智能型真空滲碳技術(shù)的推廣應(yīng)用

郭春華，孫強(qiáng)

北京華海中誼節(jié)能科技股份有限公司 北京 102600

1 序言

真空滲碳技術(shù)美國于1950年進(jìn)行研究，1960年申請專利，真空滲碳技術(shù)初見端倪。1972年Hayes Co.發(fā)表了這項技術(shù)，促進(jìn)了真空滲碳技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，美國、日本等國競相研制和開發(fā)真空滲碳爐設(shè)備。

目前，大部分滲碳處理采用可控氣氛滲碳技術(shù)，但仍存在其無法克服的弊端。例如，可控氣氛滲碳無法解決表面內(nèi)氧化、高溫滲碳層及深孔或盲孔滲碳等問題，氣體滲碳也難以對不銹鋼、高合金鋼進(jìn)行滲碳等。而真空滲碳時，滲碳件被均勻加熱到滲碳溫度后，才通入滲碳?xì)怏w開始滲碳，并在滲碳過程中采用脈沖滲碳，因此滲碳層深度和表面碳含量都很均勻，滲碳層組織非常優(yōu)異，不存在網(wǎng)狀碳化物和晶間氧化的問題。

自20世紀(jì)以來，低壓滲碳技術(shù)已日趨成熟，其優(yōu)越的工藝性，如無氧化、無炭黑、變形小、效率高、能耗低以及產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點受到越來越多客戶的青睞，華海中誼已為近20家不同產(chǎn)品客戶提供真空滲碳爐配套服務(wù)，并受到客戶的一致好評。

2 華海中誼低壓真空滲碳設(shè)備的特點［1］

1）低壓真空滲碳，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備利用率。這是由于低壓真空滲碳的氣氛非常簡單，強(qiáng)滲期僅需乙炔，擴(kuò)散期僅需氮氣，且壓力非常低，因此使用氣氛的成本顯著降低。另外，由于低壓滲碳設(shè)備和工藝的特點，可進(jìn)行高溫滲碳，因此適當(dāng)提高滲碳溫度，可以大大縮短滲碳時間。

2）由于低壓真空滲碳的控制系統(tǒng)能夠?qū)B碳工藝進(jìn)行精確控制，因此所處理工件有良好的重復(fù)性，且工件變形小，表面光亮，無需滲碳后再進(jìn)行機(jī)械加工。

3）低壓真空滲碳技術(shù)有更大的靈活性，其設(shè)備可以作為獨立設(shè)備，也可以與冷加工連成一條生產(chǎn)線。設(shè)備本身既可以是周期式的，適合小批量、多品種的生產(chǎn)情況，也可以是連續(xù)式的 ，由多個加熱滲碳室、氣淬室、油淬室、進(jìn)出料機(jī)構(gòu)、真空系統(tǒng)及工件自動運(yùn)輸系統(tǒng)等組成，適合大批量生產(chǎn)情況。另外，開爐，停爐非常簡單，每爐開爐只需半小時即可進(jìn)入工作狀態(tài)。

4）低壓真空滲碳采用冷壁真空技術(shù)，無點火裝置，無失火危險，無污染，潔凈，安全，設(shè)備操作簡單，維修容易。

5）北京華海中誼節(jié)能科技股份有限公司的“智能型真空滲碳淬火爐” 2011年獲得熱處理行業(yè)進(jìn)步二等獎；工業(yè)和信息化部2011年第42號公告的節(jié)能機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）推薦目錄（第三批）；國家發(fā)展和改革委員會2013年12月的國家重點節(jié)能技術(shù)（第六批）。智能型真空滲碳淬火爐通過計算機(jī)控制系統(tǒng)使真空滲碳淬火實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。智能型真空滲碳淬火爐計算機(jī)控制系統(tǒng)具有工藝專家系統(tǒng)，可以根據(jù)工件材料特性和工件滲碳要求等初始參數(shù)模擬生成真空滲碳工藝。計算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)工藝文件實現(xiàn)真空滲碳淬火全過程自動控制，包括溫度控制、壓力脈沖控制、滲碳?xì)怏w脈件控制、時間控制、工藝段控制等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，其特點見表1。生產(chǎn)線現(xiàn)場實物如圖1所示，平面布局如圖2所示。

圖1 生產(chǎn)線現(xiàn)場實物

圖2 平面布局

表1 智能型真空滲碳淬火爐特點

3 低壓真空滲碳工藝特點［1］

1）低壓真空滲碳壓力遠(yuǎn)低于大氣壓，常用的壓力是300～2500Pa，以避免炭黑的產(chǎn)生，滲碳速度快，產(chǎn)品表面潔凈。

2）乙炔（C2H2）作為滲碳?xì)怏w，與工件表面接觸時才分解，裂解產(chǎn)生了活性碳原子，滲速快，穿透力強(qiáng)。

3）在低壓真空滲碳中，羥類氣體的裂解是非平衡反應(yīng)，意味著鋼表面很快能達(dá)到奧氏體中的碳飽和水平。通過重復(fù)多個強(qiáng)滲和擴(kuò)散過程，能夠獲得希望得到的碳分布和滲層深度。

4）低壓真空滲碳工藝的控制是基于擴(kuò)散理論的“奧氏體碳含量飽和值控制法”，即整個滲碳過程為脈沖式循環(huán)模式的滲碳原則，由數(shù)個滲碳程序集合組成，每個滲碳程序包括強(qiáng)滲和擴(kuò)散兩個階段。確定每個子滲碳程序的個數(shù)和每個滲碳程序包括強(qiáng)滲期、擴(kuò)散期時間，需要依據(jù)材料的成分、滲層深度和表面碳濃度的要求，在建立確定的數(shù)學(xué)模型后，利用計算機(jī)計算出來。

4 真空滲碳爐成功方案分享

筆者公司提供給中國臺灣一客戶的真空滲碳爐工藝過程規(guī)范實例。

1）技術(shù)要求：材料20CrMoH，脈沖式滲碳，滲層深度0.8mm，硬度58～62HRC。

2）設(shè)計工藝過程：前清洗→真空滲碳→油淬→清洗→深冷處理→回火。

3）可行性工藝方案：（920±5）℃滲碳，生產(chǎn)線總工藝時間約380min，其中滲碳淬火時間約240min，并最終達(dá)到技術(shù)要求。各工藝具體時間分布見表2。

真空滲碳采用脈沖式，即“強(qiáng)滲→擴(kuò)散→強(qiáng)滲→擴(kuò)散…”的循環(huán)模式，由10～12個脈沖完成。部分產(chǎn)品真空滲碳參考裝料方式如圖3所示，工藝曲線如圖4所示，脈沖式滲碳介質(zhì)流量如圖5所示。

5 智能控制系統(tǒng)

采用筆者公司自行研發(fā)的工藝控制軟件，實現(xiàn)了精確控制，保質(zhì)、保量達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，現(xiàn)場滲碳狀況和工藝控制過程如圖6所示。

圖3 參考裝料方式

圖4 真空滲碳工藝曲線

圖5 脈沖式滲碳介質(zhì)流量

圖6 現(xiàn)場滲碳狀況和工藝控制過程

表2 真空滲碳爐工藝過程規(guī)范實例 （min）

6 熱處理后質(zhì)量檢驗

熱處理中產(chǎn)品狀態(tài)如圖7a所示，熱處理后產(chǎn)品隨機(jī)取樣如圖7b所示，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕形貌如圖7c所示，按GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》金相檢驗如圖8所示，從零件表面到維氏硬度550HV0.3處的垂直距離作為硬化層深度，其檢測結(jié)果見表3［2］。

從圖8和表3中可看出，材料為20C r M o H的滑塊滲碳層均勻，無晶界氧化，滲碳層深度均在0.75～0.81mm，表層硬度在距表面0.70mm處均＞570HV0.3，經(jīng)檢驗心部硬度均滿足技術(shù)要求。從上面生產(chǎn)實踐再次證明華海中誼VCOQ2-150真空滲碳油淬氣冷爐體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢：

1）解決了工件晶界出現(xiàn)氧化層的難題，提高了滲碳件質(zhì)量。

2）真空低壓滲碳爐控制簡便，節(jié)省成本，環(huán)保，工藝再現(xiàn)性好，可以實現(xiàn)表面碳含量均勻性（wC≤±0.05%），滲碳層深度偏差≤±0.05mm的高質(zhì)量技術(shù)要求。

3）真空低壓滲碳爐起動快、周期短，在工藝運(yùn)行中只需要控制滲碳?xì)怏w的壓力和流量，大大提高了工藝控制過程效率。通過適當(dāng)提高滲碳溫度，可大幅縮短滲碳時間。

表3 產(chǎn)品樣件滲層深度檢測結(jié)果

圖7 熱處理過程質(zhì)量檢驗

圖8 20CrMoH鋼真空滲碳產(chǎn)品樣件顯微組織

7 真空滲碳與可控氣氛滲碳對比［3］

低壓真空滲碳爐在運(yùn)行成本方面有著很強(qiáng)大的優(yōu)勢：加熱時間短、抽真空快速、滲碳?xì)怏w使用量少、淬火效率高、更長的使用壽命和更低的保養(yǎng)成本，正是由于有著這樣的優(yōu)點，使得真空滲碳爐設(shè)備在市場上具有較大的競爭優(yōu)勢。該設(shè)備集真空滲碳和真空淬火于一體，僅一臺設(shè)備就可實現(xiàn)客戶的多種工藝要求，深得客戶的青睞。華海中誼低壓真空滲碳與普通可控氣體滲碳比較見表4。

表4 低壓真空滲碳與普通氣體滲碳比較

（續(xù)）

8 結(jié)束語

低壓真空滲碳作為一全新且成熟的滲碳技術(shù)，在歐洲、美國、日本等地已經(jīng)在汽車、機(jī)械 、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，呈現(xiàn)出逐漸替代可控氣氛滲碳的趨勢。尤其是在一些特定領(lǐng)域，更顯示出其卓越的性能，如盲孔類零件的長型噴油嘴針閥體、銷軸類零件的薄層滲碳、要求無內(nèi)氧化滲碳、高合金鋼和不銹鋼滲碳等，這些工件用一般的可控氣氛滲碳是比較困難的，而真空滲碳卻可輕易地就能解決。低壓真空滲碳爐在運(yùn)行成本方面有著很強(qiáng)大的優(yōu)勢，使得真空滲碳設(shè)備在市場上具有較大的競爭力。隨著低壓真空滲碳工藝和真空滲碳爐制造技術(shù)的進(jìn)一步提高，真空滲碳的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩酵茝V。