真空滲碳后的淬火工藝

真空滲碳后的淬火工藝Dennis Beauchesne, Aymeric Goldsteinas2,唐文’,趙德紅(1ECM美國有限公司,573295Ave, Suite900 Kenosha,w5314478012. ECM 2B, 46 Rue Jean Vaujany-Technisud, 38100 Grenoble, france;3.依西埃姆(北京)工業(yè)爐貿易有限公司,北京市1000)摘要:本文論述了經(jīng)低壓真空滲碳后的工件淬火時(shí)選擇油淬或氣淬的原因及影響因素。通過(guò)采用變速驅動(dòng)(ⅴSD)、選擇適合的鋼材、新型混合氣體等新的技術(shù)手段,真空滲碳加氣淬可以有效地減小工件地變形并顯著(zhù)地提高熱處理質(zhì)量及其穩定性?？梢詰糜诮^大部分汽車(chē)齒輪工件的熱處理。關(guān)鍵詞:真空;低壓真空滲碳;真空氣淬;真空油淬;淬火冷卻速度;變形:變速驅動(dòng)技術(shù)Quenqing After Vacuum CarburizingDennis Beauchesne, Aymeric GoldsteinasTang Wen' Zhao Dehong(Translated and edited)(1. ECM USA Inc 5732 95Ave, Suite 900, Kenosha, WI 53144-7801; 2. ECM FRANCE, 46 Rue JeanVaujany-Technisud, 38100 Grenoble, France; 3. ECM CHINA, Beijing 100022)Abstract: This article discusses the factors heat treaters have to consider when deciding when to apply oilquenching or gas quenching for cooling low-pressure/vacuum carburized steel partsKey words: Vacuum; Low Pressure Carburising; vacuum with gas quenching; vacuum with oil quenching,cooling rate; distortion; variable-speed drive真空滲碳普遍應用于汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)及燃料備快捷、簡(jiǎn)便地在不同冷卻介質(zhì)之間的轉換能力是系統部件,載重汽車(chē)和越野車(chē)的傳動(dòng)部件如:齒套、十分重要的。圖1和圖2所顯示的設備系統能夠滿(mǎn)足上述所有要求小齒輪等,航空、航天器的傳動(dòng)及動(dòng)力系統部件以為了達到對冷卻介質(zhì)的最佳選擇,我們必須認真地及其他諸如液壓泵凸輪、軸承、閥門(mén)等各種工業(yè)產(chǎn)考慮以下幾個(gè)方面因素的影響:經(jīng)濟性/成本(前期投資、維護及維修費用、使用壽命等);健康和目前,大部分真空滲碳過(guò)程的溫度范圍是安全性(應符合各種法規、制度等);最小的變形930~980℃,可達到的有效滲碳層深度為:0.25~(冷卻系統);冷卻性能(冷卻速率/淬火能力);2.05m甚至更深,典型的裝爐量為225-558。多用途(可控制的冷卻速率);環(huán)保問(wèn)題(例如采用真空滲碳工藝通?？梢允∪ゾ徖?、再加熱以及廢水的排放和噪音污染等。隨后的壓力淬火及定徑淬火等工序。在被選定的表面鍍銅或涂防滲涂料可以防止該表面的滲碳1為什么使用氣淬?真空滲碳系統必須具有堅固耐用、功能全面和令人對真空滲碳加氣淬系統非常感興趣的原費效比高等特點(diǎn),因為所處理的工件在尺寸形狀、因之一是其能夠在極的程度上減小各種不同尺寸材料、性能要求、產(chǎn)量等方面差別很大。另外,具工件的淬火變形,尤其是與氣氛滲碳加油淬進(jìn)行比較。例如,對汽車(chē)傳動(dòng)系統的齒輪分別經(jīng)過(guò)氣氛滲作者簡(jiǎn)介:① Dennis Beauchesne,ECM(美國)總經(jīng)理碳加油淬和低壓真空滲碳加15Bar氮氣淬火兩種53141341電子郵件dennisbeauchesne@ecm-usa.com)②不同工藝進(jìn)行處理后的齒形輪廓劃線(xiàn)進(jìn)行比較,能americ Goldsteinas,EcM(法國)工藝工程師,ECM夠很明顯地看出它們之間的差別(圖3)。France, 46 Rue Jean Vaujany-Technisud, 38100 Grenoblefrance;電話(huà):+33(0)476496560;傳真:+33(0)438圖3中的劃線(xiàn)圖表顯示的是某一齒從齒頂表490403:電子郵件: a. goldsteinas( @ecm-ip com;)③唐文面到齒中國煤化工的話(huà)),所測量趙德紅ECM(中國)有限公司北京市朝陽(yáng)區建國路88的是CNMHG低壓真空滲碳加號SOHO現代城B座0607室;電話(huà):010-85802642/3傳真:010-85802645:電子郵件: contact b@ecm-china com)氣淬的結果是所有的劃線(xiàn)均偏向同一方向,這樣就使我們能夠預知齒形的變化并采取措施。而經(jīng)氣氛金屬熱處理》2005年第30卷増刊滲碳加油淬的齒輪,其齒形齒向劃線(xiàn)的方向很雜靜音齒輪采用低壓真空滲碳加氣淬能夠使其加工亂,無(wú)法預測,因而無(wú)法采取適當的措施。結論:過(guò)程更加經(jīng)濟易行。Cas quenchLow.teFig. 1nced vacuum carburizing system using vari- Fig. 2-Saherma tic of expandable high-production vacuum carburizingabfe-speed drive( SD)technology in itsoil-and gas-quench celL furnace system having both gas-and ail- quench cells.圖1在油淬和氣淬室內使用變速驅動(dòng)技術(shù)的先進(jìn)真空滲碳系統圖2具有氣淬和油淬室的可擴展性真空滲碳系統示意圖24+,=Left1818 RightFig 3-Lead profiles(in mm after oil quenching, top, and gas quenching bottom.圖3劃線(xiàn)圖表毫米):油淬后,上部;氣淬后,下部在兩個(gè)同樣的料架中裝入850個(gè)相同工件(圖或鹽浴淬火是勢在必行的。我們堅信用氣淬方式極4)分別采用不同的滲碳淬火工藝處理表明,氣氛有可能在不久的將來(lái)替代目前一些熱處理設備所滲碳加油淬工藝和低壓真空滲碳加氣淬工藝都可采用的油淬方式。以使被處理的工件滿(mǎn)足包括表面硬度、心部硬度氣淬方式之所以能夠成為最佳選擇的另一個(gè)(>35HRC)、滲碳層深度在內的所有的冶金學(xué)要原因中國煤化工力選擇不同的冷求。其他好處:在不犧牲冶金、機械、物理等方面卻氣CNMHG冷卻速度。目前認的性能的前提下減小工件的淬火畸變是十分重要為采用盡可能低的氣冷壓力可以減小畸變。的。因此在保證冷卻能力的條件下用氣淬代替油淬《金屬熱處理》2005年第30卷增刊表1齒輪氣氛油淬及真空油淬的變形尺寸英寸2為什么用油淬?參數熱處理前氣氛滲碳真空滲碳在很多情況下,油淬是能夠取得較好結果的最「平均5.69235.69155.6910好工藝方法之一,尤其是在工件的有效尺寸較大和標準偏離0.001500009材料的合金含量較低的情況下。為了盡可能地減小000150.0040.0027淬火畸變,油槽中淬火油的典型溫度范圍為55~最大尺寸5.69385.69605.6937190℃。最小尺寸5.69085.6870最近通過(guò)對氣氛滲碳后油淬和真空滲碳后油淬火所引起的畸變進(jìn)行比較研究表明(表1):后偏差范圍000.00900.0054*此測量值為跨棒距測量值。熱處理前值=5.692至5690者的效果要明顯優(yōu)于前者Fig 5-Carbon fiber composite(CFFig. 4-Load af automobile transmis- fixturing forgas quenching of ring gears.sion pinion gears used in lead profile study(Fig. 3)圖4汽車(chē)傳動(dòng)系統的齒輪的裝爐形式圖5用于齒套氣淬的復合碳纖維材料(CFC)夾具用于檢測齒形齒向變化(圖3)。3工裝夾具與變形素包括使用的爐子、工件的幾何形狀以及淬火介質(zhì)等。還有一點(diǎn)也需要注意:即使形狀相似的工件也工件在爐中的裝夾和放置方式對工件的淬火必須根據其熱處理后的變形情況而采取不同的裝變形有著(zhù)很大的影響。任何熱處理工藝都要求將工爐方式。件加熱到轉變溫度以上,這時(shí),工件的強度遠遠低復合材料夾具:充分利用氣淬的優(yōu)勢處理如齒于在室溫時(shí)的強度。因此,一些工件在高溫狀態(tài)下套等富于挑戰性的工件,為了確保這種工件在堆疊(如滲碳過(guò)程中)由于裝夾方式的失當而導致在自擺放時(shí)能穩定地保持平坦,采用合適的支撐結構是身的重力作用下產(chǎn)生蠕變和塑性變形。必須的。采用碳纖維復合材料(CFC)或碳一碳復單個(gè)工件淬火的變形情況要好于成堆的工件。合材料(CC)制造的料架(圖5)能夠滿(mǎn)足上述如果必須釆用堆疊方式擺放,層與層之間的支撐很要求特別重要的是應購買(mǎi)那種采用三維緊密編織重要,尤其是薄壁工件。工件在加熱和冷卻過(guò)程中并加強的碳纖維材料制成的料架,這樣可以確保料要求有適當的受熱和散熱面積,特別是采用氣淬架不會(huì )在長(cháng)時(shí)間塌陷后引起工件的變形。當然,由時(shí)。層與層之間相似位置工件需錯開(kāi)擺放,這樣能于復合杖料的松枚以改在操作過(guò)程中需夠保證淬火后心部硬度的均勻性和變形的一致性。要特只是裝卸料機構因為裝爐方式?jīng)]有固定規則,為了得到最小的中的CNMHG淬火變形,工件之間保留適當的間隔和恰當的擺放很多情況下,工裝夾具并不實(shí)用例如大齒輪方向(平放或立放)是需要仔細斟琢的。其他的因大齒輪可能不得不直接擺放在料筐中進(jìn)行處理,如《金屬熱處理》2005年第30卷增刊果料筐的底部是彎曲不平的,那么,在滲碳過(guò)程中型、溫度、質(zhì)量);淬火槽的設計(容量、攪動(dòng))。工件就會(huì )隨之而發(fā)生變形。相似的情況是,爐子的4.1油淬料盤(pán)是另一個(gè)通常被忽視的造成工件變形的原因。在油淬過(guò)程中,淬火油槽的大小對不僅影響淬新近開(kāi)發(fā)并適應市場(chǎng)需求的鎳鋁材料在減小料盤(pán)、火油的瞬時(shí)升溫速率,也影響淬火油的最大升溫速夾具的變形和提高其使用壽命方面表現出令人矚率,但是這種影響是有局限性的。(如果工件在淬目的潛在能力?；鹩椭芯哂泻苄〉慕佑|面積的話(huà),那么擁有大容量4冷卻裝置的影響的油槽,并無(wú)明顯好處。)從這個(gè)方面看,設備導致的可變性是由下列因素決定的:采用的循環(huán)方法由于在熱處理生產(chǎn)過(guò)程中設備因素是影響產(chǎn)(扇葉攪動(dòng)或泵噴)、循環(huán)方式、淬火油加熱方式品質(zhì)量穩定性的最重要的因素,因此,由設備導致和油槽的容量(升溫速率)。還包括淬火油的類(lèi)型、的可變性至少應當被重新認識。了解并控制熱處理傳熱特性、初始溫度以及油池的潔凈程度(污染物過(guò)程的各個(gè)方面的影響對使變形成為可預測(可重的類(lèi)型和含量)等。真空滲碳后采用油淬時(shí),應當復)的是十分重要的。我們應當主要關(guān)注以下幾個(gè)對油槽中的淬火油表面施加一定的壓力,這樣可以方面:裝料尺寸重量(均勻);工件的裝爐方向(平影響油蒸汽的形成而且有助于控制工件的變形。放或立放);加熱速率;保溫時(shí)間和溫度;工藝選4,2氣淬擇(強化方法、碳的來(lái)源);淬火介質(zhì)的選擇(類(lèi)在氣淬過(guò)程中,設備導致的可變性包括:淬火Motor turbineFig 6- Photo and schematic of a typical gas-quench cell圖6一個(gè)典型氣淬室的照片及示意圖室為熱室還是冷室、淬火室的大小、淬火室的內部能地簡(jiǎn)潔以保證高可靠性和降低成本。應當符合設計、風(fēng)扇電機的功率、熱交換器的換熱能力、氣ASME壓力容器標準。注意冷卻風(fēng)機電機的功率應體和冷卻水系統的設計、風(fēng)扇的設計等。氣淬室(圖當滿(mǎn)足冷卻氣體循環(huán)的要求,但其大小受冷卻水冷6)應當是與加熱室隔離的獨立的一個(gè)室(冷室)。卻能力的限制。這不僅僅是因為傳熱速度快,而且對于淬火室的設計可以進(jìn)行優(yōu)化(這樣最大的加熱效率和最大的冷S變速驅動(dòng)技術(shù)卻效率都可以得到兼顧。)齒套(圖9)分別采用變速驅動(dòng)(SD)技術(shù)的應用可使氣淬在控制油淬、不使用ⅴSD技術(shù)的氣淬、使用ⅤsSD技術(shù)的件淬火后硬度和變形方面更具靈活性。VSD技氣淬三種方式淬火后術(shù)對手動(dòng)變速器齒輪軸淬火的影響見(jiàn)圖7,可以看氣淬室的容積應當盡可能地小(典型的大小為出,采用SD技術(shù)后對冷卻的均勻性有顯著(zhù)的提3m3),以減少冷卻氣體的消耗量。尤其是當冷卻氣高的裝載見(jiàn)圖8。齒套(圖9)分別采體不再循環(huán)使用的情況下(通常是在使用氮氣作為用油中國煤化工、使用ⅤSD技術(shù)冷卻氣體時(shí))。也應當盡量地減小再循環(huán)系統的大的氣CNMHG進(jìn)行比較的結果小(壓縮機和儲氣罐)。冷室的內部設計應當盡可見(jiàn)表2。76《金屬熱處理》2005年第30卷增刊100yariable-speed drf sgy eechnlg ooling homogeneity with, top, and without bottom,圖7使用(上)和沒(méi)有(下)變速驅動(dòng)技術(shù)(VSD)后氣淬冷卻均勻性的結果表2可變速率技術(shù)(VSD)對變形的影響尺寸變化/氣淬(未使用氣淬(使用mVSD)VSD)77-8069-7265-685460××X53-56Fig 8- Loads of manual transmission「4245-48圖8在提高氣淬均勻性的實(shí)驗中,33-3629-3225-2821-24X17-209-125-80-4齒套的齒根曲線(xiàn)數據Fig. 9-Ring gear load used in tests ofeffect of vsd technologv on distortion中國煤化工手動(dòng)變速齒輪軸的裝料方式(結果見(jiàn)圖6)CNMHG圖9用于測試變速驅動(dòng)技術(shù)(SD)對工件變形影響的齒套的裝料方式(結果見(jiàn)表2)《金屬熱處理》2005年第30卷增刊6冷卻水的作用冷卻水的溫度保持在15℃以下。要點(diǎn):在淬火過(guò)程中監測冷卻水系統出水口的氣淬系統的熱交換器的設計必須具備適合高水溫是一種衡量冷卻效率的極好的辦法。壓氣流沖刷和良好的熱交換性能。當具有較大表面為了減少冷卻水的消耗量,應當考慮采用組合積的厚大工件采用20bar氣淬時(shí),在淬火過(guò)程的最的冷卻系統:在淬火過(guò)程的最初2—3分鐘內能夠初幾秒種內熱量的散發(fā)量特別大。因而,冷卻水流提供足夠的冷卻水,以滿(mǎn)足淬火要求。而在其余的不恰當、水壓低或者流量低都將導致熱交換器中的階段,通過(guò)一個(gè)轉換開(kāi)關(guān)的調節,減少冷卻水的供冷卻水發(fā)生汽化沸騰現象。更加糟糕的是,不暢應量。通的冷卻水管路因為壓力的迅速增大而導致管路和熱交換器的損壞。7油淬和氣淬實(shí)例恰當地選擇淬火介質(zhì)的前提是弄清楚工件的服役條件和特性,以及根據這些條件和特性所作出的設計、選用的材料等。這些因素決定了低壓真空滲碳后是采用氣淬還是油淬能滿(mǎn)足工件的使用要求例如,大型卡車(chē)的變速器齒輪軸(圖10,上)采用AISI8620(20 NiCrMo2)低合金鋼制造,必須采用油淬才能達到其性能要求。在90℃的淬火油中淬火,其中徑位置的心部硬度僅能達到25HRC。全部處理周期為5小時(shí),有效硬化層深度為1.3mm。裝爐量為450kg。與上面的工件形成對比的是,車(chē)軸齒輪(圖10下)采用AISI4320M(M為改進(jìn)型)鋼制造,用10bar壓力的氮氣淬火,心部硬度為37HRC,有效硬化層深度為0.75m。全部處理周期為3小時(shí)。凈裝爐量為360kg。更多的適合采用低壓真空滲碳加氣淬工藝的材料見(jiàn)表3。8選擇氮氣的原因對于高壓氣淬來(lái)說(shuō),使用氮氣是最廉價(jià)而且最安全的選擇。氣淬熱處理設備絕大多數(99%)采Fig. 10-Truck transmission, top用氮氣,普遍都能達到20bar的壓力。對于要求具were oil quenched, while the automobile axlepiniongears, bottom, were high-pressure gas有極快冷卻速率的氣淬室來(lái)說(shuō),采用氮氣是因為它所具有的熱力學(xué)特性。包括氮氣的密度都被考慮在圖10卡車(chē)變速器齒輪軸油淬(上)設計中。氮氣所能達到的冷卻速率對大多數普通鋼和高壓氣淬的裝料方式(下)材來(lái)講都是有效的,包括那些用于制造汽車(chē)動(dòng)力系心部硬度:不僅是在特定的熱處理周期,而且齒輪的鋼材。在一年中的整個(gè)時(shí)段,控制冷卻水的溫度對取得穩氮氣能夠被回收和再利用。然而,根據一項對定的結果是十分重要的。在夏季,熱交換器中的冷回收氮氣和不回收氮氣兩種情況的成本進(jìn)行比較卻水溫度會(huì )較高,淬火后檢測工件的心部洛氏硬度的投資收益分析報告顯示,哪種方式更好根據不同時(shí),會(huì )出現少許的軟點(diǎn)。低淬透性鋼制造的工件特的情況有所不同。分析報告匯總了回收系統的投資別容易出現上述情況。中國煤化工護費用等,通常,27℃以下就足夠了。但是,對于厚大的工件或者一用是最劃 CNMHG次淬火后不回收利通常,對于氣淬而言,冷卻水的溫度保持在也些較難處理的合金,為了得到高的心部硬度應當使目前,高壓液氮系統(30bar)被氣體供應商提《金屬熱處理》2005年第30卷增刊出作為替代昂貴壓縮機的一種可選方案。在這個(gè)壓力下,氮氣可以由緩沖罐(儲槽)直接提供。表3表面硬化淬火介質(zhì)選擇材料淬火氣壓心部硬度工藝別2介質(zhì)3BarHRCl018油淬20-24滲碳油淬l117油淬22-26碳氮共滲12L14油淬226碳氮共滲10氣淬10-1532-36滲碳402715-2033-3515-2033-35滲碳CO2-He412015-2033-35滲碳Fig. 11-Average cooling rate observed4142M油淬in gas quenching of Als1 5120 low-alloy steeling gearsusing nitrogen helium, and a CO2-4320氣淬12-2033-35滲碳He mi12-2028-34碳碳碳碳圖11使用氮氣、氮氣以及二氧化碳和氮的混合氣體對4620氣淬0-200-35滲碳AIS5120齒套氣淬平均冷卻速率的比較4820氣淬5115油淬汽氣淬122032-36滲碳10氣淬技術(shù)的未來(lái)發(fā)展氣淬15-2028-32滲碳目前,氣淬是一種被證明有效的、對用戶(hù)友善氣淬2032-40滲碳的并且能夠簡(jiǎn)化加工工藝的先進(jìn)技術(shù)。勿庸置疑203842滲碳真空滲碳加氣淬技術(shù)具有光明的發(fā)展前景在當前混合氣體的冷卻速度十分注重產(chǎn)品的設計制造先進(jìn)性的聯(lián)合制造過(guò)程中,該技術(shù)將扮演越來(lái)越重要的角色ECM公司和 AIR LIQUIDE公司通過(guò)對可選擇發(fā)展趨勢:為了達到使工件的變形可預測和盡的淬火氣體的廣泛的研究,聯(lián)合獲得了一項關(guān)于使量減小工件的變形的目的,真空滲碳技術(shù)的用戶(hù)和用二氧化碳(CO2)和氦氣(He)混合氣體作為淬潛在用戶(hù)正積極地致力于工件用鋼材地研究,以開(kāi)火介質(zhì)的專(zhuān)利技術(shù)。使用二氧化碳和氦氣的混合氣發(fā)價(jià)格低廉但淬透性較好的鋼材。甚至在同一牌號體所能夠達到的冷卻速率比用純氮高30%。這項的鋼材中,用戶(hù)也常?？梢灾付ㄙ徺I(mǎi)那種化學(xué)成分技術(shù)的優(yōu)勢還在于能夠比使用純氦的價(jià)格低廉,并位于淬透性帶上端的鋼材而無(wú)需支付額外的費用。且減少了氦氣的使用量。使用這種混合氣體的回收這給淬火和防止變形提供了更大的靈活性。這種策系統的設計已經(jīng)完成略對于氣淬尤其有益的,并且是我們能夠采用更低這種新的混合氣體具有和純氮同樣的密度。因的氣淬壓力。變速驅動(dòng)技術(shù)(VSD)既可應用于氣此我們完全可以采用原來(lái)使用純氮作為淬火介質(zhì)淬室也可應用于油淬室,能夠提高熱處理質(zhì)量和質(zhì)的氣淬室而不需要進(jìn)行重新設計。量的穩定性。淬火室內部構造的最佳方案可以用計在一個(gè)試驗中,一種單件重量為32kg,材料算機流體力學(xué)模擬設計?？梢云诖氖?未來(lái)氣淬為AISI5120的齒套,裝爐量為300kg,分8層裝的冷卻速率和冷卻均勻性會(huì )有更大的發(fā)展。但是爐,采用不同的混合氣體及能夠滿(mǎn)足完全轉變的氣油淬作為一種好的方法將被保留,尤其是當工件因體壓力進(jìn)行淬火試驗,結果顯示(圖1):CO2為尺寸過(guò)大或者材料的合金含量過(guò)低用別的方法He混合氣體的冷卻速率比純氮高50%。在另一個(gè)無(wú)法中國煤化工摩火模擬軟件的問(wèn)試驗中,單件重12kg,材料為AIS8620的齒套世能CNMH裝爐更加有效、如用新型混合氣體淬火后,心部硬度比用純氮淬火提何制丈及m入上乙巴括當被指定的材料高了15%。能夠滿(mǎn)足要求時(shí)采用的分級淬火工藝等?！督饘贌崽幚怼?005年第30卷增刊參考文獻1."Modular Vacuum Thermal Processing Installation": U.S. Patent 6,065,964, May 23, 20002. 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