PDF《可实现 气氛控制的真空 渗碳 渗氮炉》

: :舍:舍::全:全:::~设备 ~ 可实现气氛控制的真空渗碳渗氮炉 韩伯 群(江苏丰 东热技术股份有 限公 司,江苏 大丰

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0 0 ) 摘要:一种可实现 气氛控制的真空渗碳或渗氮炉, 采用热传导探 头和氧探 头双探 头控制 法进行气氛碳势 或氮势的闭环控制.

当工件形状与装炉量发 生变化 时, 能 自动调节原料 气的供给量, 从 而提 高 了渗 碳 的均匀性, 并有效消除积炭 , 工艺稳定性和再现性好.这种炉子可广泛用于高温渗碳、 低温渗碳 、 高浓度渗碳、 碳氮共渗、 氮碳共渗、 渗氮等表 面改性处理. 关键词: 气氛控制;

渗碳 ;

渗氮;

热传导探 头;

氧探头 中图分类号: T G

1 5

5 .

7 文献标识码 : A 文章编号 :

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0 8 .

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9 0 (

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0 5 ―

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7 1 .

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5 Va c u um Fur na c e f o r Ca r b ur i z i n g o r Ni t r i di n g wi t h Co n t r o l l e d At m o s ph e r e HAN Bo ― q u n ( J i a n s u F e n g d o n g T h e r ma l T e c h n o l o g y C o . ,L t d . , D a f e n g

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0 0 , J i a n g s u ) Abs t r ac t : A v a c u u m f ur n a c e f o r c a r b ur i z i ng o r n i t r i d i n g c a n a c h i e v e c l o s e d ― l o o p c o n t r o l o f t he c a r b o n p o l e n t i a l o r t he n i ~o g e n p o t e n t i a l o f a t ma s p he r e i n v i r t ue o f b o t h t he r ma l c o n d uc t p r o b e a n d o x y g e n pr o b e . S o f a r a s t h e s a i d f u r n a c e i s c o n c e r n e d , t h e u n s t r i p p e d g a s s u p p l y w i l l b e a u t o m a t i c a l l y a d j u s t e d w i t h t h e v a r i a t i o n i n s h a p e o r b a t c h o f p a ns t o b e p r o c e s s e d.Co n s e q u e n h y,p a r ts c a n b e c a r b u r i z e d mo r e u n i f o r m l y,s o o t c a n b e e f f e c t i v e l y e l e mi n a t e d a n d b e t t e r s t a b i l i t y a nd r e pe a t a b i l i t y o f c a r b u r i z i ng p r o c e s s c a n be o b t a i n e d . S u c h f u r na c e c a n b e wi de l y a p p l i e d t o hi g h o r l o w t e mp e r a t ur e c a r b u r i z i n g,hi g h c o n c e n t r a t i o n e a r bu r i z i n g,c a r b o n i t r i d i n g,n i t r i d i ng,n i t r o c a r b u r i z i n g a n d o t h e r s u i ~ a c e mo di f iy i ng s . Ke y wo r d s : a t mo s p h e r e c o n t r o l ;

c a r b u r i z i n g ;

n i t r i d i n g ;

t h e r ma l c o n d u c t p r o b e;

o x y g e n p r o b e 目前 , 在汽车行业 , 渗碳是使用最为广泛的的表 面硬化工艺方法.渗碳时, 可利用 氧探头对炉 内气 氛进行分析, 使气氛得到稳定控制 , 并获得较好的再 现性.但是 , 常规 的气体渗碳要消耗大量的原料气 , 而且废气燃烧生成 的CO基本上直接排放 到大气 中, 造成环境污染 ;

在热处理 品质方面 , 易发生工件 渗层的晶界氧化 , 产生不完全淬火组织 , 恶化工件 的 疲劳强度 ;

另外 , 由于渗碳速度慢 , 工艺周期长 , 导致 生产效率低下.而现在通 常的真 空渗碳法 , 仅仅是 对温度和时间进行控制 , 依赖于经 验和感觉进行工 艺设定 , 当工件的表面积 、 形状 、 炉子密封状况 、 炉内工件的氧化状态等发生变化 时, 不能 自动进行相应 的控制调整 , 易导致渗碳不均匀或者产生积炭 , 无法 真正替代常规的渗碳处理 . 江苏丰东热技术有限公司成功引进 了 日本东方 工程株式会社的气氛控制真空渗碳技术 , 采用专利 氧探头和热传导探头进行气氛分析, 能够获得稳定 的气氛控制效果 , 具有良好 的再现性 , 可以进行渗 碳、碳氮共渗 、 渗氮 、 氮碳共渗等表面改性处理.除 了低碳钢以外 , 对于不锈钢 、 钛合金 、 工具钢等钢种 同样 适用 .

1 气氛控 制真 空渗碳或渗氮炉概 要 本系列真空渗碳或渗氮炉 , 按处理能力 ( 毛重 , 含料盘和工装 ) 可分为

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0 k g 、

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0 k g 、

6 0

0 k g 、

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0 0 k g几种炉型.图 1是 目前正在使用的 V C Q -

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0 0型 周期式气氛控制真空渗碳或渗氮炉概略图.设备的 基本规格为: 最大处理量

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0 0 k g ( 毛重 ) ;

有效尺寸

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0 m m( w)*8

0 0 mm( H)*1

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0 r a m( L ) . 收稿 日期 :

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1 6 作者简介 : 韩伯群 (

1 9

6 9 . ) , 男, 江苏大丰人 , 高级 工程 师.联 系电话 :

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3 E― ma i l :h a n. b o q u n@ Fe n g d o n g . c o m 《 热处理》

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0 9年第

2 4卷第5期 油稽 图1控制气氛真空渗碳炉简 图Fi g .1 Va c u um f r u na c e f o r c a r bu r i z i n g wi t h c o nt r o l l e d a t mo s p he r e 设备 的最大特点是装备了 2种气氛探头( 热传 导探头和氧探头) .从 炉子构造上 , 可分为进行 渗碳( 渗氮) 的加热室和进行冷却 ( 气冷和油冷 ) 的前 室,在加热 室装 备有 C F C复合碳 毡材质 的搅拌风 扇,既适用于真空加热也适用于对流加热 , 使升降温 以及 均温过 程 中的炉 温 均匀 性 能得 到有效保 证,同一批次工件的温差很小.

2 气氛控制技 术 在真空渗碳渗氮炉内, 安装了 2个气氛探头 , 用 于减压状态下气氛的分析与控制 . 其一是氧探头 , 能耐真空状态, 而且采用了专用 电极材料 , 不受气体 碳氢化合物触媒作用 的影 响. 这种氧探头 , 能够有效检测炉子 的漏气状态和积炭 状态 .图2表示 检测示 意图. 烷气体 添加时 / r ai n 图2 丁烷气体 添加 时间与氧探头值的关系 F i g .

2 Ox y g e n pr o b e r e a d i ng a s a f un c t i o n o f d u r a t i o n o f f e e d i ng b ut a n 另一个探头是热传导探头 , 它能够利用标准气 体和测定气体的热传导系数 的不同 , 敏感地测量出 炉内的气氛组成.当测量气体接触到预先加热的铂 金线圈时 , 由于测定气体的热传导作用, 将会吸收铂 金线圈的热量 , 使之温度发生变化.这种变化与测 定气体的浓度几乎成 比例关 系, 利用惠斯登 电桥电 路的偏差电压就可 以计算 出铂金线 圈的温度 变化 ( 阻抗值变化) .图 3表示热传导探头的原理图_

2 J . 指不饲图3热传导探头原理 图Fi g .

3 Ope r a t i n g p r inc i p l e o f t he r ma l c o n d uc t p r o b e 图4表示各种气体的的热传导率 , 从图中可以看 出H的热传导率最高.真空渗碳时 , 使用碳氢气体 ( C

2 H 、 C

3 H 、 C

4 H . 等) 作为原料气 , 会分解出大量的 H ;

而在渗氮时, 氨气也会分解产生大量的 H , 这样 热传导探头就能够敏感地测量出 H : 的含量. ,

7 .

2 2 l I j nq n

1 1

3 1

3 nq R nq

1 1 三§n7 7nRn,-_ 一_-一 - -一__一 r / H2 NH3空气 N2 C O CH

4 C2 H2 C: H4 C3 H4 图4各类气体的热传导 率Fig.4Thermo e o n d u c t i v i t y o f s e v e r a l g a s e s 图 5表示 C H : 气体流量以及工件表面积变化 对热传导探头数值的影响的实际记录曲线.通过热 传导探头, 可以非常明确地反映出由于气体流量的 变化而导致的炉 内气体组成的变化.同样 , 工件表 面积的变化引起的炉 内气氛变化 , 也可以得到准确 的反映.因此, 利用热传导探头能够根据不 同几何 形状的工件的表面积, 随时调整碳氢气体的滴注量 . 采用这种专用热传导探头进行控制 , 真空渗碳 ( 渗氮) 的最大难题即工件形状与装炉量不 同而造成渗 碳( 渗氮) 件品质发生差异 , 就得到了有效解决. 《 热处理》

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0 9年第

2 4卷第5期

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i}l12ll】098768765432(a)(b1图5压力一定的情况下 C

2 H 气体流量及 工件 表面积对热传导探头值 的影 响( 渗碳温度

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0 o C, 压力1067Pa)(a)空炉 ( 表面积小 ) ;

( b )实炉 ( 表面积大 ) F i g .

5 E f f e c t o f a c e t y l e n e f l o w a n d p a r t s u r f a c e a r e a o n t h e r ma l c o n d u c t p r o b e r e a d i n g wh i l e c a r b u r i z i n g a t

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0 ℃ a n d c o n s t a n t p r e s s u r e o f

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6 7 P a ( a )n o ― l o a d e d ;

( b )l o a d e d 图 6表示工件表面积与热传导探头值的关 系. 图 7进一步说明热传导探头值与工件表面碳浓度的 关系, 在渗碳阶段 , 就可以实现对气氛 c ( 碳势 ) 的 闭环控制. 工件表面积/ m 图6热传导探头值与工件表面积的关 系Fi g

6 The r m a l c o n du c t p r o b e r e a d i n g a s a f un c t i o n o f p a r t s u r fa c e a r e a 一莲旧世H热传导探头值/ a . U . 图7工件表面碳浓度与热传导探头值 的关系 Fi g.

7 Ca r bo n c o n c e n t r a t i on i n p a r t c a s e a s a f un c t i o n o f t h e r m a l c o n d u c t p r o b e r e a d i n g 综上所述 , 利用热传导探头能够根据真空渗碳 炉 内工件的表面积 , 随时确定碳氢气体滴 注剂 的供 给量 , 从渗碳阶段开始 , 可 以实现对 C 的精密 闭环 控制 , 取得 良好 的渗碳质量的稳定性和再珊j 生.

3 高温渗碳 最近 , 以缩短渗碳 时间为 目的的高温渗碳受到 普遍关注 , 特别是在

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5 0 o C高温下的渗碳意义重 大.图 8表示 S C M

4 1 5钢采用 C H 作为渗碳剂 、 经1050oC*

4 5 r ai n真空渗碳气冷 +8

5 0 o C二次淬火 处理后的硬度分布图, 有效 硬化层深度为

0 .

8 1 m m ( 至550HV) .而通常的在

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0 o C的气体渗碳 , 要达 到同样深度的渗层 , 需要

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5 m i n.而且采用气冷 +二次淬火工艺可 以得到更细的组织 . >

离表面即离/ r a m 图8SCM

4 1 5钢1050℃高温渗碳后的渗层硬度分布 Fi g .

8 Ha r d ne s s pr o f i l e i n c a s o f SCM41

5 s t e e l p a r t c a b u r i z e d a t

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5 0 ℃ 另外 , 本真空渗碳或渗氮设备 , 能实现二次淬火 《 热处理》

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0 9年第

2 4卷第5期 '

7 3 . 动作的全 自动操作:

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5 0 c 【 = 真空渗碳完成后 , 工件 自动转移到前室进行气冷 , 到达设定时间后 , 再次 自 动送入加热室进行

8 5 0℃保温, 然后转移到前室油 淬.进一步提高了生产效率 , 节约能源 , 而且避免了 通常的淬火前的用 N , 强制降温对加热室部件的损 伤, 延长了设备的使用寿命.

4 高浓度渗碳 ( C D渗碳 ) 在汽车行业 , 以部件的小型化轻量化及 高强度 为 目的, 高浓度 渗碳法 ( C D渗碳 ) 被广泛地 采用. 与以往采用高级钢

2 %C以上 的高浓度渗碳不 同, 主要采用常规的 S C M低碳钢, 采用

1 .

4 % ~

2 .

0 %的 碳势进行高浓度渗碳或碳氮共渗.图 9表示汽车传 动齿轮经高浓度渗碳处理后的断面组织 ( S C M

4 2

0 钢, 模数

2 .

5 , 处理件毛重

5 3

0 k g ) . 图9SCM4

2 O钢经 CD渗碳后 的渗层组织 Fi g .

9 M i c r o s t m e t u r e i n c a s e o f SCM42

0 s t e e l p a r t a f t e r CD c a r b ur i z i n g

5 低温渗碳 常规的气体渗碳 , 在升温阶段以及均热过程 中 就已经开始先期渗入.而真空渗碳则不 同,........