真空渗碳技术国内外概况及发展

1、 真空渗碳技术国内外概况及发展张建国, 丛培武(北京机电研究所, 北京100083摘要:重点介绍了国际上真空渗碳的最新进展, 如乙炔渗碳, 碳化氢气体和含氧气体混合使用的真空渗碳, 气氛反馈控制法的原理及工艺, 对热壁、冷壁式真空渗碳设备进行了对比分析。期望这些介绍对推动国产真空渗碳技术及新设备的研发能有所帮助。关键词:真空渗碳; 炭黑; 饱和值调整法; 反馈控制法中图分类号:TG155. 1文献标识码:A文章编号:025426051(2003 1020052204Development of V acuum C arburizing T echnology at H ome and Abro

2、adZHAN G Jian 2guo ,CON G Pei 2wu(Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology ,Beijing 100083,China Abstract :The authors emphatically introduce the latest international development of vacuum carburizing technolo 2gy under the situation of environmental protection which reques

3、ts decreasing the exhaustion of CO 2. The develop 2ment includes the principle and process of acetylene carburizing ,vacuum carburizing with gas mixture of hydrocar 2bon and oxygen 2bearing gas ,atmosphere 2feedback 2control method. A comparision and analysis were carried out for the hot 2wall vacuu

4、m carburizing equipment and the cold 2wall one. All of these can promote the development of new vacuum carburizing equipment in China.K ey w ords :vacuum carburizing ;sooting ;saturation adjust method ;feedback control method1概况国际上真空渗碳是1968年开始研究,1972年发表的新技术, 当时被热处理界誉为“701新技术”。该技术开发初期, (1kPa 3kPa 2,

5、, 。为了, 直到50kPa 的程度, 并增加搅拌风扇。由此产生两个新问题:多量的渗碳气体热分解后产生大量炭黑, 吸附并堆积于炉内, 造成运转和维修困难。在实际生产中装炉量的增大会导致设备费用加大、成本提高, 从保证产品质量的角度, 真空渗碳炉内气氛的监测分析与控制无法进行。所以真空渗碳技术在国内外, 包括一些发达国家的应用范围有限, 难于推广普及。在欧洲真空渗碳技术应用稍多一些。常使用的渗碳气体是丙烷, 压力3kPa 3, 控制方法是采用模拟和仿真技术。在大量试验基础上, 根据渗碳结果和装炉工件表面积、渗碳气流量等的关系, 开发了“真空渗碳软件”。该软件已输入了以下技术参数:, 男, 北京人

6、, 研究员级高工, 主要作者简介:张建国(1940从事真空热处理工艺及设备的研究工作, 发表论文30余篇, 获部科技进步二等奖2项, 实用新型专利2项。联系电话:010262935533收稿日期:2003206220渗碳温度、度、渗碳层深, 计算出执行渗碳工艺、扩散时间, 就可以实现过程控制。由此可见, 这种方法是建立在经验基础上的“饱和值调整法”, 即在渗碳期使奥氏体固溶碳并饱和; 在扩散期使固溶了的碳向内部扩散达到目标要求值。目前装备了这种软件的周期式、连续式真空渗碳炉在生产中都有所应用。我国在“六五”、“七五”期间曾开展过真空渗碳技术的研究, 开发制造了WZST 系列真空渗碳炉及低压小流

7、量的渗碳技术, 使用丙烷、压力10kPa 1313kPa 4、稳压或脉冲供气均可。控制方法也属“饱和值调整法”, 即用调整渗碳、扩散时间之比, 达到控制表面碳浓度和渗碳层深度。设备主要用在齿轮、蜗杆、轴类零件的生产中。但目前应用的批量、装载量都不大。当装载量增大后, 也有炭黑的污染问题。因此, 我国除引进欧洲技术及设备外, 国产真空渗碳炉也有应用, 但用量不大, 推广普及尚有难度。众所周知, 传统的气体渗碳已经历了40多年, 而且在产业界被广泛应用, 在当今渗碳方法中占据着主导地位。但是从品质(晶界氧化层 、经济性(气氛制备和消耗 、交货期(生产周期 等方面看, 未来不能完全依赖此法。另外国际

8、上环保规定, 为防止52金属热处理2003年第28卷第10期 “温室效应”, 向大气层的排放CO 2量受到严格限制, 致使此方法面临严重的挑战。为此, 无晶界氧化层、节气节电、可缩短工艺周期时间、CO 2排放量极少的“真空渗碳”技术再次被重新评价2, 其技术创新、装备的改进再次进入“活跃期”, 国际上各大著名公司如美国Ipsen 、德国ALD 、法国ECM 、日本东方、中外炉和同和矿业等都有各种不同的技术举措和专利, 其中有些带有“方向性”的动向, 引起同行的兴趣和重视。2真空渗碳用气的发展趋势211丙烷(C 3H 8图116MnCr5钢试样渗碳后表面碳浓度分布Fig 11The carbon

9、 density distribution curves of 16MnCr5steel after carbuizing因丙烷含有丰富的“碳”源, 真空渗碳一直采用丙烷作为渗碳气。但随被渗工件装炉量增大, 压力空渗碳技术克服了多年以来丙烷真空渗碳极易出现也随之增加, 当压力超过一定量时, 即有炭黑出现。“炭黑”的缺点, 并被Ipsen 公司在世界范围内申请了为防止炭黑的产生, 有的人采用掺入惰性气体, 稀释专利5。图2是16MnCr5钢制<3mm ×90mm 的盲4丙烷气的方法减少炭黑; 也有的人改变丙烷气送孔试样在不同渗碳气体渗碳后, 硬度沿盲孔深度变入方法, 采取合理配置

10、喷嘴及吸入位置, 以确保丙烷化的试验结果。以适当的浓度和被渗工件快速均匀接触, 并以此作使盲孔深深处硬度就2为抑制炭黑技术今后发展的方向。真空渗碳在工不足, 业上应用20多年的主要困难是, 。显然乙炔(600 , 1100 。C+H 2+CH 4, , 强, 而且只在与金属表面接触时才分解, 这就使得在复杂形状、深盲孔、批量装炉等情况下, 既能实现均匀渗碳, 又使污染降为最小。这种使用乙炔气的真反应, C , 、。用增加丙烷气进入炉内的流速等方法只能改善碳的传输, 而不能防止这种反应的发生。所以用丙烷气作为渗剂, 致使真空渗碳在工业应用中极其有限5。212其它不饱和碳氢化合物气体在真空条件下用

11、乙烯(C 2H 4 、乙炔(C 2H 2 、丙烯(C 3H 6 等气体对钢直接渗碳的方法是目前正在开发研究的主要动向2。有的甚至取得了很好的效果。其中乙炔的研究和使用逐年增多, 并取得了较好的效果。图1为16MnCr5钢试样采用4种渗碳气(甲烷、丙烷、乙烯、乙炔 渗碳后碳浓度的分布曲线5。从图中可以看出, 甲烷表面碳浓度最低012%, 基本上没有渗碳能力。乙炔表面碳浓度最高达114%, 渗碳能力最强, 丙烷、乙烯结果相同, 渗碳能力居中。而且在相同的渗碳层深, 用乙炔渗碳时碳浓度要高011%。碳的富化率(g/m 2h 也具有相同的规律, 甲烷为2, 丙烷和乙烯为120和130, 乙炔最大, 接

12、近150。乙炔不仅“碳”源丰富、传输能力强、 渗碳能力图216MnCr5钢试样硬度沿孔深度的变化Fig 12The change of hardness of the sample alongthe depth of hole.213含“氧”的真空渗碳用气真空容器内的碳氢化合物气体在高温下对钢件进行直接渗碳, 没有“氧”的介入, 渗碳反应仅是碳化氢气的裂解。这是以往我们对“真空渗碳”的认识。但是含“氧”真空渗碳用原料气的出现“冲击”了真空渗碳原有的概念, 并推出了一项新技术。3新型的真空渗碳技术311真空渗碳新方法的由来上世纪8090年代, 美、德、日等国都使用过一种不用发生炉, 直接把原料气

13、送入常压下的渗碳炉内进行渗碳的方法, 即直接渗碳法(Fine Carbo 简称53金属热处理2003年第28卷第10期 FC 法。该方法使用的原料气为“丁烷+二氧化碳”或“丙烷+二氧化碳”。炉内的气体反应如下6:(1 C 4H 10=C+C 3H 8+H 2C 3H 8=C+C 2H 6+H 2C 2H 6=C+CH 4+H 2CH 4=C+2H 2C 4H 10+2O 2=5H 2+4CO 2H 2+O 2=2H 2O4H 2O +C 4H 10=9H 2+4CO C 4H 10+4CO 2=5H 2+8CO C+CO 2=2CO H 2+CO 2=CO +H 2O 2C+O 2=2CO(2

14、 (3 (4 (5 (6 (7 (8 (9 (10 (11图4氧探头值的异常现象Fig 14Abnormal phenomenon of oxygen sensor value按被处理工件的原始条件:材质、表面积和目标表面碳浓度等, 采用饱和值调整法即调整渗碳和扩散时间比来调整表面碳浓度和渗碳层深度是目前真空渗碳常用的控制方法。但由于炉内气氛的渗碳能力(碳势C p 、工件的目标碳浓度与炉子的泄漏程度、构炉材料和工件吸附物的含氧量等多种因素有关, 所以这种控制方法是不全面的。而减压下使用特殊氧探头, 可以完全不必依赖过去真空渗碳的经验, 为实现精密的“反馈”3139018%, 17mm 。处理压

15、力<616kPa 经检测无晶界氧化层, 表面碳浓度、层深符合产品技术要求 。直接渗碳法比吸热式气体渗碳法可节约渗碳原料气70%95%, 节约时间2216%6,CO 2排放量可削减70%7, 并能在高碳势气氛或高温下进行渗碳。20世纪90年代以来, 以直接渗碳法为基础, 并把此法改在真空渗碳炉中进行, 称其为:低压直接渗碳法(Low Pressure Fine Carbo 简称LPFC 法。使用此方法的渗碳炉被称为气氛控制式真空渗碳炉。312氧探头。图3的关系。由图3可见渗碳气添加量增加时, 氧探头值迅速升高, 此时炉内的氧浓度极低, 气氛渗碳能力增强。由图4可见渗碳气添加量比正常值高,

16、或者说炉内除工件正常吸碳外, 还有过剩的碳源, 这时将产生炭黑, 如图4中曲线1。当炉子有泄漏时, 氧探头值变低, 炉内氧浓度升高, 这时渗碳能力变弱, 或渗碳不均匀, 如图4中曲线2。根据这些变化, 实施对渗碳气的添加量进行适当控制成为可能 。图530CrMo 钢工件低压直接渗碳工艺Fig 15Low pressure vacuum carburizing processof parts made of steel 30CrMo(a 950(b 1050314新、旧真空渗碳方法对比图3丁烷气添加量和氧探头值的关系Fig 13Relation between adding volume of

17、butaneand oxygen sensor value新、旧真空渗碳方法比较见表1。新工艺具有节气、节时、无晶界氧化层、表面光亮等优点, 同时还能克服使用旧方法时容易出现的“尖角过渗”现象。调54金属热处理2003年第28卷第10期 表1新、旧真空渗碳方法对比T able 1The comparison betw een new and old carburizing processes项目原料气压力渗碳机理控制方法应用状态旧真空渗碳法C 3H 8或C 2H 2 等新真空渗碳法C 3H 8+CO 2或C 4H 10+CO 2减压碳氢化合物气在真空条件下裂解, 前述化学反应式(1 (4 靠经

18、验的“饱和值调整法”已有应用减压碳氢化合物气在真空条件下裂解, 前述化学反应式(1 (4 一氧化碳气传递的介入, 前述化学反应式(5 (11 靠特殊氧探头的“反馈法”研发并开始进入实用阶段整含氧真空渗碳用气中的CO 2含量及混合气的压力, 可防止晶界氧化层的出现。更重要的是可以检测出真空渗碳气氛中“氧势的规律”。根据这些规律开发出适合真空状态下使用的特殊氧探头, 使得真空渗碳过程能象普通气体渗碳那样实现“反馈控制”, 这无疑更是一项具有开拓性的、意义深远的工作。5真空渗碳技术的未来发展方向真空渗碳技术未来的发展特点是低压渗碳(4kPa 。用乙炔(1kPa 替代丙烷的真空渗碳技术已被Ipsen

19、公司在世界范围内申请了专利。在日本最大(780kg/炉 的热壁式真空渗碳炉(压力117kPa 已运转500多炉次, 对多品种零件渗碳及畸变小的淬火得到了良好的效果10。日本东方公司介绍了真空条件下检测碳化氢气体分解度及真空条件下直接测定氧浓度的探头, 以求实现与常压下气体渗碳一样的“气氛浓度的反馈控制”, “带有气氛控制系统( , 并研制出气 真空渗碳炉。这些重要的技术, 为真空渗碳技术注入了新的生命。从渗碳技术长期发展的历史来看, 由于新技术4真空渗碳设备的发展动向热壁和冷壁真空渗碳炉加热室结构见图6。1纤维风扇2陶瓷纤维绝热层3碳质发热体4碳纤维辊道5水冷套6辐射管发热体图6真空渗碳炉加热室结构比较Fig 16Comparison of heating chamber structures of vacuumcarburizing furnace不断出现, 气体渗碳方法的缺点和不足已被广大用户所认识和体会。一种没有火焰、没有炭黑、节能、省资源、二氧化碳排放量极少和符合环保要求的真空渗碳新技术的出现应是为期不远的事。参考文献:1内藤武志. 渗碳淬火实用技术M .北京:机械工业出版社,1985:103.2门野彻. 关于真空渗碳J.工业加热(日 ,2002,39. (1 :29.3张连进. 真空渗碳技术的进展R.法国ECM 工业炉有