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龙族幻想装备部在哪里:真空熱處理的發展和展望

文字:[大][中][小] 2015-5-30    瀏覽次數:4845    

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       真空熱處理是指金屬制件在真空或先抽真空后通惰性氣體條件下加熱,然后在油或氣體中淬火冷卻的技術。由于真空熱處理時,工件基本不氧化,鋼件不脫碳,采用通氣對流加熱方式還可使加熱均勻,減少表面和心部的溫差,從而也減少畸變。目前它已成為優質工模具不可或缺和首選的熱處理工藝。更為可貴的是,真空熱處理在生產過程中不會產生任何污染環境的物質,從而被大家公認屬于清潔生產技術范疇??梢院斂豢湔諾廝?,真空熱處理已成為當前先進熱處理生產技術的主要標志。

當前真空熱處理發展的主要特點是對流加熱、高壓氣淬、低壓滲碳、離子滲碳、乙炔滲碳等諸方面。為了使熱處理同行在生產技術改造中能正確了解和掌播真空熱處理的發展趨勢,從而能適當選擇、推廣應用。本文就這些技術發展的特點分別加以介紹,以饗讀者。

  1.對流加熱技術

  在真空條件下加熱工件,主要依賴輻射。由于輻射傳熱與溫度的4次方成比例,所以在850℃以下輻射效果不高,工件加熱速度很慢;其次,因為金屬材料中的某些合金元素在低壓條件下加熱時有蒸發損失現象,會造成表面合金元素的貧乏,以致影響其淬火后的表面層性能。

  對流加熱技術是指先將真空爐爐膛抽到一定真空度,然后通以0.1—0.2MPa的惰性(Ar、He)、中性(N2)或還原性(H2)氣體,并在充分攪動條件下施行加熱,與在單純真空條件下比較,加熱速度至少可提高一倍以上

  2.高壓氣淬技術

  高速鋼和高碳高合金模具鋼、工模具經過真空加熱油中淬火后,在刃部和薄壁部分表面會出現由合金碳化物構成的高硬度白亮層,脆性很大,服役時易崩刃,造成早期失效。高速鋼的熔點較低,淬火加熱的奧氏體化溫度接近熔點,在真空中加熱時,表面得到很大程度的凈化,使表層原子保持較高的活性,而在處于一定真空度下的油中淬火冷卻時,工模具在油氣膜的瞬間表面也會增碳,從而進一步降低熔點,以致表面局部出現熔化現象,所以高碳高合金工模具鋼真空加熱后在油中淬火是不可行的。

  高碳、高合金工模具鋼真空加熱奧氏體化后在惰性、中性或還原性氣體中淬火冷卻是惰性。中性或還原性氣體中淬火冷卻是保證質量的唯一可行途徑。但是負壓和常壓下的氣冷不能使大型工件或批量爐料都獲得好的淬硬效果。一則氣體本身也需要冷卻,二則在有限體積條件下要增加氣體的冷卻能力,只有靠增加冷卻氣體的量,即提高冷卻氣體的壓力來實現。

  1975年開發出了第一臺0.2MPa的氣淬爐,而第一臺0.5MPa氣淬爐是1977年開發出的。

  Bernd Edenhofer對各種液體和不同壓力下的各種氣體淬冷介質的導熱能力進行了定量的比較??梢鑰闖?,隨著氣體壓力的提高,其導熱能力逐步增加。常用的各種冷卻氣體的導熱能力有很大差別,在N2、H2、He和Ar4種氣體中以HZ的冷卻能力最強,  He次之,  N2第三;Ar最差。N2的冷卻能力雖然較差,但其價格最低,且安全,故使用最廣。2MPa以上壓力以用He居多,但He很貴,每次淬火后必須考慮回收。

  在爐中施行單件加熱和淬冷時,0.6MPa的N2即可達到油在攪拌狀態下的冷卻能力;0.6MPa的He可達到聚合物淬火介質,甚至水的冷卻能力; 0.6MPa的 H2可完全達到水的冷卻能力。而整批裝料時,1MPa的N2也達不到熔鹽的冷卻能力;2 MPa的He也只能達到油冷卻能力的下限;而2~4 MPa的HZ的冷卻能力可完全包容油冷能力的范圍。氣冷淬火,包括高壓氣冷淬火的另一最大優點是工件的淬火畸變很小,開裂傾向也小。在氣冷淬火時,適當控制氣體溫度還可得到等溫或分級淬火效果,從而進一步減少畸變。

  可改變氣流方向的真空高壓氣淬爐早在20世紀80年代初即已開發。而氣流方向可在上下、前后變化的垂直氣流通過整裝爐料的高壓氣沙方式直到3年前才出現。

  靠提高氣體壓力和采用He、H2高熱導率氣體冷卻可以提高單室氣淬爐的淬冷能力,但也會提高生產成本。改善爐子結構,使氣流通道通暢,減少阻力,采用新開發的強力風扇,使用提高熱交換面積50%的新式水冷熱交換器等措施不會使單室爐的投資明顯增加,但卻能提高其淬火冷卻能力30%。經過如此改進的單室爐仍然難于和油淬爐相比,而針對既定材料和已知截面尺寸的零件已足以使工件淬硬,但舊式一般單室爐卻難以達到。

  雙室高壓氣淬爐相對于單室爐在冷卻效果上具有無可置疑的優越性。工件在加熱室被加熱奧氏體化以后轉移到冷的爐腔再進行氣體冷卻,可以使需冷卻的物料質量減少50%,由于冷態爐腔截面有可能進一步縮小,就使氣體的流速加大。在單室爐的熱態爐腔中氣冷,氣體本身濕度可達200~250℃,而在冷護腔中冷卻時,氣體溫度則只有50℃,另外在工件和氣體間的懸殊溫差也會導致爐子冷卻能力顯著增加。

  經過如此改進的在雙室爐的冷腔中氣淬可以使爐子的綜合冷卻能力比單室護提高60%一80 %。

  多層工件密集裝爐時,高壓氣冷就很難達到油的冷卻效果。采用高速氣流噴嘴可以顯著提高氣淬時的冷卻能力。高速噴嘴可使氣流速度從10m/s直到 200m/s。單個和單層零件在0.1MPa的空氣或氫氣噴射氣流中冷卻時相當于 1MPa He在多層密裝爐時的冷卻能力。0.6MPa N2的噴射氣流在單件或單層裝料時可達到快速淬火油的平均淬火烈度,而在全密集裝料時卻需要4MPa的H2。

  Ipsen公司還開發出一種Flux-Sensor(氣流傳感器),可放在爐料中直接測出冷卻曲線,測出流過傳感器表面的熱流,從而計算出傳熱系數。此傳感器可放在任何真空護中,在各種裝料條件下使用,獲得每爐次的冷卻熱流和傳熱系數值。該傳感器的主要功能是判別不同真空爐的淬冷能力,其次是證實每個爐次淬冷周期的重現性。利用這種測量裝置,配以適當的軟件系統把新測出的傳熱系數推及到其他材料和不同尺寸零件,預測其淬火冷卻條件。這種控制系統被稱作Vacu-Quench-Expert(真空淬火專家系統);另外它還儲存有關于裝爐方式、與溫度有關的材料數據、連續轉變曲線以及求解熱交換和傳熱問題的必要的計算機程序。

  3.低壓(真空)滲碳技術

  和常規氣體滲碳相比,低壓滲碳具有一系列優點,諸如在滲層中不會出現內氧化和反常組織,工件表面光亮、滲速快,易于實現離子滲碳和高溫滲碳,進一步提高滲速。低壓滲碳后再施行高壓氣淬,可使滲碳淬火的鋼件畸變減到最低程度。近幾年陸續向世的半連續和連續式低壓沙碳爐以及滲碳淬火回水連續式生產線為推廣低壓滲碳技術創造了良好條件??梢韻胂?,汽車工業中大量滲碳淬火件改用低壓滲碳的技術革新高潮已指日可待了。

  70年代開發的低壓滲碳技術由于滲層均勻性和爐中集炭問題的阻礙,早期的低壓滲碳爐未能得到廣泛采用。當前這些問題基本上都得到解決。由于采用滲碳氣體的特種噴射人爐機構和把通人的氣體壓力降低到1X10-4 MPa以下,以及施行脈沖供氣方式,爐中和工件表面積存炭黑現象已不復存在。目前的低壓滲碳技術能保證滲層深度在0.6mm情況下,滲層均勻度在土0.1mm以內。

  德國  ALD  Vacuum  TECHNOLOGIES  AG公司新開發的半連續式低壓滲碳護用于汽車同步環960℃的滲碳,在2MPa的He中淬火。用過的He氣可以回收再用。和油淬相比,高壓氣淬后的齒輪畸變顯著減小。

  Ipsen公司新開發的三室離子滲碳爐具有油淬和氣淬雙重功能。滲碳氣體可用CH4、      C3 H8,冷卻氣體用N2、H2或Ar。工件滲碳后氣冷在另一冷腔內進行,氣體壓力可達0.6MPa,在整爐裝料條件下,用N2、H2冷卻時,可接近或達到油的冷卻能力。

  Ipsen公司新開發的AvaC 滲碳技術是在低壓滲碳過程中采用乙炔(C2H2)作為滲碳氣體。在一般低壓滲碳時,CH4的分解度極低,滲碳效果很差,C2H4、C3H8等氣體的滲碳能力都較強,而滲碳和滲透能力最強的是乙炔。用乙炔可使Ф3mm X90mm的不通孔內部都滲上碳,而且從孔口到底部滲碳淬火后都能達到770~840HV;的硬度。這對于發動機噴油嘴內孔滲碳十分有利。為此Ipsen公司開發的RVTC低壓滲碳和冷腔高壓氣淬雙室爐,可用于航空工業的齒輪、軸承或特種零件的滲碳淬火。另外,該公司新開發的用乙炔滲碳的半連續式低壓滲碳、油中淬火、清洗、回火生產線用于生產汽車變速箱齒輪,每條線每日生產量可達5400kg。

  低壓滲碳時,由于不存在滲碳氣體和鋼件的平衡反應,鋼件在高溫下處于碳氫化合物氣體中,數分鐘內表面即可達到很高的合碳量,從而增大工藝控制的難度。到目前為止生產中仍采用在不同溫度和氣壓條件下碳傳遞速度的試驗測定數據來控制。這些數據存儲在數據庫和有關碳滲入和擴散的計算機程序中。當計算的鋼件表面合碳量達到奧氏體的飽和極限時,控制系統就中止滲碳(強滲)。此過程僅持續數分鐘,依次施行滲碳、排氣和擴散直到獲得規定的滲層厚度為止。


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