下面对先进气体渗碳技术进行简单介绍。直生式气氛是非平衡气氛,CO含量不稳定,渗碳时需采用同时测量CO和O2含量的多参数控制进行碳势控制。......
2023-06-24
气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法。渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体,如煤油、丙酮、乙醇等直接滴入炉内,裂解出渗碳组分(如CH4、CO等)进行渗碳;也可以将事先制备好的一定成分的气体(如吸热式渗碳气氛、氮基渗碳气氛等)通入炉内,在渗碳温度下分解出活性碳原子渗入工件表面来进行渗碳。图5-5为气体渗碳装置示意图。
图5-5 气体渗碳装置示意
1—风扇电动机;2—废气火焰;3—炉盖;4—砂封;5—电阻丝;6—耐热罐;7—工件;8—炉体
气体渗碳是目前应用最广泛的一种渗碳方法,不仅渗层可控,而且生产过程可采用计算机群控。渗碳工艺上正在发展节能的气体渗碳法,尽量使渗剂简单,不仅在制备过程中节省能源,而且尽量节省石油气体的消耗,如采用氮基气氛的渗碳。
气体渗碳的主要优点如下。
(1)气氛的配比基本稳定在一个范围内,并可实现气氛控制,产品质量稳定;
(2)渗碳速度较快(0.2mm/h),生产周期短,约为固体渗碳时间的1/2;
(3)适用于大批量生产,既适用于贯通式连续作业炉(如振底式、旋转罐式、输送带式、推杆式、转底式等),又适用于周期式渗碳炉(如井式、卧式和旋转罐式),可实现连续生产及渗碳作业的机械化和自动化。
渗碳件的各项性能与渗层的浓度分布及组织结构有密切的关系,不同的零件服役条件各异,对性能的要求不一,通过试验确定每一种零件各自最佳的渗层浓度分布和渗层组织,就有可能大幅度提高渗碳零件的使用寿命。现代工业对零件性能的要求越来越高,这就要求在渗碳过程中需实现精确的碳势控制并做出合理的渗后热处理。
1.气体渗碳常用渗碳剂
1)渗碳剂的选用原则(以滴注渗碳剂为例)
(1)渗碳能力强:渗碳能力常用碳当量和碳氧比表示。碳当量是指产生1mol活性碳原子所需该物质的质量;碳氧比指渗碳剂中所含碳原子与氧原子之比。碳当量越小,碳氧比越高,该渗碳剂渗碳能力越强。如丙酮(CH3COCH3),C/O=3,是强渗碳剂;甲醇(CH3OH),C/O=1,是弱渗碳剂。常用渗碳剂的碳氧原子比、碳当量见表5-3。
(2)产气量大:产气量指常压下每毫升液体产生气体的体积。产气量高的渗碳剂,可在较短时间将炉内空气排出。常用滴注渗碳剂的产气量见表5-3。
表5-3 常用渗碳剂的碳氧原子比、碳当量及产气量
(3)生成的气体成分稳定:这主要指气体中CO与H2的成分要稳定,以便于对碳势进行控制。当用CO2红外仪或露点仪进行碳势控制时,是基于炉气中CO和H2的成分不变这一前提。在滴注式可控气氛渗碳时,也是基于同一原理,利用红外仪或露点仪进行碳势控制。因此,当用甲醇作为稀释剂,并用其他碳氧比大于1的有机液体作为渗碳剂,在改变二者之间滴入比以改变炉气碳势时,炉气中的CO和H2成分应尽可能维持不变。图5-6为不同渗碳剂与甲醇以不同比例混合时对CO含量的影响。由图可以看出,如用异丙醇和甲醇作为滴注剂,则随着它们配比的改变,气氛中CO含量也随之改变;相反,改用乙酸乙酯或用乙酸甲酯与丙酮的混合液作为渗碳剂,改变与甲醇的配比,炉气中CO含量基本不变。这样,在实际生产中易于调整和控制渗碳气氛。
图5-6 不同渗碳剂与甲醇按不同比例混合时对CO含量的影响
1—乙酸甲酯;2—乙酸乙酯;3—乙酸甲酯+丙酮;4—丙酮;5—异丙醇
(4)形成炭黑的倾向小:渗碳时,渗碳剂(如煤油)分解产物中如烷烃和烯烃含量高,则会分解出大量的活性碳原子,由于工件吸收活性碳原子的能力有限,多余的碳原子将结合成碳分子沉积在工件表面,形成炭黑。炭黑沉积在工件表面会阻碍活性碳原子的渗入;附在碳势测量仪器的传感元件上,容易使之失灵;附在炉罐上,使炉罐导热性降低;附在电热元件上,容易引起短路,故应严防炭黑的形成。使用中可加入稀释剂或采取其他工艺措施避免形成炭黑。
(5)杂质少:特别是含硫量要低(主要针对煤油而言),因为硫原子渗入电热元件、炉罐和料筐,会与镍形成低熔点共晶体(645℃),显著缩短其使用寿命;且硫渗入工件后,会阻碍碳原子渗入。一般规定,渗碳煤油中硫的质量分数要低于0.04%。
以上渗碳剂选用原则中,除第(2)点外,其他对气态、固态渗碳剂都适用。
2)气体渗碳常用渗碳剂及特性
目前,生产中广泛应用的气体渗碳方式主要有滴注式、吸热式和氮基气氛三种,表5-4给出了这三种气体渗碳常用渗碳剂的成分及特点。
表5-4 气体渗碳常用渗碳剂成分及特点
续表
注:①载气是指化学热处理中载运活性组分的稀释气体,其作用是稀释炉气,运载渗碳活性组分,排除炉内空气,并在炉内形成正压。
②富化气是指为提高炉内碳势而加入的富碳气体(或滴入可在高温裂解的有机液体)。
2.炉气成分及主要化学反应
1)常用渗碳剂分解后的组分及作用
试验表明,渗碳剂(除煤油外)与吸热式气氛、氮基气氛在炉内分解后,主要组分都是CO、H2、CH4、CO2、H2O、O2、N2。煤油是混合物,在925℃裂解后的炉气成分中,除上述组分外,还含有CnH2n+2(绝大部分是甲烷)、CnH2n,这些组分按其在渗碳时所起的作用可分为以下几种情况。
(1)渗碳组分:烷类碳氢化合物CnH2n+2(如甲烷、乙烷、丙烷等,其中甲烷占绝大部分)、烯类碳氢化合物和一氧化碳是渗碳组分。渗碳时,它们分别按下列反应析出活性碳原子:
烷类碳氢化合物的反应为 CnH2n+2n[C]+(n+1)H2
烯类碳氢化合物的反应为 CnH2nn[C]+nH2
CO反应为
前两个反应是吸热反应,温度越高,析出的活性碳原子越多。烷类碳氢化合物渗碳能力很强,炉气中若含量过高,则析出的活性碳原子过多,易形成炭黑,故炉气中不允许其含量太高(甲烷体积分数通常限制在1.2%以下)。烯类碳氢化合物性质较活泼,在高温下容易发生聚合而形成焦油,进而形成炭黑、结焦,阻碍渗碳过程进行,故其在炉气中含量越少越好(一般体积分数控制在0.5%以下)。CO分解反应是放热反应,温度越高,CO析出的活性碳原子越少,CO是一个弱渗碳组分。
渗碳时,CH4、CO等渗碳组分吸附到工件表面并发生化学反应析出活性碳原子,活性碳原子溶入工件表层并向内部扩散,即形成渗碳层。
(2)脱碳组分:CO2、H2O、O2是脱碳组分,可与渗碳组分CH4、CO等发生以下反应:
CO2+CH42CO+2H2
H2O+CH4CO+3H2
O2+2CO2CO2
使CH4、CO含量迅速下降,导致炉内气氛提供活性碳原子的能力降低,甚至发生脱碳现象,故需严格限制其进入炉内(CO2、H2O体积分数通常控制在0.5%以下)。H2虽也有脱碳作用,但在高温下H2的脱碳作用较弱,且H2含量较高时还有阻碍炭黑形成的作用。通常认为H2主要起稀释、还原作用。
(3)中性组分:N2是中性组分,只起稀释和保护作用。
在滴注渗碳剂种类、压力一定时,影响炉气成分的主要因素如下。
①温度:温度越高,滴注剂分解越充分,分解气氛中CO、H2含量越高,CO2、H2O、CH4、CmHn含量越少;温度越低,则与此相反。
②滴量:其他条件不变时,加大渗碳剂滴量,分解率降低,CH4增多。由于CH4等易形成炭黑,故渗碳时必须对渗碳剂滴量进行严格控制。
③催化剂:加入催化剂可使分解率增大。
2)炉内气体的主要化学反应
如前所述,气体渗碳时,不论采用什么渗碳剂(除煤油外),在渗碳温度下(925℃左右),渗碳炉内气体主要组分都是CO、H2、CH4、CO2、H2O、O2、N2等。炉气的渗碳能力取决于这些组分的综合作用。在炉内发生的化学反应很多(有人统计可达180余种),但与渗碳有关的独立反应只有四个,这四个反应可写成以下形式(也可写成其他形式):
式中 [C]——活性碳原子。
显然,当气氛中CO、CH4增加(如增大渗碳剂滴量)时,将使反应向右进行,分解出更多活性碳原子,炉气的渗碳能力增强;而H2O、CO2、O2增加(如炉子漏气)时,将使反应向左进行,使活性碳原子减少,炉气的渗碳能力减弱甚至引起脱碳。
3.碳势的测量
1)碳势的概念及意义
渗碳应在奥氏体状态下进行,为了控制渗碳层的碳含量,发展了“碳势控制”技术。“碳势”是指与气相平衡的钢中的碳含量。炉气的碳势是表征炉内含碳气氛在一定温度下改变工件表面碳含量能力的参数,通常用低碳碳素钢箔片在含碳气氛中的平衡碳含量来表示。将一片极薄的08钢箔(0.1mm)置于充有渗碳气氛的渗碳炉内,在渗碳温度(<930℃)下保温30~45min,使钢箔均匀渗透(即达到平衡)且无炭黑形成,然后取出并迅速冷至室温,测得的钢箔碳含量就表示该温度下炉内渗碳气氛的碳势(此法实际是一种直接测量碳势的方法)。碳势越高,则该气氛能提供的活性碳原子越多,即渗碳能力越强。在渗碳温度下,若气氛碳势高于碳钢件的碳含量,则可使工件表层被渗碳;反之,则可使其脱碳。例如,碳势为0.9%的渗碳气氛,可使碳的质量分数低于0.9%的碳钢件渗碳(具体渗碳程度还与工件在该温度下的停留时间有关,但最多渗到0.9%)。若工件碳的质量分数高于0.9%,则不但不能对其渗碳,反而会使其表层脱碳(但最多脱到0.9%)。对于合金钢,由于合金元素改变了原子间相互作用力,渗碳后,工件表面的碳含量可能与气氛碳势有所不同,但偏差通常不会太大。
采用称重法计算碳势的公式为
式中 wC——钢箔渗碳后的平衡碳含量,即炉气碳势;
wC0——钢箔原始碳含量;
w1——钢箔渗碳前质量;
w2——钢箔渗碳后质量。
2)碳势测量方法
炉气中上述渗碳、脱碳组分中(CH4、CO2、H2O、O2、CO、H2),每个组分的含量变化,都会引起碳势变化,但当炉气各组分间及气氛与工件间的反应达到平衡时,各组分的含量就确定不变。依据炉气中的反应,有以下四种不同的方法可对碳势进行连续测量。
(1)红外仪法:红外仪法的原理是利用多原子气体对红外线进行选择性吸收,并且选择吸收程度和该气体浓度及气层厚度有关的特点,来测量炉气中某多原子组分(如CO2、CH4)的含量,进而测出碳势。根据对炉气中CO2含量的测量结果,调整富化气或稀释气体的供量,就可调控碳势。红外仪反应速度较快(约40s),碳势测量精度为±0.05%。其缺点是成本高,维护麻烦。
(2)氧探头法:氧探头是20世纪70年代中期首先在美国采用的(20世纪80年代在我国逐渐推广),其测量原理如下:由于O2与CO2、H2O之间存在如下关系,2CO+O2=2CO2,2H2+O22H2O,测出O2含量,就可确定平衡时的CO2、H2O含量,从而确定碳势。氧探头法的优点是直接插入炉内测试,而红外仪和露点仪(见后面第四种方法)都需将炉气抽出后再进行测试,测量精度高为±0.03%,方便,反应速度快(<1s),较红外仪经济。缺点是高温下较脆,怕振动,并且表面沉积炭黑后会引起测量误差。
(3)电阻法:是将细低碳钢丝(或铁镍合金丝,直径0.1mm)作为探头放入炉内,利用其电阻与碳含量关系成正比的特点测量碳势(渗入细铁丝的碳原子越多,其电阻值越大)。这种方法反应速度较快(10~20s),精度为±0.05%,较经济,适于在碳势≤1.15%的条件下测量。缺点是细铁丝被渗到高碳含量时易脆断,怕振动,寿命较短。
(4)露点仪法:露点仪是利用露点与炉气中H2O含量的关系,如图5-7所示,由测得的露点值推出炉气中H2O含量,进而求得碳势。炉气露点越高,表明H2O含量越高,相应碳势则越低。露点仪测量精度较低(±1%),反应速度较慢(约100s),现使用渐少。
红外仪、氧探头和露点仪都是利用某气体组分与碳势的关系推出碳势,因而都属于间接测量法。而电阻法和前述的钢箔法则是直接测量法。
图5-7 气氛露点与含H2O量的关系
4.渗碳件加工工艺路线
渗碳件的加工工艺路线通常为:锻造→正火→机械粗加工、半精加工→渗碳→淬火→低温回火→精磨→装配。因渗碳件淬火后硬度很高,切削加工困难,在渗碳前,切削加工应基本完成,淬火、回火后通常只进行精磨等微量加工。渗碳钢大多是低碳钢或低碳合金钢,故机械加工前多采用正火,以便于加工的进行。有的渗碳钢(如20Cr2N4A等)淬透性极好,空冷即可获得马氏体,使机械加工困难,正火后还需进行高温回火来调整硬度和组织。如零件上某些部位不允许渗碳(以避免渗碳后的淬火使之变硬、变脆),则需对该部位镀铜或刷防渗涂料,防止其渗碳;也可对该部位预留加工余量,待渗碳后、淬火前,切削掉该处的渗碳层(这样,淬火、回火后该处的硬度就较低,而韧性却较好)。
5.气体渗碳工艺参数
1)渗碳温度
气体渗碳温度通常选择900~950℃。这是因为:
(1)该温度下,工件位于奥氏体单相区,奥氏体对碳原子溶解度较大,可使较多的碳原子渗入表层,形成较大的浓度梯度,加快扩散(J=-DdC/dx)。
(2)由扩散系数与温度的关系式D=D0·exp(-Q/RT)可知,提高温度,可使碳原子扩散系数显著增大。在渗碳的三个基本过程中,分解、吸收相对较容易,而扩散则困难得多,如能使原子扩散系数显著增大,则渗碳速度将大大加快。试验表明,渗碳温度每提高55℃,则获得同样渗碳层深度所需时间缩短一半,故应尽量选较高温度渗碳。图5-8为温度对渗层深度和碳质量分数的影响。由图可见,925℃渗碳3h,wC>0.4%的渗层深度只有0.8mm,而1000℃可达1.3mm,并且温度越高,碳含量梯度越平缓。
图5-8 温度对渗层深度和碳质量分数的影响(碳势为0.90%~0.95%,渗碳3h)
(3)大多数钢在此温度渗碳,奥氏体晶粒不会明显长大,且炉子寿命基本不受影响。但若温度过高,将使奥氏体晶粒粗化,工件畸变增大,设备使用寿命缩短。对于薄层渗碳,可取880~900℃,因为较低的温度便于对渗层深度进行控制,同时变形也较小。
2)渗碳时间
渗碳层深度与时间的关系可用下式表示
式中 δ——渗碳层深度,mm;
τ——渗碳时间,h;
k——与温度有关的常数,在875℃、900℃、920℃、930℃时,k分别为0.45、0.54、0.63、0.65。
由图5-9可见,在同一温度下,渗碳层的增厚总是先快后慢。由此可知,在渗碳后期,虽通过延长渗碳时间仍可使渗层增厚,但其增速趋缓,渗碳效率明显下降。
实际生产中,常根据渗碳平均速度来估算渗碳保温大致时间。例如,在井式渗碳炉920℃下用煤油对20CrMnTi钢渗碳,其保温时间可按0.25mm/h来估算。不同介质、碳势、炉型、温度、装炉量下的准确渗碳时间,应通过工艺试验来确定。
应当指出,以上介绍的关于渗碳温度和时间参数的选择,对固体、液体渗碳也适用。
3)渗碳剂流量
实践表明,在渗碳不同阶段,所需渗碳剂流量不同。这主要是由于在渗碳不同阶段,工件对碳原子的吸收能力不同。如图5-10所示,在渗碳初期,工件表面对碳原子的吸收能力较大,此后,表面对碳的吸收能力下降。如果这时仍采用初期的流量,则会在表面堆积大量活性碳原子,产生大量炭黑而阻碍渗碳的正常进行,同时也造成浪费,故渗碳剂的流量应随时间延长相应减少。
图5-9 渗碳时间和温度对渗碳层深度的影响
图5-10 单位面积上吸碳能力与渗碳时间的关系
渗碳剂的流量,一般需考虑以下几方面因素。
(1)装炉量大小:渗剂流量与零件总的有效渗碳面积有关,渗碳面积越大,渗剂的流量应越大。
(2)碳势:要求的碳势越高,渗碳剂的流量应越大。
(3)渗碳罐及工装的状况:新的炉罐、工装,碳含量往往很低,渗碳时会吸收大量的碳原子。初次使用时应进行预渗碳,以免在渗碳过程中影响炉内碳势。
(4)炉罐的容积:容积增大,渗碳剂的流量要相应增大。
(5)渗碳剂的种类:产气量大、活性强的渗碳剂,所需流量较小;反之则较大。
此外,渗剂的流量还与钢种、渗碳工艺等因素有关。生产中应根据具体情况灵活掌握。
4)炉压:通常炉内应维持正压(98~392Pa),以防止空气进入炉内,同时有利于炉内废气的排除。炉压大小,也会影响有机滴液的分解和吸收,增大炉压,有利于反应向气体分子数减少的方向进行。
6.滴注式气体渗碳工艺
1)滴注式分段渗碳法
早期滴注式渗碳过程中,滴量始终不变(此法也称固定碳势渗碳法)。由于工件表层对碳的吸收率是初期大、后期小,如在渗碳后期仍采用大滴量,会造成工件表面沉积炭黑,阻碍表面对碳原子的进一步吸收,并且造成渗剂浪费。目前,固定碳势渗碳法已基本被分段渗碳法(也称变碳势渗碳法)取代。分段渗碳法把渗碳工艺过程分成如图5-11所示的排气、强渗、扩散和降温出炉四个阶段,各阶段采用不同滴量和碳势。滴注式分段渗碳法未采用碳势测控仪器对碳势进行控制,常用滴注渗碳剂为煤油、甲醇+煤油、甲醇+丙酮等,所用设备多为井式炉。
图5-11 分段渗碳工艺曲线
(1)排气阶段:工件入炉时,炉温应超过880℃,否则会因在炉内氧化性组分较多的环境中升温时间太长,造成工件氧化。由于装炉时会引起炉温下降,同时炉内也带进大量空气,因此为避免氧化,装炉后应尽快把氧化性气体排出炉外。生产上在900℃以下常用大滴量甲醇或大滴量甲醇+小滴量煤油排气,待炉温升到900℃以上,改用煤油或增大煤油滴量。因为850℃以下煤油分解率较低,烯类碳氢化合物(乙烯、丙烯)含量较多,容易产生炭黑和结焦。如只用煤油排气,应待炉温升到900℃以上再增大煤油滴量。
排气结束后(也可在装炉后),从试样孔放入中检试样(此试样用于炉前检查渗碳层深度,以确定扩散阶段结束时间)并封好试样孔。当炉温升至渗碳温度后,继续排气30~60min,以使炉内气氛碳势达到要求(CO2和O2小于0.5%),然后转入强渗(强烈渗碳)阶段。
(2)强渗阶段:强渗阶段是指工件在高碳势气氛条件下进行渗碳,使其迅速达到高碳含量的阶段。此阶段在不出现炭黑和网状或大块状碳化物的前提下,尽量采用大滴量煤油,以造成炉内较高碳势,使工件表面的碳含量高于所要求碳含量,从而增大碳含量梯度,提高碳原子的扩散速度。渗碳剂滴量应根据炉型、工件材料和渗碳的总表面积由工艺试验确定,炉压保持为147~196Pa。
强渗阶段的时间主要取决于所要求渗层深度,通常中间试样的渗层深度达到所要求渗层深度的2/3左右时,便可转入扩散阶段(也可按0.15~0.2mm/h估算强渗时间,准确时间由工艺试验确定)
渗碳过程中,通常可借助观察排出废气的火苗,判断炉气气氛:正常火苗呈浅黄色,无黑烟和白亮火束(或火星),火苗长100~200mm,炉压200~300Pa。火苗中存在火星,表明炉内炭黑过多;火苗过长且尖端外缘呈亮白色,表明渗剂供给量过大;火苗过短且呈浅蓝色、有透明感,表明渗碳剂供给量不足或炉罐漏气。一般应每半小时检查一次炉温、渗碳剂滴量及炉压等。
(3)扩散阶段:扩散阶段是指强渗阶段结束后,特意降低气氛碳势使由富碳表层向内扩散的碳含量超过介质传递给表面的碳含量,从而使渗层碳含量梯度趋于平缓的阶段。经强烈渗碳后,工件表面碳含量高于技术规定的碳含量,故在扩散阶段要适当减少渗碳剂滴量,以使工件表面碳含量降低至规定值,并使碳含量梯度趋于平缓,渗层厚度进一步加深(当有效硬化层厚度小于1mm时,也可不设扩散阶段)。图5-12比较了强渗阶段结束时与扩散阶段结束时的碳含量分布曲线。由图可见,增加了扩散阶段,表面碳含量降低,分布曲线变得较平缓。扩散阶段结束时间通常根据试样渗层深度(若有条件还应测一下表面碳含量)确定。
图5-12 强渗阶段结束和扩散阶段结束时碳含量分布曲线
(4)降温和出炉:当渗层深度达到技术要求时,即可结束扩散过程(通常在扩散阶段)结束前约1h取出中检试样,确定扩散阶段结束时间,开始随炉降温(降温及随后的保温过程中,实际仍在发生着扩散)。随炉降温预冷的目的是让渗层析出部分碳化物,减少奥氏体中碳含量,从而减少淬火后残留奥氏体量,并减少脱碳、畸变;析出的碳化物对钢的耐磨性也有好处。在降温及随后的保温过程中,为防止表面脱碳,需继续滴注适量甲醇或煤油,炉压控制在49~98Pa。保温温度和时间由工艺试验确定。保温结束后,根据具体钢种,按工艺要求进行直接淬火或采用其他的冷却方式。渗碳后常用的冷却方式见表5-5。
表5-5 渗碳后常用的冷却方式
滴注式分段渗碳工艺举例。
某汽车后桥主动弧齿锥齿轮,材料20CrMnTi,技术要求为:表面碳的质量分数0.8%~1.05%;渗碳层深度1.2~1.6mm;齿面及直径34mm处硬度58~64HRC,心部、花键处33~48HRC,螺纹处≤38HRC;D1、D2处径向圆跳动≤0.05mm。图5-13是该齿轮在井式炉用煤油进行滴注式分段渗碳的工艺曲线及工件简图。该齿轮的加工路线为:锻造→预备热处理→机械加工→渗碳、淬火及回火→喷丸→精加工→涂油包装。预备热处理采用(960±10)℃正火,正火后硬度156~207HBW。
图5-13 某汽车后桥主动弧齿锥齿轮井式炉滴注式分段渗碳的工艺曲线及工件简图
(a)工艺曲线;(b)工件简图
渗碳前,用汽油对工件进行清洗(或在80~90℃的质量分数为10%的Na2CO3水溶液中保持3~5min),去除工件表面的油污、锈斑,然后对无须渗碳的花键处刷防渗涂料(也可预留加工余量,待渗碳后去除不需渗碳处的渗层)。工件装炉采用专用吊具,垂直均匀放置,以保证炉气良好循环,减少畸变。装炉时放入与齿轮材料批号、热处理状态相同的三个最终检验试样(分上、中、下三个位置放置。最终检验试样用于淬火、回火后金相组织、脱碳程度等的检验)。
排气初期(850~900℃),煤油用小滴量(60~120滴/min),以防形成炭黑,达900℃后增至180滴/min,以加快排气,到温后,继续排气30~45min。排气结束后,放入中检试样,然后关闭试样孔。强渗阶段煤油滴量约为60滴/min,用时约150min,压力为147~245Pa。扩散阶段滴量减为50滴/min,压力保持在49~147Pa。扩散阶段结束时间根据中检试样渗层深度确定,达到要求即可转入降温阶段。为防止脱碳,预冷降温及随后等温时应继续滴入煤油,滴量与扩散阶段基本相同。等温30min后,入油淬火。
由以上可知,滴注式分段渗碳是通过在不同阶段采用不同滴注渗碳剂、滴量及温度的方法来控制渗碳质量的,其滴注渗碳剂、滴量及温度的调整,通常靠人工操作。这种控制方法较为粗糙,渗碳质量不高,但经济、简单、易行,在不具备可控气氛渗碳条件的企业仍在广泛使用。
2)滴注式可控气氛渗碳
可控气氛渗碳利用碳势自动测控装置控制炉气成分,从而控制渗碳质量。与分段式渗碳相比,可控气氛渗碳具有渗碳质量好、质量稳定、渗速较快等优点。
(1)滴注式可控气氛渗碳滴注剂。
滴注式可控气氛渗碳滴注剂主要有如下三种。
①甲醇—乙酸乙酯。用甲醇—乙酸乙酯渗碳时,甲醇形成稀释气,乙酸乙酯形成富化气。二者在渗碳温度下可按下式分解
由于二者分解产物中H2和CO的比例都是2∶1,故渗碳时,无论这两种滴液的相对量如何变化,炉气中CO和H2比例都是恒定的。这样,由前述碳势控制原理,只要测出并控制住CO2、H2O、CH4中任一个的含量(或分压),即可控制炉气成分,从而控制住碳势。利用红外线气体分析仪测出CH4或CO2(或利用露点仪测出H2O)并配备自动调节装置,对两种滴注渗碳剂的滴量进行调控,即可控制炉气的碳势。此滴注渗碳剂的优点是采用单参数碳势控制时,控制较准确。
②甲醇—丙酮。图5-6表示不同滴注渗碳剂与甲醇混合时,对炉气中CO含量的影响。由图可见,以甲醇作为稀释剂时,以乙酸乙酯作为滴注渗碳剂最为理想,即乙酸乙酯滴量变化时,CO的含量基本不变;甲醇与丙酮以适当比例混合,也可达到较好的效果。
甲醇—丙酮的另一优点是:丙酮裂解性能优于乙酸乙酯,而且采用红外仪控制时优于乙酸乙酯。
③甲醇—煤油。煤油渗碳能力强,且价格较便宜,供应方便,但如果单用煤油,由于煤油裂解后产生大量CH4和[C],炉内积炭严重,且炉气成分不稳定,不易控制,单个煤油实际不适于进行可控气氛渗碳。将甲醇与煤油按适当比例混合使用(甲醇裂解产物中的H2O、CO2等可与CH4和[C]等发生氧化反应,使之含量显著减少),则炭黑显著减少。目前,甲醇—煤油滴注渗碳剂在国内中小企业应用仍较多。
用甲醇+煤油作为滴注渗碳剂时,通常甲醇采用大滴量,并在整个渗碳过程中甲醇滴量基本不变;煤油采用小滴量(煤油体积分数一般为15%~30%),且煤油滴量随工件表层吸碳能力的变化而改变。当炉气中成分趋于稳定,CO2含量达到预先设定值时(即碳势达到预定碳势),接通红外仪和自动控制装置即可对炉气碳势进行控制。
甲醇—煤油滴注渗碳剂的主要优点是经济,缺点是炉气中除CO2外,CO、H2O、CH4等的含量不够稳定,甲烷含量也往往较多(体积分数>12%),如只对CO2等进行单参数控制,忽略其他组分的控制,则碳势控制精度较低。
(2)滴注式可控气氛渗碳系统。
在图5-14所示的井式气体渗碳装置碳势控制系统中,由抽气泵抽出的炉气样品,经干燥器、过滤器除去水分和灰尘后,由流量控制器进行流量控制,并导入红外仪。红外仪对炉气中CO2进行连续自动测定,并由记录仪指示、记录。同时,红外仪将测定的炉气中的CO2含量值送往调节器,调节器将此值与工艺设定的CO2含量值比较,得出偏差信号,利用此偏差信号控制电磁阀开启、闭合时间,从而控制碳势。
图5-14 井式气体渗碳装置碳势控制系统示意
1—甲醇;2—煤油;3—电磁阀;4—调节器;5—红外仪;6—记录仪;7—流量计;8—开关;9—标准气瓶(1%CO2);10—取样泵;11—过滤器;12—干燥器;13—冷却器;14—井式渗碳炉
(3)滴注式可控气氛渗碳工艺。
滴注式可控气氛渗碳工艺过程与分段式非可控气氛渗碳类似,即一般也包括排气、强渗、扩散、降温出炉四个阶段。下面通过实例来说明滴注式可控气氛渗碳工艺过程。
某20CrMnTi汽车变速器五速齿轮,采用甲醇—煤油滴注式可控气氛渗碳,渗层深度0.9~1.3mm,设备为RJ-75-9T,图5-15是其工艺曲线。在该工艺中,当炉温低于900℃时,用大滴量甲醇排气(150~180滴/min);炉温大于870℃时旁路滴入煤油(90~120滴/min)以加速排气;大于900℃时,将甲醇滴量减小至60~80滴/min,同时煤油滴量增至120~150滴/min,继续排气并使炉内气氛尽快达到预定碳势。
图5-15 20CrMnTi汽车变速齿轮滴注式可控气氛渗碳工艺曲线
当CO2含量达到预先设定值0.5%(体积分数,后同)时,进入碳势调整期,接通红外仪对煤油滴量进行控制(60~80滴/min)。当CO2调整为0.3%时(碳势相应上升),调整期结束。此后进入碳势自动控制期,红外仪对碳势进行自动调控:当CO2含量高于设定值0.3%时(即碳势偏低),则电磁阀开启,增加煤油滴量,使碳势上升;当低于0.3%(碳势偏高)时,则电磁阀关闭,减少煤油滴量,经过一段渗碳,碳势就会降低,CO2量恢复到0.3%。降温和均温期甲醇滴量减至120~150滴/min,不滴或滴入少量煤油(CO2由0.3%调整为0.8%,碳势相应下降),均温期关闭电磁阀,煤油滴量控制在8~10滴/min,均温结束后,入油淬火冷却。其中,强渗实际在碳势调整后期即已开始,以前意义上的扩散阶段主要发生于降温开始之后。
(4)碳势单参数控制存在的问题。
在碳势控制中,只对一种气体成分的控制,属于单参数控制。对吸热式气氛及某些特定滴注渗碳剂(如甲醇+乙酸乙酯等),在渗碳剂加入量变化时,H2与CO含量基本不变,故只需再控制渗、脱碳组分中的一个,即可控制碳势。但对其他渗碳剂,滴量变化时,CO、H2含量变化较大。这时,如仍按CO、H2基本不变来处理,误差较大(所以单参数渗碳,渗碳剂选择很重要)。此外,由于渗碳时间较短等原因,炉内气氛达不到平衡(在渗碳温度下,一般约需20h才可达到平衡),除CO2外,其他组分含量也存在波动,甲烷含量也往往较多。如只进行单参数控制,碳势控制精度则较低。
图5-16是用甲醇和丙酮作为滴注渗碳剂在920℃渗碳时,炉气中CO2含量与碳势的关系。由图可见,总的趋势是随CO2增多,碳势降低。但二者之间并非一一对应,而是在一个较宽的带内波动,这表明除了CO2,还有其他组分在影响碳势。这时,需测出相应的修正因子对原公式进行修正,并进行多参数控制(即对CO2、CH4、O2等的含量也进行测控),才能对亚平衡状态下的碳势进行精确的测控。
图5-16 滴注式渗碳时CO2含量与碳势的关系
有关热处理工艺学的文章
对渗碳齿轮进行感应淬火,还能够免除局部渗碳时的镀铜或涂覆防渗涂料的工序。齿轮渗碳后感应淬火技术应用实例见表7-28。加热过程通入NH3进行渗氮。利用高频电流感应加热,加速了NH3的分解,加快了吸附过程,形成了大的浓度梯度,可缩短工艺过程4/5~5/6。通过改变加热温度、时间和通入的NH3流量可得到不同的渗层深度和渗层硬度。......
2023-06-29
常用气体渗碳方法及其工艺特点、适用范围表5-18 常用气体渗碳方法及其工艺特点、适用范围(续)常用气体渗碳剂的特性 气体渗碳使用的渗碳剂可分为两大类。图5-3所示为现代化计算机控制的直生式气氛渗碳工艺控制原理图。......
2023-06-29
真空离子渗碳已应用于20CrMnTi、20Cr等钢制齿轮的渗碳生产,效果良好。由表中数据可见,离子渗碳的主要技术指标均优于气体渗碳与常规真空渗碳。表7-46 20CrMnTi钢经不同渗碳方法主要技术指标的对比1.几种材料在不同离子渗碳条件下的渗碳层深度几种材料在不同离子渗碳条件下的渗碳层深度见表7-47。表7-48 不同钢材高温离子渗碳的渗层深度3.齿轮的离子渗碳技术应用实例齿轮的离子渗碳技术应用实例见表7-49表7-49 齿轮的离子渗碳技术应用实例(续)......
2023-06-29
为了改善齿轮齿面和齿根渗碳均匀性,进一步采用了一种“小脉冲强渗+扩散”的模式,一般每一个小脉冲强渗时间为50s左右,脉冲间隔时间为10s左右,渗碳效果很好,如图7-17所示。国内摩托车齿轮利用连续式真空炉渗碳淬火已取得明显效果。......
2023-06-29
目前有部分大、中型齿轮采用固体渗碳工艺。表5-48 常用固体渗碳剂固体渗碳温度的选择 渗碳钢碳含量为0.15%~0.25%,其奥氏体化温度应在900℃以上,固体渗碳温度一般选择在900~950℃。当渗碳温度为930℃,渗层深度在0.8~1.5mm范围内时,出炉时间一般可按平均渗速0.10~0.15mm/h估算,并在预计出炉时间前0.5~1h检查试棒,渗层符合要求后即可出炉,渗碳箱出炉后,可根据情况选择放在空气中冷却到300℃以下,开箱取出齿轮,以防齿轮畸变等。......
2023-06-29
每个渗碳箱的容积不宜过大,以免造成装炉、出炉困难。每层之间都填满一层25~30mm厚的渗碳剂。通常是在出炉前0.5h,从渗碳箱盖上抽出试棒,并直接淬火冷却,然后压断检测渗层深度。渗碳时按要求添加适量的甲烷或丙烷。表2-13 几种渗碳剂分解后的产气量与活性碳生成量(续)渗碳气氛......
2023-06-24
相关推荐