熱處理技術(shù)進(jìn)展

綜述熱處理技術(shù)進(jìn)展樊東黎(中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì )北京100101 )摘要隨著(zhù)機械產(chǎn)品市場(chǎng)的激烈競爭熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展神速。美國2020年熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖的制定和實(shí)施更加速了這個(gè)進(jìn)程。作者從工藝設備、材料、傳感器、模型和軟件工具等5個(gè)方面論述了熱處理新技術(shù)發(fā)展近況，以引起國內熱處理工作者的注意促進(jìn)我國熱處理行業(yè)十一. 五” 規劃的實(shí)現加速我國熱處理生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。關(guān)鍵詞熱處理新技術(shù)進(jìn)展中圖分類(lèi)號:T-19 TG15文獻標識碼A文章編號0254-6051( 2007 )04-0001-14Progress of Heat Treatment Technologies .FAN Dong-li ( China Heat Treatment Association ,Beijing 100101 ,China )Abstract :Along with the sharp competition in machinery market ,the practical technology of heat treatment is developingvigorously. . The formulation and implementation of" US Heat Treating Technology Roadmap" accelerates this process. Theauthor describes a recent development status of heat treatment new technologies from processes ,equipments ,materials ,sensors moulds and software tools etc. five fields in order to bring to our heat treaters attention and promote to realize11”“five years plan" of our heat treating community and accelerate progress of our heat treating production technologies.Key words heat treatment ;new technology iprogress1新工藝作開(kāi)發(fā)已商品化的Atmoplas滲碳技術(shù),該技術(shù)還可以1.1微波滲碳控制殘留奧氏體量和獲得細晶粒組織。用AISI8620美國Dana Corp公司( Toledo ,Ohio )于2004年宣鋼(相當于20CrNiMo鋼)齒輪進(jìn)行的滲碳試驗表明，告開(kāi)創(chuàng )了Atmoplas 微波大氣等離子技術(shù)其特點(diǎn)是在A(yíng)tmoplas滲碳的周期和滲層深度都比真空滲碳的效果大氣壓下可以引發(fā)和保持氣體的等離子狀態(tài)。等離子好(見(jiàn)表1)。體是一種被部分電離的氣體,它的最大特點(diǎn)在于對微Atmoplas滲碳工藝出奇地簡(jiǎn)單。把工件裝入加工波的高吸收率(可吸收其能量的95% )和迅速達到很室的空腔中,往其中通入氬氣,用特殊方法激發(fā)等離.高的溫度。等離子體一旦被引發(fā)并在大氣壓力下保子溫度迅速升高。當工件溫度達到930 C時(shí)往加工持就可以用Dana專(zhuān)有技術(shù)在數秒鐘內使等離子溫度室的空腔中通入乙炔氣體。調節微波功率把溫度保持達到1200 C。將其用于熱處理與常規工藝相比可大在固定水準。工件經(jīng)規定時(shí)間處理后施行淬火和回大縮短達到高溫的時(shí)間,可以通過(guò)適當放置工件來(lái)控火。乙炔在等離子體內易裂解,Atmoplas滲碳時(shí)用乙制等離子體厚度并由用戶(hù)來(lái)策劃熱流。炔作為供碳源。調整乙炔量、微波能量和維持等離子采用Atmoplas技術(shù)可使熱處理工藝實(shí)現更精確體的容器尺寸可使在-定體積內的沉積碳量得到精確地控制加熱和達到更高溫度,從而縮短工藝周期和減控制。把滲碳溫度提高到980 C可進(jìn)一步加速滲碳。少能耗。用于鋼的滲碳時(shí),工件表面硬度、表面碳濃該工藝的另一優(yōu)點(diǎn)是熱量約束在被加工工件周?chē)?系度、滲碳均勻度、殘留奧氏體量、顯微組織的一致性都統內無(wú)需使用需要高度維護的加熱元件。Atmoplas 滲和傳統工藝相同或超過(guò)其相應的力學(xué)性能(見(jiàn)圖1 )。碳工藝具有高度的靈活性(柔性)和可控性。Dana及其合作伙伴致力于開(kāi)發(fā)微波大氣等離子加熱1.2 離子束表面改性技術(shù)的多項可投入實(shí)際應用的項目其中之一就是和用脈沖離子束表面熱處理可以提高大面積零件或德國ALD Vacuum Technologies GmbH(漢諾威)公司合大批量小零件的表面性能。離子束表面熱處理是法國Sandia National Laboratories ,Albuquerque N. M.的專(zhuān)利作者簡(jiǎn)介樊東黎( 1934. 04- - )男,山西定襄人教授級高工,技術(shù)被中國煤化工其實(shí)質(zhì)是以高速脈動(dòng)中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì )前副理事長(cháng),中國熱處理學(xué)會(huì )榮譽(yù)理事離子束CN M H a層幾個(gè)微米厚度內實(shí)長(cháng)北京機械工程學(xué)會(huì )熱處理分會(huì )榮譽(yù)理事長(cháng)，全國熱處理標現快速熔化札凝固,以提局具村磨性和耐腐蝕能力,改準化技術(shù)委員會(huì )顧問(wèn),本刊編委會(huì )副主任委員。聯(lián)系電話(huà):善金屬制件表面狀態(tài)和外觀(guān)提高表面純潔度、均勻性010-629 13079和整體連續性。其優(yōu)點(diǎn)是不改變金屬表面化學(xué)成分，收稿日期2006-12-20《金屬熱處理》2007年第32卷第4期滲層/mm0300.60_ 090121.50.180e005 0.30 0.60 090 120 1.50 180660580一的女。一齒齒項面足60只500剛420的42.0--節圓面思34.034.0-節線(xiàn)260向)滲層in滲層/in圖1 AISI 8620鋼齒輪普通氣體滲碳( 930 C x272 min )結果( a )和Atmoplas滲碳212 min )結果( b )的比較Fig.1 Comparison of case depth and uniformity and hardness profile of AISI 8620 steel gear for conventional gas-carburizedwith a total carburizing time of 272 min( a ) and Atmoplas microwave carburized gear with a total carburizing time of 212 min( b)表1 AISI 8620鋼滲碳結果比較Table 1 Characteristics of carburizing methods for processing AISI 8620 alloy steel工藝傳統氣體滲碳真空滲碳.Atmoplas 滲碳總滲碳時(shí)間142min強滲+110min擴散+20min降溫滲碳段時(shí)間205 min112min強滲+80min擴散+20min降溫有效滲層深度~0.9 mm~1.14 mm顯微組織(殘留奧氏體和延伸深度)尖角顯微組織15vol% ~ 30vol% ,~0. 319 mm10vol% ~ 15vol% ,~0. 172 mm5vol% ~ 20vol% ,~0. 172mm .齒面顯微組織10vol% ~ 20vol% ,~0. 119mm5vol% ~ 15vol% ,~0. 243 mm5vol% ~ 20vol% ,~0. 148 mmASTM E112- -1996 晶粒等級比較法)滲層8~10( 22.5-11.2 μm )8-9(22. 5-15.9 μm)10-12(11.2-5.6μm)心部.8~9( 22.5~15.9 μm)9~10( 15.9~11.2 μm )10~12( 11.2~5.6 μm)尺寸無(wú)明顯變化,不需化學(xué)用劑,也不會(huì )產(chǎn)生有害氣CrWMn )I具鋼表面用2%硝酸酒精腐蝕未出現任何體。與光源系統比較快速脈動(dòng)離子束技術(shù)在進(jìn)入工組織特征用電子顯微鏡觀(guān)察到鋼的強化層內有< 100件表面能量耦合特點(diǎn)上具有以下優(yōu)點(diǎn):①能量在一定nm的等軸晶粒硬度為900HK銷(xiāo)釘圓盤(pán)磨耗的耐磨深度快速集聚形成陡峭熱陣,使 此層熔化后,隨之快性提高200% AISI H13鋼切邊模壽命提高10倍AISI速冷卻②從電源(插頭)到金屬表面的能量轉換率為M2( W6Mo5Cr4V2高速鋼)切刀壽命明顯增加硬質(zhì)合10%③與金屬表面的光學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)進(jìn)入金屬表面的金軋輥和鉆探鉆頭壽命提高500%。能量耦合率是100%。脈沖周期小于1 μs，采用任何1.3 強烈淬火技術(shù)氣體的平均功率都在1~10kW,而離子能量范圍為烏克蘭科學(xué)院工程熱物理研究所的H. H.柯巴斯0.1~1MeV。在102Pa的真空室內即可實(shí)現有效的科院士在1992年研發(fā)出- -種鋼的淬火新技術(shù)雖然冷離子束傳輸每個(gè)脈沖的離子數約在10'2 ~ 10"*/cm2。速極大_但可避免鋼件開(kāi)裂,減少畸變顯著(zhù)提高鋼材進(jìn)入工件表面的熱能迅速逸散到整個(gè)工件造成工件力學(xué)性中國煤化工。的溫度上升可忽略不計,因而工件熱畸變很小。例如強| YHC N M H G以Intensi-Quench服務(wù)在小于1μs內可使3μum表面層熔化,在20μs內工商標注冊了IQ Technologies Inc. ,Akron. Ohio公司。件整體的溫升不超過(guò)100 C。近幾年進(jìn)行了數百次強烈淬火技術(shù)的可行性試驗這經(jīng)離子束表面改性處理后,AISI 01(相當于些試驗是在美國能源部的資助下,由愛(ài)迪生材料技術(shù)《金屬熱處理》2007年第32卷第4期中心組織數家私人企業(yè)參加。AFC-Holeroft ,Wixom ,內部實(shí)現均勻滲碳此技術(shù)被命名和注冊為AvaC。Mich.公司于2002年設計建造了42 m3容積的IQ淬火低壓滲碳就是真空滲碳( low-pressure-carburi-槽安裝在Euclid Heat Treating Co. ,Cleveland。 強烈zing)經(jīng)常被縮寫(xiě)為L(cháng)PC ,在工業(yè)中應用已有近30年淬火技術(shù)已列入美國熱處理2020年技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖歷史但滲碳一直多用丙烷。用丙烷滲碳的問(wèn)題在于( Roadmap )的重點(diǎn)推廣項目中。600 C以上丙烷裂解為C、H和CH甚至不需要任何在強烈淬火條件下,馬氏體轉變區的冷速大于催化劑造成在熱的爐膛內圍繞爐料空間形成炭黑而30 °C/s時(shí)鋼件表面層過(guò)冷奧氏體受到1200 MPa的在爐內殼壁和真空泵管路中沉積焦油。采用丙烷脈沖壓應力使淬火鋼的屈服強度至少提高25%。根據供氣和用噴嘴提高丙烷供氣速度只能稍微改善其供氣淬火過(guò)程的非穩態(tài)熱傳導和相變熱過(guò)程數學(xué)模型以的均勻性而不能徹底解決問(wèn)題。甲烷在低壓下極難及在合理邊界條件下的彈塑性變形規律,用有限元分解(見(jiàn)圖2 )故低壓滲碳時(shí)很少用甲烷，僅在低壓離法計算的結果是鋼件表層的殘余拉應力隨冷速的增子滲碳時(shí)情況才有改善。加逐步達到極大值然后迅速降低,直到轉化為壓應50t力。此時(shí)產(chǎn)生淬火裂紋的幾率極小零件的畸變也隨之減小。ξ 100在馬氏體轉變范圍( Ms-→Mf )內的強烈冷卻可改善材料塑性提高材料強度。強烈淬火后的零件在交相變載荷下的使用壽命幾乎能提高一個(gè)數量級。Y7A(T7A)鋼經(jīng)冷速大于30C/s的強烈淬火后屈服強度可提高25% 60C2( 60Si2 )鋼提高28%。這些鋼的油淬試樣是脆性斷口,而強烈淬火試樣是韌性斷口。圖216MnCr5 鋼在1000 C、1000 Pa氣氛中經(jīng)10 min低壓滲碳后的碳通量1.4磨削加熱淬火Fig. 2 Carbon flux values after low pressure carburizing of德國《淬火技術(shù)通訊》( Harterei-Technik Mitteilun-16MnGr5 steel with various hydrocarbon gases forgen ,Mar-Apr. 1999 )發(fā)表了有關(guān)磨削淬火技術(shù)開(kāi)發(fā)的10 minat 1000 °C( 1000 Pa)文章。這是戴姆勒-克萊斯勒空間技術(shù)中心和不來(lái)梅為了證明乙炔低壓滲碳在盲孔中的均勻性,使用材料技術(shù)研究所合作研究的成果。鋼件在一定規范下了如圖3a所示的16MnCr5鋼帶盲孔試樣在乙炔、丙磨削靠磨削把鋼件表面加熱到適當溫度然后靠其余烷和乙烯氣氛中于900C滲10min后淬火沿試樣盲未加熱部分的熱傳導冷卻使表面金屬變成馬氏體而得孔深度的硬度分布見(jiàn)圖3b。由此可看出,乙炔低壓滲到強化。此技術(shù)有可能代替感應和激光淬火有可能碳的絕對優(yōu)勢。把一項整體熱處理過(guò)程轉化為加工生產(chǎn)線(xiàn)上的一道工00_序節能效果也非常明顯?？上驳氖莿⒕諙|、王貴成等人也在從事類(lèi)似的研究他們以平面磨削淬硬試驗為a)629基礎研究了在不同砂輪特性條件下40Cr鋼磨削淬900硬層的組織和性能。其結論是在磨削淬硬加工中的800CH熱、力耦合作用下砂輪特性對磨削淬硬層的馬氏體組7002器織形貌和高硬度區的硬度值沒(méi)有明顯影響;:隨著(zhù)砂輪的600t= 10minc.HAEH,粒度或砂輪硬度的提高磨削淬硬層深度相應增加;與500樹(shù)脂粘合劑砂輪比較用陶瓷粘合劑砂輪可使淬硬層400深度增加近40%。期待著(zhù)這種技術(shù)在工業(yè)中的實(shí)際30020340050060089100應用。.沿盲孔深度/mm1.5乙炔低壓滲碳圖3中國煤化工(a)和經(jīng)900cx10min.Ipsen公司于20世紀中期開(kāi)發(fā)出用乙炔氣體低壓FYHCNMHG的硬度分布(b)Fig.3~ Scheme of blind hole sample 16MnGr5 steel( a ) and滲碳技術(shù)，以B.Edenhofer等人名義在世界范圍內申請the surface hardness( HV ) in the blind hole along了專(zhuān)利。其最大優(yōu)點(diǎn)是使小通孔和盲孔油泵噴油嘴)its length after carburizing( 10 min at 900 C )內都可以滲.上碳也可以使滲碳氣體順利深入成批零件with various hydrocarbon gases( b)《金屬熱處理》2007年第32卷第4期31.6 環(huán)己烯滲碳采用砂型鑄造、鍶變質(zhì)處理的A356鋁合金(質(zhì)量美國Surface Combustion公司早在1970年就熱衷分數為7. 08% Si、 0.37% Mg、0.06% Fe、0.158% Ti、于真空滲碳技術(shù)并最早注意到該工藝的局限性把精0.012%Sr、分別為0.005%的Cu、Mn、Ni和Zn、其余力放在離子滲碳上。后者雖具有真空滲碳的一系列優(yōu)Al)經(jīng)HIP+T6(固溶+時(shí)效)處理后,在193MPa應點(diǎn),可以解決諸如炭黑等問(wèn)題但由于生產(chǎn)成本問(wèn)題一力狀態(tài)'下的10疲勞周次尚未破斷而鑄態(tài)+16處理直未能廣泛應用。該公司擁有多項真空滲碳和離子滲者在10%周次即斷裂。碳工藝和產(chǎn)品的專(zhuān)利技術(shù)。自從早期推行這兩項工2新設備藝Surface公司積極參與了真空多室爐設備的市場(chǎng)活2.1低壓滲 碳雙室高壓氣淬爐動(dòng)售出了45臺以上的多室真空爐。真空加熱高壓氣淬設備的問(wèn)世是熱處理技術(shù)一大環(huán)己烯( C6H2 )是一種非常穩定的高純度、高密進(jìn)步。高壓氣淬冷卻均勻、工件畸變小、2 MPa以上的度的液體Surface公司將其用于真空滲碳的技術(shù)被稱(chēng)He、H,能達到靜止油的冷速(見(jiàn)表2 ),工件氣冷可省做VringCarb。環(huán)己烯作為-種飽和的碳氫化合物,去清洗工序一方面提高效率、另-方面與環(huán)境和諧。其使用費用很低。采用-種可精確控制的液體噴射系早期的真空高壓氣淬爐和低壓滲碳氣淬爐都是單室統可將其通入爐內真空度保持1330 Pa ,在此條件下?tīng)t加熱和冷卻都在同- -空間進(jìn)行冷速相對低。雙室未發(fā)現有炭黑。據報道此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工件十分干氣淬爐的開(kāi)發(fā)對于提高冷速效果明顯。生產(chǎn)實(shí)踐中凈,可避免晶界氧化,齒根硬度可達到節圓齒面硬度的冷室淬火(雙室爐)比熱室淬火(單室爐)有提高冷速90%以上滲劑用量很低滲層均勻工件畸變小,可提40%的數據。圖5為Ipsen公司開(kāi)發(fā)的雙室高壓氣淬高滲碳溫度。適用于1200 mm(長(cháng))x900 mm(寬)x爐圖6為真空雙室爐的冷卻室結構。真空雙室爐氣900 mn(高)的燃氣或電爐既可用油淬也可在2 MPa .淬時(shí)，可用0.1~2MPa的N2或He為提高冷速尚需高壓氣體中淬冷。采用高速?lài)娮焓箽饬魉俣扔赏ǔｏL(fēng)扇吹動(dòng)的10 ~201.7混合氣氛低壓滲碳m/s提高到100~ 150 m/s。此時(shí)的傳熱系數可達到Seco/ Warwick公司開(kāi)發(fā)的用乙烯( C2H )+乙炔1000 ~3000 W/( m2. K)。( C2H2 )+氫混合氣的低壓滲碳法。爐中壓力130 ~表2各種冷卻方式平均傳 熱系數的比較4000 Pa。滲劑用量小滲層均勻。當滲層深度<1.0Table 2 Comparison of mean heat transfer coefficientsmm時(shí)層深偏差為+0.1 mm滲層深度<2.0 mm時(shí)傳熱系數c/W. m2. K-'液態(tài)介質(zhì)氣體層深偏差為+0. 15 mm。生產(chǎn)成本明顯降低。500熔鹽N2( 1 MPa)1.8鋁合 金的熱等靜壓固溶時(shí)效復合處理1000油(不攪動(dòng))He( 2 MPa)2000油攪動(dòng))H2( 4 MPa)Bodycote公司正在探索以熱等靜壓(hotisostaticH2( 10 MPa)pressing ,HIP )和固溶復合處理消除鋁合金鑄件孔隙和)P縮短工藝周期,降低生產(chǎn)成本,同時(shí)提高鑄件的力學(xué)性能。此工藝被稱(chēng)為Bodycotes Densal Process( 見(jiàn)圖4)。HIP固溶處理(a咒時(shí)間HIP+固溶復合處理一燙做圖5 Ipsen RVTC雙室高壓氣淬真空熱處理爐Fig. 5 Ipsen RVTC double chambers vacuum carburizing furnace(b中國煤化工quenching圖4傳統的 HIP +T6處理工藝( a)和HIP+T6復合處理工藝( b)HCNMH G除真空加熱雙室高壓氣淬爐外,Ipsen 公司已開(kāi)發(fā)Fig. 4 Temperature-time profiles for conventional discrete HIP了在普通氣體滲碳密封多用爐上采用高壓氣淬的and T6 heat treatment processes( a)and a combined HIP + T6 proces( b)TQG系列設備其結構示意圖見(jiàn)圖7。4《金屬熱處理》2007年第32卷第4期.油淬重氣淬耋(公..圖6 Ipsen 真空雙室高壓氣淬爐冷卻室結構圖8FRVOQ(PC)(FV)型低壓離子滲碳爐Fig. 6 Quench chamber for one layer batches andFig. 8 Three chamber low-pressure ion carburizing furnacemultiple layer batches quenching modes友好等優(yōu)勢,低壓滲碳高壓氣淬技術(shù)有迅速發(fā)展的趨勢。過(guò)去不少人認為汽車(chē)工業(yè)滲碳淬火件批量大低壓滲碳設備難以滿(mǎn)足如此大的生產(chǎn)要求。當前歐洲熱處理設備制造帶頭企業(yè)ALD、ECM、Ipsen等已開(kāi)發(fā)出-系列連續式、半連續式低壓滲碳、高壓氣淬生產(chǎn)線(xiàn)。最有代表性的是類(lèi)似于普通氣體滲碳多用爐生產(chǎn)線(xiàn)的鏈接式生產(chǎn)線(xiàn)(見(jiàn)圖9 )。圖9所示的一字排開(kāi)的是沒(méi)有前室的密封低壓滲碳爐在軌道上行走的是公用高壓氣淬設施。值得重視的最新改進(jìn)是在軌道上行走的圖7 Ipsen TQG密封滲碳高壓氣淬爐是用來(lái)裝卸料、轉移爐料并使其保持溫度的裝置。高Fig. 7 Atmosphere batch furmace type TQG壓氣淬設備固定并列在滲碳爐旁。如此就可以不用移2.3帶柔性淬火系統的低壓離子滲碳爐動(dòng)小車(chē).上的大量和笨重的軟管和電纜簡(jiǎn)化了結構、提Ipsen公司于1997 年生產(chǎn)在法國Nitruvid Argen-高了設備的可靠性。teull公司使用的FRV0Q( PC)( FV )型三室低壓離子滲碳和高壓氣淬爐,見(jiàn)圖8。用這種爐子不僅可以施行低壓離子滲碳、氣冷、油淬;還可以施行等離子碳氮共滲低溫、高溫等離子滲氮工具鋼、馬氏體不銹鋼的高濃度滲碳( over carburizing )以及所有在真空條件下于500 ~ 1300 C的各種熱處理。氣淬壓力可達0. 6MPa油槽溫度最高90 C氣體溫度最高40 C。其特點(diǎn)之-是具有柔性特征表現在可選擇油淬或氣冷在爐內實(shí)現兩個(gè)方向的爐料輸送;兩個(gè)冷卻室之一如果圖9ALD公司ModulTherm型鏈接式多室低壓無(wú)須淬火就可以做為進(jìn)料室;爐子結構可保證在移動(dòng)滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線(xiàn)外觀(guān)爐料時(shí)加熱室仍可保持高溫爐料在爐內按規定程序Fig.9 Linked multi-chamber furmace type Modul Therm移動(dòng)可提高生產(chǎn)效率。2.5貝 氏體等溫、馬氏體分級淬火生產(chǎn)線(xiàn)用計算機檢測調節系統可保證設備的可靠性。氣圖10所示為Ipsen公司帶集成式鹽浴等溫和分淬時(shí)采取鼓風(fēng)和噴射混合系統,用壓力和質(zhì)量流控制級淬火槽的TQA型滲碳或奧氏體化加熱淬火連續生器( mass flow controller )進(jìn)行控制。用一個(gè)Ipsen PCD產(chǎn)線(xiàn)。這種主要用于貝氏體等溫淬火的爐子,由于貝傳感器適時(shí)監督等離子過(guò)程,并調節滲碳氣體流量。氏體轉變時(shí)間比奧氏體化加熱時(shí)間長(cháng)得多故經(jīng)常在通過(guò)16NC6鋼3個(gè)月生產(chǎn)試驗,證明采用工件表面質(zhì)鹽浴淬中國煤化工續等溫的貝氏體轉變量流的成功控制出色地保證了熱處理效果的重現性。爐。例|YHCNMHGr15鋼)的貝氏體淬火2.4低壓滲 碳高壓氣淬鏈接式生產(chǎn)線(xiàn)等溫需要延續45min首先在鹽浴中冷到230C其余自從真空滲碳解決了爐內沉積炭黑的難題以后,時(shí)間在230 C的對流空氣爐中完成貝氏體轉變。在汽由于氣氛消耗少、工件畸變小滲層無(wú)內氧化和對環(huán)境車(chē)工業(yè)中奧貝球鐵( ADI )應用愈來(lái)愈廣其主要的熱《金屬熱處理》2007年第32卷第4期5處理工藝是等溫淬火。由于汽車(chē)零件的批量很大，這淬火室打井.淬火室關(guān)閉種設備很適合于奧貝球鐵件的熱處理。估計有較大的_爐門(mén)↑皿發(fā)展前途。圖11輥底爐涌 泉式淬火槽結構示意用同一團。用Fig. 11 Scheme of the spring flood quenching tank forroller hearth furnace升降機拖動(dòng)淬火劑溢出T中T圖10 Ipsen TQA型鹽浴等溫、分級淬火生產(chǎn)線(xiàn)工件往復Fig.10 Scheme of the sealed quench furmace TQA8088808880b @with integrated salt-bath for martempering or austempering( with added air transformation furmace )2.6涌泉式淬火槽↓↑↓↑↑↓↓散裝料批量生產(chǎn)的鉻鋼軸承套圈的奧氏體化加熱液流脈動(dòng)淬火通常都在連續式爐中進(jìn)行。為減少套圈的淬火畸圖12涌泉式淬 火槽中的工件、輥道和淬火劑的相對運動(dòng)變Aichelin公司在1990年把滾棒式爐中的淬火油槽Fig. 12 Relative motion between parts ,poller and quenchantin spring flood quenching tank改為可實(shí)現油中涌泉式淬火( Spring Flood Quenching )結構(見(jiàn)圖11)。加熱后的套圈用輥道送到淬火槽上4mm淬火畸變能控制在0.05~O.06mm范圍內。時(shí)槽上蓋落下把工件罩住靠螺旋漿的強力攪動(dòng)使2.7推桿連續式滲碳淬火生產(chǎn)線(xiàn)淬火油上下往復循環(huán)勢如泉涌,同時(shí)淬火槽輥道上的Aichelin公司在推桿連續滲碳淬火生產(chǎn)線(xiàn)上采取套圈也作左右往復移動(dòng)(圖12 ) ,如此可獲得均勻冷了一系列革新提高了滲速，改善了滲層顯微組織,加.卻,把工件的畸變控制到最小的程度。φ80 ~ φ100強了密封節省了氣氛各區相對獨立，避免了相互干mm的SAE52100鋼(相當于GGr15鋼)軸承環(huán)壁厚擾提高了爐氣控制的精確度(見(jiàn)圖13 )。雙推盤(pán)式爐滲碳擴敝爐預氧化校+500大高溫擴徽區STKE-6/56/70-2X16-960CN強津區TKE-56/56/70-4-660CNExIX迷備料臺riaiuinaininini'st國Lhiiui和推盤(pán)式淬火海溫爐KEs-56/56/70-6-900CN推盤(pán)式爐加熱爐\底裝料升隆臺淬火油槽THE-6/56/70-4-960CNTYC-5656/70-2CN權H圖國XX風(fēng)冷臺升障臺上卸料輯道臺推盤(pán)式回火爐DHE-6676770-6- 460CN中國煤化工。三工位后清洗機ETE-665670-3CN25720YHCNMHG圖13雙推 盤(pán)氣體滲碳爐生產(chǎn)線(xiàn)Fig.13 Double pusher gas carburizing production line6《金屬熱處理》2007年第32卷第4期(1)預氧化爐工件和料盤(pán)在預氧化爐的空氣介質(zhì)中加熱到500 ~550 C工件表面預氧化可提高滲層口均勻度減輕滲層組織中的內氧化現象，還可提高滲JD00速。(2)加熱爐的底上料裝置該裝置為Aichelin公司的專(zhuān)利技術(shù)。進(jìn)料口設在加熱爐一端后部(見(jiàn)圖14)裝工件的料盤(pán)從側面推到料臺上其上有柔性加多壓密封門(mén)料盤(pán)就位后底部密封門(mén)加壓,即完成.上料。00005|此結構密封性好爐氣損失小,碳勢變化小,不易積炭AMalQuanching黑無(wú)需火簾節約能源不污染環(huán)境。提升餷輪隔熱中門(mén)傳動(dòng)墨統圖15 環(huán)形爐滲碳生產(chǎn)線(xiàn)Fig.15 Rotary carburizing production line電動(dòng)推枉3新材料3.1生態(tài)淬火劑當前常用淬火劑是水、鹽水、熔鹽、冷熱礦物油和聚合物溶液。HoughtonDurferrite公司預見(jiàn)到明天的重理想液態(tài)淬火劑是生態(tài)淬火劑( Bio-Quenchant )。所謂生態(tài)淬火劑就是以植物油為基加入添加劑的天然淬升歸臺圖14底部裝料裝 置原理圖火油。圖16為Houghton公司測試的植物油和礦物油Fig. 14 Scheme of the bottom loading device的淬火冷卻性能曲線(xiàn)。由圖16可見(jiàn)植物油的最大冷(3)潛泳底出料淬火油槽油槽完全密封 工件速向高溫移動(dòng)幾乎沒(méi)有蒸氣膜階段,最大冷速高、最在氣氛保護下淬火油攪拌器使油在導流系統中垂直流低冷速小。故植物油冷卻均勻,工件畸變小是必然結動(dòng)工件冷卻畸變小。工件和料盤(pán)冷透后在油槽下用果。用提高抗氧化能力的套藥(添加劑)可以把植物橫推裝置潛泳至出料口升降臺上升至出料口淋油后油的工作溫度提高到較高程度而不影響其最大冷速，運至槽外。出口無(wú)火簾，氣氛不逸出對環(huán)境無(wú)污染。而低溫冷速也很小幾近沒(méi)有變化(見(jiàn)圖17)。在專(zhuān)營(yíng)(4 )各爐區隔離，氣氛相互不干擾 加熱、強滲、熱處理加工廠(chǎng)的密封多用爐中使用生態(tài)淬火劑兩年擴散、淬火各區隔離不連通,可分區單獨控制爐氣碳勢半被處理的鋼材有油淬工具鋼、合金滲碳鋼和低、中和溫度使控制更加精確,以保證產(chǎn)品質(zhì)量和質(zhì)量的分碳素鋼工件截面尺寸為0.4~ 100 mm油溫60~ 105散度。C。據用戶(hù)報告,處理后的工件硬度、力學(xué)性能、尺寸( 5 )高溫風(fēng)扇的油自冷循環(huán)系統利用 熱油、冷穩定性和表面狀態(tài)都合格。用52100鋼(相當于油密度的差別和熱油上升、冷油下降原理設計了爐內GCr15鋼)軸承套圈在美國某一軸承廠(chǎng) 的連續淬火爐中風(fēng)扇用油自冷的循環(huán)系統,該技術(shù)為Aichelin 公司的冷卻邁度PCs-'專(zhuān)利。.90400_ 1202.8環(huán)形滲碳淬火生產(chǎn)線(xiàn)700冷卻遽度為了減少占地面積提高爐子密封性延長(cháng)料盤(pán)壽命,Aichelin公司研發(fā)了-種環(huán)形滲碳淬火生產(chǎn)線(xiàn)(見(jiàn)然500>植物油圖15 )。 生產(chǎn)線(xiàn)由備料臺、預氧化爐、底裝料設施、環(huán)冷卻時(shí)間300形爐、淬火槽、清洗機、回火爐、配電控制柜等部分組成。環(huán)形爐內各區用可升降的門(mén)分隔轉動(dòng)部分用油中國煤化工-本十5封工件和料盤(pán)隨爐底轉動(dòng),避免了推盤(pán)、爐料盤(pán)的相MHCNMHGIs互碰撞和與爐底的摩擦,從而延長(cháng)其使用壽命。爐區圖16生態(tài)件火油和晉遇中速冶火油在60C的冷卻性能比較Fig.16 Comparison of the cooling characteristic between的相互隔離入爐的底裝料環(huán)形爐進(jìn)出料只用-個(gè)爐bio-quench oil and conventional middle speed門(mén)保證了爐子的密封性和碳勢控制的精確性。quench oil at 60 C《金屬熱處理》2007年第32卷第4期冷卻速度/C.s-1T.Liu領(lǐng)導的課題組發(fā)現在Ni;Al化合物中添加微量10900-硼可明顯改善其塑性,該材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數% )為8~11A1、81 ~88Ni ,并添加了Cr. Zr、Mo700-”冷卻速度和B改進(jìn)后的材料具有出色的熱強性、抗蠕變、抗滲刨500碳能力。Delphi-Saginaw Steering Systems公司通過(guò)和175C能源部的研發(fā)協(xié)議在11臺推桿式滲碳爐中把耐熱鋼3006oCV冷卻時(shí)間料盤(pán)、料筐、夾具都改成用Ni,Al材料隨后還打算用100-5→12535來(lái)制造輻射管和風(fēng)扇。初步試驗結果表明Ni,Al構件圖17油槽溫度( 60~175心)對生態(tài)淬火油冷卻性能的影響壽命比耐熱鋼高一倍以上。預計加熱爐內的所有耐熱Fig. 17 Influence of the quench oil temperature on合金鑄件都可用Nij,AI代替。采用Ni; Al構件還可以cooling characteristics of bio-quench oil減少爐子維修次數、縮短工藝周期、提高熱處理工件壽進(jìn)行了一組試驗持續進(jìn)行了12個(gè)月的生產(chǎn)。與此同命、提高滲碳溫度、節能效果顯著(zhù)。時(shí)還對120C的生態(tài)油和普通淬火油的冷卻性能作3.3APM和APMT合金了對比測試其結果見(jiàn)圖18。用植物油淬過(guò)火的零件瑞典Kanthal A. B.的Sadvik公司繼Kanthal Al 電硬度、尺寸穩定性、橢圓度和普通淬火油都沒(méi)有區別,熱絲之后相繼開(kāi)發(fā)出APM和APMT合金。此種材料而錐形零件的橢圓度卻比普通淬火油的小得多。植物是用A-1粉末通過(guò)熱等靜壓、燒結和深拉延出來(lái)的。油閃點(diǎn)高熱油淬火安全且油的工件帶出損失比普通用AT1合金制造的電熱和燃氣輻射管比一般耐熱合淬火油少60%。在另外幾家熱處理廠(chǎng)進(jìn)行了6個(gè)月金能經(jīng)受雙倍的熱流在925 C能經(jīng)受的熱流達9 ~以上的生產(chǎn)試驗在一臺密封淬火爐中于70C冷油和10 kJ/m2。用Kanthal APM Fe-Cr-Al 合金制造的輻射230 C的熱油中淬火，也取得了成功的結果。管在1150 C使用1000 h后表面狀態(tài)良好表面形成冷卻速度/C.s-的Al2O3具有保護作用;而Ni-Cr合金管在1150 C使900.2600100用1000 h后,表面損壞嚴重。Kanthal APM合金可延700冷卻速廑長(cháng)壽命4倍。表3為Kanthal A. B.公司提供的KanthalAPM合金管尺寸。表4為電熱材料在各種氣氛中允500檀物油許的最高溫度。各種合金在不同溫度下的滲碳速度示冷卻時(shí)間于圖19。普通分級淬火熱油表3 Kanthal APM合尺寸下25Table 3 Size of Kanthal APM allog tube冷卻時(shí)間/s圖18生態(tài)淬火油和普通淬火油120C時(shí)的冷卻性能比較D外D內/mm 220 203 164 ,152 100 9064 56 28 ,18Fig. 18 Comparison of cooling characteristics for conventional質(zhì)量/kg: m40. 1021. 2010.605.400.95quench oil and bio-quench oil at 120 C( 1 ) Kanthal SUPER ER高溫發(fā)熱體SUPER ER據介紹,使用植物油淬火的優(yōu)點(diǎn)還有很多。首先綜合了MoSi,的優(yōu)異高溫性能和AI203的氧化穩定優(yōu)植物油容易生物降解,降解率可達75%以上,歐洲有越性,可用于多種氣氛加熱爐。Md( SiAl )2復合發(fā)熱體降解80%~100%的試驗數據,而礦物油只能降解可用于氧化性、惰性、吸熱式氣氛和還原性氣氛特別10% ~40%。植物油的沸點(diǎn)和閃點(diǎn)都比礦物油高油適用于干燥氫和氮-氫氣氛中的燒結過(guò)程。例如鐵淦煙毒性很小還是可再生能源能源源不斷地得到供氧體在氫保護條件下的燒結和其它陶瓷材料的燒結。應不易水解、抗氧化能力強、低溫粘度低、粘度范圍( 2 ) Kanthal GLOBAR SDA發(fā)熱體GLOBAR窄。目前植物油價(jià)格比礦油雖貴- -倍 ,但使用壽命長(cháng)SDA新型碳化硅發(fā)熱體可延長(cháng)熔鋁反射爐壽命抵抗工件淬火質(zhì)量好對環(huán)境相對友好,在一定程度上可得鋁和雜質(zhì)的化學(xué)腐蝕,使爐子壽命延長(cháng)25% ~ 100%。到補償。主要通中國煤化工熱體性能和延長(cháng)壽命:3.2 Ni,AI 金屬間化合物首先發(fā)Y片CNMHG晶減少表面氧化的材NizAl金屬間化合物是一種新型爐內抗滲碳耐熱料其次使用復合硅石A釉以減少整體表面的氧化,構件材料問(wèn)世已有20多年,因為其脆性大未得到實(shí)并使用堿金屬以提高其氧化物熔點(diǎn)。該元件對水蒸氣際應用。美國能源部OakRidge國家實(shí)驗室由Chain和堿的侵蝕有較高的抗力?！督饘贌崽幚怼?007年第32卷第4期.表4各種電熱材料在不同 氣氛中允許的最高溫度( C)Table 4 Allowing maximum temperature of various electro-heating materials at different atmospheres( C )Kanthal AlNikrothal 80工作環(huán)境和APMKanthal AFKanthal D和Nikrothal 70Nikrothal 60Nikrothal 40氧化干燥空氣1400①13001200! 1501100氣氛濕空氣11501001050中性氮②1200 ~ 10501250~11501150 ~ 1000氣體氬140001250120放熱式氣氛10C0 + 15H2 +5CO2 + 70N21150 .吸熱式氣20C0 +40H2 +40N210001100⑧還原400①氨分解氣75H2 +25N2真空1.33x10 Pa900①APM最高使用溫度1425 C②上限值適用于預氧化材料③在滲碳氣氛中產(chǎn)生綠色腐爛需用Kanthal AF或Nikrothal 70④Nikrothal 70為1250 C,25C-20N的研究現狀”一文。文章首先列述了Lakhtin 學(xué)派的4C固體滲碳250h傳統理論，認為在NH3中滲氮的氮勢主要取決于氨的分解度。這種氮勢( π、)可以直接用氨分解反應的平.250-35N衡常數來(lái)表征,即附2.0-, 26C-35NLW/25C+4EN-W_CoπN=PNn;/Pi21.0-而鋼滲氮的主要表面化學(xué)反應是氮在a固溶體中的=APM溶解95o00 1050 1100溫度/C圖19各種合 金滲碳速率和溫度的關(guān)系Fe+NH3-→Fe.(N)+號H2Fig. 19 Relationship between the carburizing speed of和形成各種氮化物diferent heat-resistance alloys and temperature3.4用超臨界液體 CO2清洗工件4Fe.( N)+NH3-→FesN+ H2美國GCG Technologies Ine公司開(kāi)發(fā)了一種DeflexProcess清洗技術(shù)用超臨界液體CO2代替氟氯烴( CF-Fe,N+NH,- -2Fe-zN+ H2Cs )清除電子和光電產(chǎn)品上的油脂、塑料、聚合材料上鋼在分解氨氣氛中的滲氮的氮勢是氮在a相和ε的污染物、多孔金屬表面污物、機加工零件和沖壓件表相中濃度的函數面油污。其方法是將液態(tài)CO2在30 C和7550 kPa壓[ 89331π°=5.17x10° exp°T- xC\力下通入盛有零件的容器滿(mǎn)載污物的溶液從容器中泵出并立即膨脹成氣體,氣體經(jīng)壓縮冷凝后可重復使1045p11.12-CN1用沉積下來(lái)的切削油等污染物可收集回收利用。超臨π=2.33 x 105 exp[]x[C-5. 94xCs界態(tài)的高能溶液既不是液體，也不是氣體既具有液態(tài)式中Ci =3.01 +0. 0179T-0.154x10*2.....性質(zhì)也具有氣體的擴散性。超臨界CO2表現出溶解選同時(shí)還推導出了氮勢和爐中氣體分壓間的關(guān)系式:擇性( Solvent Selectivity )根據壓力、溫度和混合效應可λm(1-aX 1 +aXNH; )'P/2覆蓋從FreonII到1.1.1三氯乙烷溶劑的溶解范圍。針( λH2 +1.5λNH;Q )對污染物的選擇溶解是超臨界CO2的主要優(yōu)點(diǎn)之-。式中λNn和λn2分別為NH,和H,在混合氣體中的使用超臨界CO2清洗工件無(wú)需干燥工序工件也不會(huì )產(chǎn)體積分數,a為NH;分解度,P總為混合氣體總壓力。.生銹蝕清洗速度比真空清洗快數十倍。當Pg=1時(shí)此式可簡(jiǎn)化為4新傳感技術(shù)中國煤化工+a y"4.1氧探頭 OxymessMHC NMH G22003年9月在華沙召開(kāi)了第九次IFHTSE的專(zhuān)題由此可知氨分解率愈高爐氣氮勢π、愈低。在討論會(huì )會(huì )議的主題是滲氮技術(shù)的理論和實(shí)踐”。俄520 C ,當x=0.25時(shí)πN≥1.5而x=0.4~0.8時(shí),羅斯的V. Syropiatov等在會(huì )上宣讀了關(guān)于氮勢控制πN≤0.3。為此,Lakhtin課題組開(kāi)發(fā)了直接測量氨分《金屬熱處理》2007年第32卷第4期9解度的探頭可用于滲氮過(guò)程的氮勢連續控制其原理溫度,K。由此可知所謂氮勢新概念就是指在特定溫是利用氣體分子在熱分解過(guò)程中的電離現象。全自動(dòng)度和特定氣相成分下鋼試樣穿透滲氮后的含氮量。按離子氣體分解度測定儀可在450~700C范圍測出此概念氮勢就概括了特定滲氮過(guò)程的復雜內函:氣氛0.1% ~7. 0%的氮勢。由于計算過(guò)程復雜、測量結果氮濃度的潛勢、向金屬輸送氮的能力、向金屬表面傳輸不夠精確在生產(chǎn)設備中于恒溫下難以改變氨的分解氮的內、外部阻力以及向金屬內部輸送氮的阻力。度還由于某些參數的測量困難這種測控氮勢的方法固態(tài)電池電勢未被推廣。論文隨后著(zhù)重描述了關(guān)于氮勢的新概念及其新的測定方法。作者認為傳統的氮勢概念只能表示+★.1040mV氨分解率的高低不能表征氣體-金屬界面上的物質(zhì)相rHr+1010mV城2互交換行為真實(shí)的氮勢應該是爐氣和金屬界面處于995 mV平衡狀態(tài)時(shí)的鋼件表面實(shí)際含氮量。論文作者用含碳10時(shí)間/h(質(zhì)量分數,下同)為0. 08%、1. 2%和3.0%厚50 μm圖21鋼箔在 550 C滲碳時(shí)的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的鋼箔在500 C、520 C、550 C和570 C滲氮1、2、3、Fig.21 The dynamic curves of iron foil nitriding at 550 C4、6、8、12、14和16h后,用真空熔化法測定鋼箔中的4.2用于滲 氮和氮碳共滲氮勢測控的TiO2氧探頭氮。結果發(fā)現經(jīng)過(guò)4h的滲氮即可使鋼箔的含氮量德國不來(lái)梅材料研究所( Stiftmg Institut fir Werk-和爐氣達到平衡并完全滲透。用這種方法可直接測stofftechnik ,IWT )和Robert Bosch GmbH公司聯(lián)合發(fā)表出氣氛的氮勢。為了連續測控爐氣氮勢采用了經(jīng)穩定的關(guān)于控制滲氮和氮碳共滲過(guò)程的半導體氣體傳感器化處理的ZrO2固態(tài)電池原理的探頭利用爐氣氧分壓和論文闡述了傳感器的作用原理和功能見(jiàn)圖22)用溶氨完全分解時(shí)的氧分壓差來(lái)測出氨和氫分壓的比值也膠~凝膠工藝沉積Ti02層的方法和步驟以及用其測量就是傳統認識的氮勢。由于一般氧探頭使用表面鍍鉑氧勢和氮勢的效果。作為電極鉑對氨有催化分解作用會(huì )引起爐氣成分變傳感器機理:vo,CO被吸附粒子化并因鍍鉑層的高阻抗導致探頭在700C以下的損1.表面2.體內壞。所以需要重新考慮電極材料。通過(guò)試驗證明最好3.接觸點(diǎn)陣缺陷的材料是In2O,但因需高價(jià)進(jìn)口難以采用便用TiO24.晶界傳感器溫度:自由電子e代替。Ti02 可做為400 C以上固態(tài)電池電極。圖20為100-1000(陬決于材糊Oxymess的氧探頭結構示意圖。與此同時(shí)用鋼箔在不同溫度和各種成分爐氣中的滲氮結果和用Oxymess測圖22半導體氣體傳感器作用機理和功能出的固態(tài)電池相應電勢數據得出了如圖21所示的鋼箔Fig.22 The action mechanism and function of含氮量和探頭電勢間的單值、穩定、可信賴(lài)的關(guān)系。該semiconducted gas sensor探頭在俄羅斯12個(gè)工廠(chǎng)使用8年效果很好。用溶膠凝膠法制備Ti0,膜的過(guò)程是采用四異丙40-12000氣體電極外陶瓷得氣體電板圓態(tài)電池NAIH醇鈦( TTIP )乙-丁醇、乙酸( HAc )乙酰丙酮( AcAc )聚乙二醇400( PEG )和蒸餾水作為前驅物質(zhì),把TTIP和乙丁醇在量杯中混合,加入AcAc作為螯合劑。TTIP和AcAc的克分子比為1:1。為使溶膠水解和穩定化尚須加入水和HAc將混合液用水稀釋直至形成池固定管A2O3棉NC-NIA熱電偶空氣流透明液。PEG用做干燥控制添加劑( Sol A )第二種溶圖20氧探 頭Oxymess結構示意圖膠( SolB )是在Sol A基礎.上加入了有機粘結劑。對兩Fig. 20 Scheme of the Oxymess oxyprobe種稱(chēng)做TiO2 -SA和TO2-SA-IDS的不同樣品進(jìn)行導電通過(guò)數學(xué)處理可以對鋼含氮量表示的氮勢作如下率測試。Ti0 SA的制備方法是在20 mm x20 mm拋的數學(xué)表達:光的A中國煤化工浸涂.上T02。溶膠體10. 082x( E -797.2 )-3. 363在空氣MYHCNMHG在600c施行10minT的熱處理。涂覆和熱處理重復5 ~6次，直到形成1lgN, =1.2167mm厚的涂層。用壓合在相對表面的AISI 304不銹鋼式中N,為氮勢,wt% ;E 為氧探頭電勢,mV ;T為(相當于0Crl8Ni9鋼)片作為電觸頭。涂覆Ti02的工《金屬熱處理》2007年第32卷第4期藝步驟見(jiàn)圖23 -24。調節溶膠濃度對形成優(yōu)質(zhì)和所G=A. exp( E、/KT) Po2"需厚度的膜是十分重要的。在涂覆和干燥過(guò)程中控制TO,傳感器在不同溫度下的滲氮氣氛中導電率氧TTIP的交聯(lián)性可形成緊密的凝膠膜。在熱處理時(shí)隨分壓的關(guān)系示于圖26。圖27為T(mén)IO,傳感器導電率隨溫度的升高凝膠膜發(fā)生裂解、燒結和結晶成陶瓷。溫度的變化。.I制造溶膠一賺赫-14G∞Ps;"u漫涂..一薄溶膠膜。-18 .Vab=常數“20n+凝膠-24心:莘●良好童現性.mz2r3善至更高-29-8。-26 ●m對于不同探頭是不一一樣的logR,/bar1barm10PaTO,廣圖23沉積和制備 Ti0,涂層的溶膠凝膠法測量結果:5歲142idaysFig. 23 Sol-gel method of depositon and preparation of圖26 TO,傳感器在不同溫度下導電率G與氧分壓的關(guān)系Ti02 coaing at Al2O3 sustrateFig. 26 Relaionship between the prductivity c and oxygenP電極●使用市售A,O，墊片partial pessure at diferet temperatures for TiO2 sensor●滴涂溶膠.600C熱處理●無(wú)需燒結添加劑-13傳感器:GxexplE,NKT)E-激活能-144:T8-MBE2 K-波茲曼常數傳感器墊片g-1y2-16-17TiO245um-18 0.85 eV[ G壓力傳感器↓8-28中國煤化工出穩定信號5101520豐現性時(shí)間hC N M H G勾及安裝示意圖TYH圖25不同氧分壓 和溫度下滲氮時(shí)測出的Fig. 28 Scheme of the strue ture and asemnbly for senor HydroNit導電率Q lbar= 10'Pa)dH2I體積分數% ]=Pn:/P大氣Fig. 25 Mesured productivity G when niriding at diferet測氮勢問(wèn)題的癥結在于準確測出氫在滲氮氣氛中temperatures and various oxygen partial pessue1《金屬熱處理>2007年第32卷第4期的含量據介紹HydroNit傳感器可完全滿(mǎn)足此要求。100按圖28所示插入爐壁的金屬或陶瓷保護管內有一-支用氧洗爐不封口的石英管其中有-根向爐內-端封口的測量三6管這幾根管在爐壁外被-個(gè)端蓋密封蓋實(shí)在測量管的另一端接壓力傳感器。測量管材料的特性是只允許M 40-爐氣中的氫通過(guò)其它N2、NH3、CO、CO2、H2O是不能20-通過(guò)的。傳感器在爐內工作時(shí)用微量泵把爐氣吸入,2030405060使其流過(guò)石英管和測量管的間隙。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間測時(shí)間/s量管內外的氫趨于平衡,用壓力傳感器測出氫含量圖32 HydroNit 在箱式爐中達到100% H2(見(jiàn)圖29 )。 圖30所示為HydroNit測出的爐氣氫含量的應答時(shí)間曲線(xiàn)和氮值(系數)的關(guān)系。測量管內外氫含量達到平衡Fig. 32 Response time curve of hydrogen content reachedto 100% for HydroNit sensor in box furnace的時(shí)間很短在300~400C溫度范圍只需20~40s(見(jiàn)圖31~32)。圖33為HydroNit測出的含氫量精確100[度。由此可知,此傳感器可用于滲氮氮勢的連續控0葉制。y=x爐中氣氛NH/H2N/CO/CO2客40-1PIH,)=. Pn(H2iPIH) H P*(H)壓力平衡240608設定氦含t(vol%)圖29HydroNit傳感器測量原理圖33 HydroNit 傳感器的測量精確度,Fig. 29 Measure principle of HydroNit sensor用不同確定成分的試驗氣體的測量結果Fig.33 Measuring accuracy of HydroNit sensor with爐混: 50-600 c氣氛: 50%NHs+20%Na+20%Hz+ 10%COvarious composition of test gases■計算值一被認定為指數函數確的傳感器KiNit。用此裝置可測量滲氮或氮碳共滲威[, K\=ax ebxm,w.)過(guò)程中進(jìn)入鋼表面的氮。采用與工件同樣材料加工成同樣精度的圓棒作為試樣,用試樣上產(chǎn)生的渦流特征來(lái)監測工件的滲氮過(guò)程。試樣置于傳感器內部的線(xiàn)圈中并插入爐內(見(jiàn)圖34 )暴露在爐內氣氛中。氮氫含量(vol%)傳送到試樣上使試樣/線(xiàn)圈系統的復合阻抗發(fā)生變化。圖30 氮值和氫含量的函數關(guān)系示意圖從測出的阻抗值既可以標定出化合物層(白層)，也可Fig.30 The function relation between nitrogen value andhydogen content of furnace atmosphere以推出擴散層數值(見(jiàn)圖35 )。每一爐次I件都需要特定試樣,當然試樣可以設法自動(dòng)更換。100-4.5測控淬 火槽工作狀態(tài)的Fluid Quench傳感器80-德國Ipsen公司開(kāi)發(fā)的FluidQuenchSystem示于溫00C0期40-一500頻率發(fā)生器、測量?jì)x表和“-300爐4~ 20mA20傳感器40的中國煤化工圖31 HydroNit 在井式爐中達到H2平衡的時(shí)間Fig. 31 The hydrogen equilibrium time of HydroNitMHCNMHG移動(dòng)稈護內氣氯sensor in pit-type furnace4.4 跟蹤滲氮過(guò)程的傳感器KiNit圖34 KiNit 傳感器結構及安裝示意圖Ipsen公司還開(kāi)發(fā)了一種能測知滲氮過(guò)程是否精Fig. 34 The scheme of structure and assemble of KiNit sensor12《金屬熱處理》2007年第32卷第4期240-測出的冷卻曲線(xiàn)和通過(guò)傳感器表面逆向熱傳導(冷卻排熱)隨時(shí)間的變化就能計算出通過(guò)傳感器表面的淬火冷卻熱流。依靠增加的第4支熱電偶測出冷卻過(guò)程20一要中的氣體溫度就可以計算出熱流求出所需的傳熱系of數。把這些在不同裝爐方式,各種氣體參數條件下測后--一(0.2一0406~08出的傳熱系數存入計算機檔案,就可以作為預測和評間化合物厚度/um滲氮層深度/mm圖35置于 Ipsen KiNit 傳感器線(xiàn)圈內鋼棒試樣滲氮或價(jià)爐料冷卻效果和硬度效果的依據導致在淬火條件氮碳共滲時(shí)根據試樣/線(xiàn)圈系統復合阻抗測量結果下自動(dòng)化過(guò)程的設定。標定推導出的化合物層厚度和滲氮層深度4.7真空滲碳碳勢傳感器(0.45%C鋼氮勢K、=0.3~2.5)低壓滲碳時(shí)金屬和爐氣界面的反應是不平衡Fig. 35 Measurements of the complex impedance of the sample/的,在此條件下精確控制爐氣碳勢是很困難的。到coil system are used to derive calibration curves for determining目前為止露點(diǎn)儀、紅外儀和氧探頭都不能作為真空.compound layer thickness and nitriding depth center andbottom ,respectively( data are for a 0. 45% C steel and滲碳時(shí)的碳勢傳感器,只能靠脈沖供氣、調節爐壓和nitriding potentials Kv of0.3~2.5 )合理安排滲碳和擴散時(shí)間來(lái)粗略控制滲碳件表面含圖36。其結構是插入密封多用爐淬火槽油攪拌器附碳量。近的保護管中有兩根極性相反的串接熱電偶熱電偶法國的Philippe Jacquet等人不久前提出了一種在保護管內的兩個(gè)空間相互用隔熱層分開(kāi),保護管下檢測低壓滲碳爐氣碳勢的鐵箔傳感器,此為鑲嵌于部空間用恒定電源加熱、保持比油溫稍高的固定溫度。爐壁的U形薄壁鐵管(見(jiàn)圖37 )其工作原理示于圖傳感器的工作原理是當淬火槽工作處于熱平衡狀態(tài)38。時(shí)兩根熱電偶的溫差T-T2和傳熱系數a成反比故可以表征液態(tài)介質(zhì)在對流冷卻期的特征,用于液態(tài)淬脫碳氣體火系統對流冷卻狀態(tài)的連續監控。當淬火槽攪拌器出爐墻現轉速有誤、葉片損壞等任何變化傳感器熱電偶測出溫差上升并給出報警信號。分析儀滲敬氣氛測量濫差的儀表圖37低壓滲碳時(shí)的鐵箔管碳勢傳感器Fig. 37 lron-foil tube carbon potential sensor forlow-pressure carburizing process測淬火液酒度Ts的熱電偶=滓火液脫碳性氣體世=X=保護管測量加熱溫座T的熱電偶=∞0=X氣體分析儀碳氣戴圖36FluidQuench傳感器示意圖圖38鐵箔碳勢傳感器原理Fig. 36 Scheme of Fluid Quench sensorFig. 38 Principle drawing of iron-foil carbon potential sensor4.6氣冷淬 火的Heat Flux傳感器過(guò)去用插入爐料的熱電偶來(lái)測量真空熱處理爐氣鐵管外壁和滲碳低壓氣體接觸,管內通-種有脫冷淬火加熱和冷卻溫度時(shí)間曲線(xiàn)。由于裝爐量和工碳作用的氣體。由于管壁很薄，很快就被爐內氣氛滲件形狀的差別故冷速測量結果不適用于其它尺寸和透使碳飽和。與此同時(shí)管壁的碳又被管內的脫碳氣形狀的工件。為克服此缺陷,Ipsen 公司和Liscic共同體吸收而被帶走,使脫碳氣體成分發(fā)生變化。此變化開(kāi)發(fā)了-種熱流傳感器其結構是-根φ50mmx200可用氣中國煤化工成分的變化和爐氣碳mm的不銹鋼圓棒,在表面層下2.5 mm外裝有2根測勢有單:MYHCNMHG看來(lái)這種方式到目前表面溫度熱電偶,另一根裝在圓棒心部。測量時(shí)將試為止尚處于實(shí)驗室內的試驗階段用于生產(chǎn)實(shí)踐尚需樣自頂部插入爐料或置于爐料中心。將所有熱電偶測時(shí)日,而鐵箔管的使用壽命也是需要考驗和解決的問(wèn)出的溫度存入計算機系統，計算出冷卻的溫度梯度從題?！督饘贌崽幚怼?007年第32卷第4期[6] Kobasko N I. Basics of intensive quenching processes/ heatWC)=2%treating progress ,part[ J ] Advanced Materials ,1998 ,153MC)=-1.5%( 2 ) 36FF-36HH.[ 7 ] Michael Aronov. Intensive quenching technology update[ J ]”MCi-19%Heat Treating Progress 2003( January/ February ) 37.[8] Daniel H Herring. Low-pressure vacuum carburizing-is it01201301 401501 801ready for the commereial heat treater ?[ J ] Heat Treating時(shí)間t/sProgress 2003( June/July ) 56-58.圖39裝在低壓滲碳爐上傳感器的記錄信號變化[9] Mathew M Diem ,Stephan J Mashl ,Richard D Sisson Jr. AFig. 39 Variation of recorded signals for carbon potentialcombination HIP + heat treat proces[ J ] Heat Treating Pro-sensor assembled the at low-pressure carburlzing furnacegress 2006( June/July ) 52-55.5熱處理 常用模型和軟件工具[ 10] Robert H ,Wehrenberg I I. More help in the energy crisis熱處理常用模型和軟件工具主要包括工藝設計、[ J ] Heat Treating Progress 2001( June/July ) 7.狀態(tài)預測、熱物理和力學(xué)性能預測模型;爐子幾何尺[11 ] David Moore. Safer liquid quenchants[ J ] Heat Treating寸、風(fēng)扇速度、裝爐量和爐料形狀的計算模型按AMSProgress 2001( 6-7 ) 29-33.( SAE Aerospace Material Specification )確定爐子的更[12] Ipsen Co.. Ipsen unveils and sensor technology[ J ] Ad-優(yōu)化系統模擬零件殘余應力狀態(tài)延長(cháng)其使用壽命的vanced Materials & Processes ,1998( 10 ) :128-129.軟件定量精確預見(jiàn)鋼熱處理相變的模型材料失效過(guò)[ 13 ] Delphi Automotive Systems Co.. NizAl fixtures score withDelph[ J ] Heat Treating Progress ,2001( August/ Septem-程分析模型材料加熱和冷卻體積應變和相變模型連ber )7-8. .續加熱和冷卻相變數據庫;把室溫性能轉換為高溫性[ 14 ] Sankar N Banerjie. Advanced rllr hearth technologyC J ]能的數據庫金屬材料和氣氛相互作用的熱力學(xué)模型;Advanced Materials & Processes 2000( 2 ) :H17-H19.滲碳氣氛和鋼材作用的熱力學(xué)模型滲碳、滲氮、高溫[ 15] 劉菊東王貴成陳康敏等.原始組織對40Cr鋼磨削硬滲碳氣_固相作用熱力學(xué)模型;預見(jiàn)冷速、殘余應力和化層的影響研究J]金屬熱處理2004 29( 12 ) 61-65.性能的熱力學(xué)模型過(guò)程控制系統和實(shí)時(shí)控制系統的[ 16] 劉菊東王貴成陳康敏.砂輪特性對鋼磨削淬硬層的影鏈接模型形成有效均勻熱傳導的流體動(dòng)力學(xué)計算機響[ J]金屬熱處理2006 31( 12) 56-58.模擬加熱爐能源分析工具預測殘余應力和畸變的軟[ 17] 樊東黎.美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖概述J ]金屬熱處件工具;工藝熱評價(jià)和鑒定工具( Process Heat Assess-理200631(1)1-3.ment and Survey Tool )指導用戶(hù)的在各種使用條件下[ 18 ] Winfried Griafen , Bernd Edenhofer. Avac Acetylene low-pressure carburising-a novel and superior carburising tech-爐子性能比較工具在不同工況下發(fā)揮節能潛力的計nolog[ R ]. Ipsen on Top 1999( 2) 9-16.算工具。[ 19 ] Lebrun J P Poirier L. Low- pressure and plasma carburising參考文獻:furnacewith flexible quenching[ R ] Ipsen on Top ,1999[ 1 ] Kuruvilla Cherian. Microwave carburizing shows promise[ J ](2) 21-26.Heat Treating Progress 2006( January/ February ) 46-47.[2] Dama Corp. 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