳氢化合物流动速度碳氢化合物流动速度 P = 1 barP = 1 bar Assuming Φ carbon = Φ max since Cs = CsaturationAssuming Φ carbon = Φ max since Cs = Csaturation 0 0 8 16 6 12 8 24 Enrichment phase Diffusion phase Caculated theoritical weight increase Measured weight increase Hydrocarbon flow rate Liter/m2 /ming/m2 Assuming Φ carbon = Φ max since Cs = C saturationAssuming Φ carbon = Φ max since Cs = C saturation 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 %C Distance from the surface [mm] 0,2 0,4 0,6 After enrichment phase 24 minutes After enrichment phase 24 minutes and difusion in nitrogen 22 minutes 图 4 Ecocarb 渗碳加热阶段和扩散阶段碳浓度变化 Fig.4 Ecocarb C density level at heating and diffusion stage of carburizing process 在这个扩散阶段,如果要控制表层组织的残余 奥氏体可以在碳的分布上加氮。这可以通过精确控 制氨的流动速度和在表层不增加碳浓度为更高值 的情况下调整表层组织的残余奥氏体(从很少的比 例到大约 35%)来实现(见图 5)。 图 5 扩散阶段加氨控制残余奥氏体量 Fig. 5 Added ammonia to control austenite content at stage diffusion 在最后阶段,通过使用热交换器的方式把温度 降到淬火温度。然后,零件按照技术要求(变形, 硬度等等)的不同浸入不同的可选淬火介质。 值得注意的是,SOLO 底装料立式多用炉淬火 转移时间减少,因为零件不用通过炉内转移,直接 从炉子进入淬火槽。使显微组织为完美的渗碳层组 织,没有表面氧化或内氧化(见图 6)。 图 6 Ecocarb 渗碳工艺试验结果 Fig.6 Ecocarb carburizing test result (a) 经 Ecocarb 工艺渗碳的齿轮低倍组织图 (b) 经 Ecocarb 工艺渗碳不经腐蚀的工件表面,显示表面没有内氧化 (c) 典型的没有内氧化的组织 3 在薄层渗碳、碳氮共渗中应用 薄层渗碳、碳氮共渗一直是渗碳工艺困难问 题,常规的井式炉、密封箱式多用炉由于碳势恢复 较慢,要同时保证表面硬度和渗层深度比较困难, 经常出现表面硬度不足或不均匀、表面碳浓度不 够,或者渗层深度超差,所以对于薄层渗碳、碳氮 共渗经常采用盐浴液体渗碳,这种工艺给环境造成 很大污染,一直受环保限制。 c) a) b)
  5. 5. SOLO 底装料立式多用炉由于具有气氛转换 快的独特优点,可以解决薄层渗碳、碳氮共渗的技 术关键。 3.1 控制表面碳浓度的薄层渗碳[6] 某 航 空 产 品 配 重 支 架 零 件 , 材 料 为 16Ni3CrMoA,要求渗碳深度 0.40~0.50mm,渗层 表层碳浓度要求 0.70~0.90%。 原采用普通井式渗碳炉渗碳,渗碳温度为 900℃,保温时间 90~100min,渗剂为甲醇+煤油, 生产中经常发生零件质量不稳定的问题,甚至出现 表层碳浓度超差的情况。 采用底装料立式多用炉处理后,使零件渗碳质 量明显提高,具体工艺参数见表 1。 热处理后检测结果如下: (1) 工件渗层深度为 0.45mm(经 820℃淬火和 140℃回火)。 (2) 工件表层碳含量为 0.78%(采用剥层试棒 取样,单边剥 0.1mm,并用化学法分析含碳量)。 (3) 工件渗碳层硬度分布数据见表 2。 (4) 渗碳组织金相图片见图 7。 图 7 16Ni3CrMoA 渗碳金相组织 ×200 Fig.7 Metallographic structure of 16Ni3CrMoA after carburizing ×200 3.2 超薄层碳氮共渗[6] 某 航 空 产 品 操 纵 杆 类 零 件 , 材 料 为 ZG35CrMnSi,要求碳氮共渗层深度 0.05~0.10mm, 渗层表面硬度为 HV=688~766。 原使用普通井式渗碳炉进行碳氮共渗,存在的 主要问题是工件经碳氮共渗并机加工后,在最终盐 浴淬火时常出现表面硬度不均匀的现象,严重地影 响了产品质量。经分析,产生上述问题的实际原因 是由于碳氮共渗时工件渗层及渗层表面碳浓度不 均匀造成。采用底装料立式多用炉生产后,使质量 问题得到了有效解决,具体工艺设定见表 3。 按表 3 工艺参数已处理多炉零件,其检测结果 为:渗层深度 0.08mm,经最终淬回火后渗层表面 硬度全部符合 HV=688~766。原来使用普通井式渗 碳炉碳氮共渗时,在每次打开炉盖装载工件的过程 中会带入大量的空气并造成炉膛降温,因此,工件 入炉后的初期需要有一个升温、排气、预热及炉气 恢复平衡的过程。但由于被处理的工件渗层要求太 浅,整个工艺周期一共才 30min 左右(延长时间存 在渗层超差的危险),炉内气氛尚没有完全恢复达 到设定值,因此而造成了渗层不稳定。而采用底装 料立式多用炉处理后,情况则截然不同了。首先, 该炉的炉口是朝下的,当炉底打开装载零件时,不 仅炉内的热损失少,而且在炉门开启的瞬间,系统 的自动功能还将提供大流量的保护气体封住炉口 从而保证炉内气氛的变化也在最小范围之内,使炉 温和气氛迅速恢复和达到设定值,保证了渗层深度 和表面碳氮浓度。由表 3 可见:工件真正的渗碳时 间只有 20min,但其先期条件与普通井式渗碳炉是 不同的,它是在炉内工件的温度及气氛条件预先达 到均匀、平衡的条件下进行的。 3.3 典型应用[6] 某航空工厂在 2000~2003 年期间采用底装料 立式多用炉生产的渗碳和碳氮共渗零件近 30 种数 百件,质量良好、稳定,详见表 4。 表 1 底装料立式多用炉渗碳工艺程序单 Table 1 Carburizing process of bell-type furnace 工部 装载 预热 强渗 扩散 卸载 温度/℃ 900+5-15 900±5 900±5 900±5 900±5 时间/min 0 20 60 30 0 碳势/C% 0.3 0.3 1.1 0.9 0.9 表 2 16Ni3CrMoA 渗碳层硬度试验数据 Table 2 Carburized layer hardness test result of 16Ni3CrMoA 距表面的距离/mm 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 硬度数值/HV0.3 760 757.5 757.5 743.5 746.4 727.6 694.6 643.6 611.9 602.3 550.1
  6. 6. 图表 3 底装料立式多用炉碳氮共渗工艺程序单 Table 3 Carbonitriding process of bell-type furnace 表 4 经底装料立式多用炉处理的部分渗碳和碳氮共渗零件质量情况 Table 4 Quality detection result of parts processed by bell-type furnace 序 号 热处理种类 工艺要求 检测结果 结论渗层深度和表面硬度 (或表面碳浓度)/mm 渗层深度和表面硬度 (或表面碳浓度)/mm 1 碳氮共渗、淬火 0.20~0.30, 700~800HV 0.26, 750~766HV 合格 2 渗碳 0.31~0.37 0.36 合格 3 渗碳 0.35~0.45 0.38 合格 4 渗碳 0.65~0.78 0.71 合格 5 碳氮共渗、淬火 0.20~0.30, 700~800HV 0.20, 727HV 合格 6 渗碳 0.40~0.55 0.44 合格 7 渗碳 0.90~1.05 0.96 合格 8 碳氮共渗、淬火 0.25~0.33, 700~800HV 0.28, 766HV 合格 9 渗碳 0.20~0.35 0.30 合格 10 渗碳 0.78~0.90 0.80 合格 11 渗碳 0.75~0.90 0.77 合格 12 碳氮共渗、淬火 0.15~0.30, 700~800HV 0.22, 726~780HV 合格 13 渗碳 0.35~0.47 0.38 合格 14 渗碳 0.55~0.75, 1~1.6%C 0.66, 1.4%C 合格 15 碳氮共渗 0.10~0.15 0.12 合格 16 碳氮共渗 0.10~0.15 0.13 合格 17 碳氮共渗 0.05~0.10 0.09 合格 18 碳氮共渗 0.05~0.10 0.09 合格 19 渗碳 0.40~0.50 0.46 合格 20 碳氮共渗 0.10~0.15 0.135 合格 21 碳氮共渗 0.10~0.15 0.10 合格 22 渗碳 0.40~0.55, 0.70~0.90%C 0.48, 0.70%C 合格 23 渗碳 0.35~0.47 0.38 合格 24 渗碳 0.38~0.54 0.42 合格 25 碳氮共渗、淬火 0.20~0.30, ≥579HV 0.26, 707HV 合格 26 碳氮共渗、淬火 0.35~0.47, 599~713HV 0.37, 603~666HV 合格 27 碳氮共渗、淬火 0.13~0.33, HRC28~45 0.22 合格 28 碳氮共渗、淬火 0.17~0.24 688~766HV 表面 458~535HV 心部 0.19 硬度合格 合格 工部 装载 预热 保持 卸载 温度/℃ 820±100 820±5 820±5 820±5 时间/min 0 15 20 0 碳势/C% 0.35 0.35 0.85 0.85 供氨/L/min 0 0 0.5 0.5
  7. 7. 4 在少畸变工件热处理中应用 渗碳件由于渗层和内部的含碳量不同,而且渗 层中碳的浓度变化很大,所以在加热和冷却过程中 除了有热应力和组织应力之外,还有由于表层与心 部的含碳量和相变温度的差异,引起组织转变和应 力大小等的差异而造成的附加应力。渗碳件的最终 应力状态取决于这三种应力叠加的结果[2],如图 8 所示。 渗碳件的附加应力非常集中地分布在渗层上, 而且往往是产生在较低的温度区间。当渗层确定是 工件壁厚的一个主要部分时,附加应力成为主要因 素引起工件畸变。如细长内孔的套筒类零件细长杆 件、渗层不对称零件,渗碳的螺杆、蜗杆特别是小 而精密的渗碳件,渗层尺寸占较大比例时,附加应 力会引起很明显的畸变。 φ 0 + - 拉应力压应力 组织应力 热应力 附加应力 图 8 渗碳淬火后,截面上各种应力分布示意图 Fig.8 Stress distribution on section after carburizingand quenching 为了减少渗碳件的畸变,选择合适的淬火介 质,适当提高淬火介质温度,选用双液淬火或分级 淬火代替单液淬火等都是重要措施,底装料立式多 用炉技术在少畸变工件的热处理中优势很大。 4.1 很薄的轴承保持架马氏体分级淬火 日本 UKK 公司薄形轴承套圈,材料 st37 (Q235),技术要求碳氮共渗和淬火回火后表面硬 度 600~700HV,碳氮共渗深度 0.05~0.08mm,热处 理变形平面不平度<0.2mm。该零件过去生产中, 均有 25%平面变形超差不合格,成为生产难题。 采用底装料立式多用炉二炉一槽方案,淬火槽 为 250~350℃盐槽,碳氮共渗采取短时快渗工艺, 淬火采用马氏体分级淬火。生产质量大为提高,表 面硬度在 640HV1 左右,渗层深度 0.06~0.07mm, 大部分平面不平度<0.15mm,只有 0.25%变形超差 不合格。在满载情况 9 点测试渗层均匀性如图 9 所 示。渗层深度在 0.06~0.07mm 范围。 4.2 其他盐浴淬火应用 (1) 100C6.100Cr6(GCr15)钢轴承内圈的保护 气氛淬火,使用底装料立式多用炉,采用马氏体分 级淬火后,使硬度达到 59~61HRC 很窄范围内,珠 光体是<1%。 (2) 70 号碳钢卡簧保护气氛淬火,过去采用网 带炉油淬后,不但变形大,而且特别容易发生混料。 使用底装料立式多用炉,采用贝氏体等温淬火,连 续 24 小时生产,生产量达到 200kg/h, 解决了变形 超差和容易混料的技术关键。 (3) st33(Q195)钢离合器片,碳氮共渗后采 用 130℃热油淬火并回火,渗层深度在 0.1~0.15mm 之间,平面变形量在 0.5~1mm 之内。 图 9 满载情况渗层均匀性测试结果 Fig.9 Carburized layer uniformity test result under full loading condition 5 在模具热处理中应用[7.8] 热作模具主要用于加热金属或液态金属制品 的成形。用于热作模具的热作模具钢工件条件比较 恶劣,除在较高温度下受比较大应力之外,还承受 较大冲击和冷热交变的作用,经常出现的失效形式 有塑性变形、磨损、疲劳、冷热疲劳、断裂及开裂 等五种,所以要求热作模具既具有高的热强性和耐 磨性,又具有高的冷热疲劳抗力和断裂抗力,因此 要求选用优质的热作模具钢,同时采用合适的先进 热处理工艺。 热作模具钢的热处理新工艺有:双重淬火(双 重处理法)、分级淬火、等温淬火、高温淬火、低 温淬火、真空热处理、表面强化等。 模具还有另一个技术关键,那就是减少畸变。 因模具结构和形状比较复杂,而且热处理时大都接 近成品尺寸,所以要求热处理畸变应尽量小,最有 效途径是分级淬火或等温淬火。底装料立式多用炉 具有实现可控气氛保护加热功能,同时可以很方便 实现分级淬火或等温淬火,与其他炉型相比具有独
  8. 8. 特的结构和功能。 以 H13 (4Cr5MoSiV1)钢模具热处理为例,从 H13 钢的连续冷却转变曲线可知,过冷奥氏体在珠 光体转变区的孕育期最短,约 15min; 亚共析碳化 物沉淀发生在 800~1000℃之间,而在 400~600℃之 间具有很好的稳定性,保温数十小时也不发生相 变,为分级淬火创造了有利条件。 H13 钢具有极好的淬透性,空淬的临界直径为 75mm 左右,淬火和 250℃回火后保持硬度均匀 52~54HRC,超过 75mm 后,心部硬度将下降。厚 度 100mm 心部为 51HRC,130mm 心部为 50HRC 左右,150mm 的心部硬度为 48HRC 左右。 H13 钢的力学性能随回火温度变化如图 10、 11 所示,由此可见,在 550℃以下回火,随回火温 度上升,拉伸强度下降、韧性上升都较少;而在 550℃以上回火,随回火温度上升,拉伸强度下降、 韧性上升都比较快。提高淬火温度可以使 δb、K1C 提高,但 ak 下降。一般 H13 钢模具热处理工艺为 1050~1100℃加热、油淬,520~560℃回火。 H13 钢的晶间碳化物对韧性影响很大,已经知 道晶间碳化物使其韧性下降,影响模具寿命。为了 提高模具寿命,关键是选择 H13 钢模具淬火介质: 保证冷却初期最小冷速≥40℃/S,避免碳化物析出; 保证均匀冷却,减少变形和残余应力;避免任何贝 氏体转变,防止力学性能降低,使其最终组织为亚 共晶碳化物马氏体。最好技术方案是在硝盐浴中 450℃、180℃两次分级淬火。其工艺曲线见图 12 所示。采用底装料立式多用炉生产线,由 1100℃ 底装料立式多用炉 2 台和 2 个淬火盐槽(300℃、 500℃)、1 台清洗机,4 台回火炉及 1 台装卸料小 车,配电柜和气柜等组成。如图 13 所示。 Steel H13 (1.2344) - Tensile Strength = f ( Austenizing and Tempering Temperatures) 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 500 550 600 650 700 Tempering Temperature (°C) Tensilestrength(N/mm2) Austenizing 1000°C Austenizing 1050°C Austenizing 1100°C 图 10 H13 钢抗拉强度随回火温度的变化 Fig.10 Tensile strength change of steel H13 according to tempering temperature Steel H13 (1.2344) - Thoughness = f ( Austenizing and Tempering Temperatures ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 500 550 600 650 700 Tempering Temperature ( °C ) Thoughness(K) Austenizing 1000°C Austenizing 1050°C Austenizing 1100°C 图 11 H13 钢韧性随回火温度的变化 Fig.11 Slenderness change of steel H13 in accordance to tempering temperature Austenizing in furnace 11 Cg under protective atmosphere 650? 850? 1030? 450? 180? 550? 600? Quenchinginsaltbath1 Quenchinginsaltbath2 Tempering 1 Tempering 2 图 12 H13 钢最佳热处理曲线 Fig.12 Optimal heat treatment curve on steel H13 Fully automatic process EASYTHERM Process Control 650℃ 850 1030
  9. 9. Washing machine with 3 tanks and salt recuperation Furnace 2 1100°C Second salt quench tank 150 - 300°C First salt quench tank 500°C Furnace 1 1100°C Manipulator Tempering Furnaces 图 13 适合 H13 钢模具分级淬火的底装料立式多用炉生产线示意图 Fig.13 Bell-type furnace production line for marstempering of steel H13 6 结束语 SOLO 底装料立式多用炉技术除具有箱式多 用炉特点之外,还具有无内氧化高质量渗碳;气氛 转换快,能实现精确薄层渗碳、碳氮共渗;可选择 多种淬火介质,减少热处理畸变,可以代替盐浴炉, 实现清洁热处理;不但可以完成渗碳、保护气氛热 处理的批量生产,特别适用于多品种小批量生产等 长处,是一种先进的可控气氛热处理技术,具有广 泛的应用前景。 参考文献 [1] 中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会.热处理手册(1.2.3.4)[M]第 3 版.北京:机械工业出版社,2002. [2] 王万智、唐弄娣.钢的渗碳[M] .北京:机械工业出版社,1985. [3] 王广生等.金属热处理缺陷分析及案例[M] .北京:机械工业出版社,1997. [4] M.Sci.Dipl. PROFITHERM Bell furnaces and quench tanks arrangements [D],第二届中国热处理活动周,广州,2004. [5] M.Sci.Dipl.先进渗碳工艺与装备技术[D] .第二届中国热处理活动周,广州,2004. [6] 王庆乐.瑞士 SOLO 可控气氛多用炉生产线性能分析及在我厂的实际应用[A],第二届中国热处理活动周论文集[C] .广州,2004. [7] M.Sci.Dipl.现代先进的工模具热处理技术[D],国际热处理展览会,北京,2003. [8] 冯晓曾等.提高模具寿命指南—选材及热处理[M],北京:机械工业出版社,1994.

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