CN100363527C - 稀土真空高压脉动低温化学热处理方法及其系统 - Google Patents

Abstract

稀土真空高压脉动低温化学热处理方法及其系统，它涉及一种化学热处理方法及其装置。为解决现有化学热处理工艺存在生产过程周期长、效率低、温度高、能耗高、变形大的缺点，本发明的方法包括下述步骤：将工件置于真空马弗罐中，依次加入稀土的醇溶液→NH₃→N₂，在10～20kPa→1～5个大气压下反复脉动。所述系统包括渗剂系统、真空系统、高压系统与计算机控制平台，其中真空系统包括加热炉、真空马弗罐、热电偶温度传感器、机械真空泵和残氨吸收过滤器，渗剂系统包括渗液计量杯和渗剂气罐，高压系统包括高压氮气储气罐。本发明具有生产周期短、渗速快、温度低、变形小等优点，渗速提高2～3倍，组织性能全面提高。

Description

稀土真空高压脉动低温化学热处理方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种化学热处理方法及其装置。

背景技术

工件经过化学热处理获得一定渗层的硬化层，一般都存在生产过程周期长、效率低、温度高、能耗高、变形大的缺点。例如，工程上应用最多的汽车齿轮在920～940℃渗碳保温数小时至数十小时，然后淬火冷却，齿轮精度因变形下降2～4个等级，属于高能耗、变形大的工艺。而化学热处理居第二位的渗氮工艺，温度为500～600℃，工艺时间一般都长达30～50小时。此外，工艺处理过程还存在质量问题。轿车在汽车制造业中所占比重超过50％，轿车齿轮属于轻载、高速、小模数精密齿轮系列。目前我国基本上都采用渗碳淬火工艺，热处理后变形大，装配精度差，传动欠平稳，噪声大，达不到出口标准，若要达到出口标准就需要增加磨齿工序，使成本增大，所以目前只能自产自销。上述这些化学热处理工艺中存在的老大难问题，只有通过技术创新才能解决。

发明内容

为了解决现有化学热处理工艺存在生产过程周期长、效率低、温度高、能耗高、变形大的缺点，本发明提供一种具有生产周期短、渗速快、温度低、变形小优点的稀土真空高压脉动低温化学热处理方法及其系统。本发明所述稀土真空高压脉动低温化学热处理方法包括下述步骤：a、升温：控制反应体系的温度在500～600℃之间；b、将工件置于真空马弗罐中；c、抽真空至真空度为10～20kPa，依次加入稀土的醇溶液→氨气，然后通入高压N₂，控制罐内压力为1～5个大气压；d、重复c步骤，在真空度为10～20kPa→高压为1～5个大气压→真空度为10～20kPa→高压为1～5个大气压的条件下反复脉动，直至工件表面硬度HV_0.2＝850～1000，脆性≤2级。

所述稀土真空高压脉动低温化学热处理系统包括渗剂系统、真空系统和加压系统与计算机控制平台，其中：一、真空系统：所述真空系统包括加热炉、真空马弗罐、热电偶、机械真空泵和残氨吸收过滤器，其中：a、加热炉：所述加热炉的底部开有冷风进口，上部开有热风出口，内部设置有具有耐高压的冷却法兰密封胶垫的真空马弗罐，冷风进口与冷却风机连通；b、真空马弗罐：所述真空马弗罐的上端设置有密封水冷式风机，罐盖上开有取样口；c、热电偶温度传感器：所述热电偶温度传感器的输入端通过管线与计算机控制平台连接，检测端设置于加热炉内部；d、机械真空泵和残氨吸收过滤器：所述机械真空泵的输入端通过管线分别与真空马弗罐和计算机控制平台连接，输出端通过管线与残氨吸收过滤器的输入端连接；e、残氨吸收过滤器：所述残氨吸收过滤器的输出端通过管线与计算机控制平台连接；二、渗剂系统：所述渗剂系统包括渗液计量杯和渗剂气罐，其中：a、渗液计量杯：所述渗液计量杯通过管线分别与真空马弗罐和计算机控制平台连接；b、渗剂气罐：所述渗剂气罐通过管线分别与真空马弗罐和计算机控制平台连接。

本发明的所谓低温化学热处理，泛指钢的α相区即700℃以下温区的化学热处理。常用的工艺为渗氮、氮碳共渗(又叫软氮化)、渗硫以及多种元素共渗，而用得最多的主要为渗氮及软氮化。本申请的创新点是按工艺设备一体化与机电一体化的现代化设计理念提出的，现分述如下：(1)设备创新理念：真空脉动渗氮方法与设备生产上已经得到少量应用，不仅提高渗速30％左右，而且脆性可控，产品质量也有提高，但渗氮的渗速仍然很慢，试验指出如把所有渗入介质由常压提高至1～5个大气压，则渗速可提高1倍，如果加上工艺创新则提高2～3倍。因此，本发明将真空脉动渗氮与高压渗氮设备合二为一，将原来常压→低真空(10～20kPa)→低真空……反复脉动变为高压(1～5个大气压)→低真空→高压→低真空……反复脉动渗氮，同时提出了相应的结构设计(见图1)。(2)工艺创新理念：化学热处理是在一定温度下渗入元素与钢的表面发生的化学物理过程，可将渗入过程简单的描述为渗入介质的分解→表面界面对渗入活性原子的吸收→渗入原子向内部扩散。原则上这三个过程均可采用催化的办法来加快其反应过程，目前使用的催渗方法已出现多种，最为有效的方法为稀土共渗技术，稀土不仅能提高渗速，而且还能渗入表层起微合金化作用，起第二相形核作用，由于核心弥散，所以第二相析出成十分细小弥散状态析出，达到改善组织和性能的作用。这一独特的作用本发明把它叫做稀土共渗技术。

本发明是将稀土共渗技术(含催渗)与真空低压脉动技术与高压快渗技术融为一体组成的工艺设备一体化与机电设备一体化，专门用于稀土渗氮、稀土碳氮共渗及多元稀土氮、碳、氧、硼、硫复合渗的一种微变形，高效节能，快渗的工艺及装备。本发明将稀土共渗技术与真空高压脉动设备融合在一起，它可以派生出如下新工艺新设备，它们均属于本发明的保护范围之内：(1)稀土真空高压脉动渗氮方法及其装置；(2)稀土真空高压脉动氮碳共渗(又称软氮化)方法及其装置；(3)稀土真空高压脉动低温多元共渗方法及其装置。

本发明具有如下效果：(1)用稀土氮碳共渗脉动方法及其装置全面取代普通硬氮化，渗速提高2～3倍，组织性能全面提高；(2)用稀土共渗脉动方法及其装置低温表面硬化处理部分精密零件，如替代轿车齿轮、机床零件的渗碳处理，大幅度减少热处理变形，提高表面硬度与耐磨耐腐蚀性能，开创一种微米级微变形表面硬化精密热处理新方法，适用于1.0mm以下深度的渗碳层精密零件。

附图说明

图1为稀土共渗真空高压脉动系统结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的稀土真空高压脉动低温化学热处理方法按照下述步骤进行：a、升温：控制反应体系的温度在500～600℃之间；b、将工件置于预热至500～600℃的真空马弗罐中；c、抽真空至真空度为10～20kPa，依次加入稀土的醇溶液→氨气，然后通入N₂，控制罐内压力为1～5个大气压；d、重复c步骤，在真空度为10～20kPa→高压为1～5个大气压→真空度为10～20kPa→高压为1～5个大气压的条件下反复脉动，直至工件硬度HV_0.2＝850～1000，脆性≤2级。

本实施方式中所述稀土为以La和/或Ce为主体的混合稀土金属，或者是La和/或Ce；所述醇溶液为甲醇、丙醇、异丙醇中的一种或几种的混合溶液。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述c步骤中，除了依次加入稀土的醇溶液和氨气外，还加入有渗硼溶液和/或渗硫溶液，可用于多元共渗(含稀土、N、C、O、B、S)。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式的稀土真空高压脉动低温化学热处理系统由渗剂系统、真空系统和加压系统与计算机控制平台11组成，其中：

一、真空系统：

所述真空系统包括加热炉1、真空马弗罐2、热电偶4、机械真空泵12和残氨吸收过滤器13，其中：

a、加热炉1：所述加热炉1的底部开有冷风进口6，上部开有热风出口7，内部设置有具有耐高压的冷却法兰密封胶垫8的真空马弗罐2，冷风进口6与冷却风机5连通，以便工艺完成后加速炉内工件的冷却，减少辅助时间。

b、真空马弗罐2：为了使罐内气氛均匀，所述真空马弗罐2的上端设置有密封水冷式风机3，其下叶片3-1对炉气进行强力搅拌。罐盖9上开有取样口10，便于工艺过程中取样监控，取样口10的内部插有压力传感器16，压力传感器16通过管线与计算机控制平台11连接。为了实现多种工艺，每一工艺参数，如：氨气、氮气、稀土、天然气等，均有管道与真空马弗罐2连通，这些通口均设计在水冷法兰(即罐盖)下部的周边。

c、热电偶温度传感器4：所述热电偶温度传感器4的输入端通过管线与计算机控制平台11连接，由计算机控制平台11中的温度控制系统进行控制，热电偶温度传感器4的检测端设置于加热炉1内部。炉子分三个温度区，炉温的上、中、下三区分别由第一热电偶温度传感器4-1、第二热电偶温度传感器4-2和第三热电偶温度传感器4-3控制。

d、机械真空泵12和残氨吸收过滤器13：真空马弗罐2由耐热不锈钢1Cr18M9Ti制作，其抽真空装置由旋片式高抽速机械真空泵12、电磁式真空线、换气装置21、真空控制电磁阀23、氨气控制电磁阀22、环水式残氨吸收过滤器13组成。机械真空泵12的输入端依次通过管线→真空控制电磁阀23→管线分别与真空马弗罐2和计算机控制平台11连接，机械真空泵12的输出端依次通过管线→换气装置21→管线与残氨吸收过滤器13的输入端连接，残氨吸收过滤器13的输出端依次通过管线→换气装置21→管线→氨气控制电磁阀22→管线与计算机控制平台11连接。

二、渗剂系统：

所述渗剂系统包括渗液计量杯14和渗剂气罐15，其中：

a、渗液计量杯14：所述渗液计量杯14通过管线分别与真空马弗罐2和计算机控制平台11连接。所述渗液为稀土有机溶液，因此采用稀土渗剂计量杯14-1经过管道直接通往真空马弗罐2，渗液流量通过电磁控制阀进行控制。渗液在真空马弗罐2的进口处需要安装雾化喷头，使喷入的稀土渗剂成云雾状超细颗粒，以使炉气成分均匀化。凡液体类渗剂，如渗硼溶液(B渗剂计量杯14-2)、渗硫溶液(S渗剂计量杯14-3)，注入方式同稀土溶液。

b、渗剂气罐15：所述渗剂气罐15通过管线分别与真空马弗罐2和计算机控制平台11连接。渗剂气罐15的个数和充入的气体种类可以根据不同的工艺要求适当增加，例如渗剂气罐15中可以充入氨气，氨气通过电磁阀19及控制线通往真空马弗罐2。工艺要求通往炉内的氨气呈脉动方式，由计算机控制平台11的气压仪表通过执行机构电磁线控制通氨量和启动机械真空泵12抽真空排气来完成脉动。

真空马弗罐2工作时，除了通氨气(NH₃)以外还通入稀土有机溶剂(RE、C)进行RE、N、C共渗。

三、高压系统(即增高真空马弗罐2内的压力)：所述高压系统包括高压氮气储气罐24、压力控制执行机构电磁阀20和压力传感器16，高压氮气储气罐24通过管线分别与真空马弗罐2和计算机控制平台11连通，其中高压氮气储气罐24与真空马弗罐2之间的管线上设置有压力控制执行机构电磁阀20。高压氮气罐24增加炉内压力至1～5个大气压。若通入天然气(天然气罐25)时，注入方式同氨气。

四、计算机控制平台11：所述计算机控制平台11的功能包括：加热炉三个温区自动控温功能、真空脉动加压自动程序控制功能、不同渗剂控制阀的程序动作控制功能、真空马弗罐内压力自动与脉动控制与安全及报警功能、氨分解率控制功能、炉子工作程序启动与自动程序显示功能等。每个单独的功能系统均由计算机统一指挥控制，所述功能系统可根据不同工艺要求进行设计。

具体实施方式四：本实施方式结合图1对本发明进行详细介绍：

(1)材料：典型氮化用钢38CrMoAl，常规渗氮工艺为：490～510℃温度范围内用氨气进行等温渗氮；(2)工件有两种：a、气轮机或锅炉用伐杆；b、塑料挤压机主轴，要求耐磨耐蚀，硬度HV_0.2950～1000，脆性≤2级，变形小。由于温度低渗速慢，伐杆渗层要求0.35mm，需要在510℃温度下处理30小时，表面硬度才能达到技术标准要求HV_0.2950(下限)；塑料挤压机主轴渗层要求0.5mm，则需要在510℃温度下处理50小时。由于渗氮时间过长，工件表面容易产生脆性，而且表层形成脉状组织，使性能恶化。

本发明采用先进的工艺和现代化设备融合在一起的专用设备，不仅能提高渗速2～3倍，同时能有效控制表面脆性及脉状组织的形成，使产品的力学性能、耐磨性和耐蚀性进一步得到提高。由于系统复杂、工艺参数较多，因此需要按照如下操作程序依次进行：

第一步：开炉升温，把炉温升到540℃，与此同时把要处理的工件表面清洗干净，并装入吊具18内，把稀土渗剂La溶于甲醇中注入到稀土渗剂计量杯14-1中备用，氨气充入氨气罐15-1中，氮气充入高压氮气罐15-2中，氨气、氮气均准备齐全，炉温经过校对，系统处于正常工作状态。

第二步：设定工艺参数，采用两种处理工艺：

1、真空高压脉动稀土渗氮处理：由于加入稀土处理温度可提高至540℃，保温1小时后打开罐盖9将工件吊具18吊入真空马弗罐2中并关闭罐盖9。经预热后进入渗氮阶段，先打开机械真空泵12抽真空至10～20kPa，短时保持后打开稀土电磁阀17开始先往真空马弗罐2内喷入稀土醇溶液，滞后2～3秒后打开氨气电磁阀19向真空马弗罐2内充入氨气，当罐内达到正压后关闭氨气电磁阀19，滞后1小后再打开氮气电磁阀20，向真空马弗罐2内充入氮气至罐内气压为1～5个大气压，并在这个状态下进行高压快速渗氮。稀土溶液每次定量供给，氮氨比例调节方式用时间压力比来调节。在高压状态下，打开真空马弗罐2的上端的密封水冷式风机3，使炉气强迫对流搅拌，进行均匀渗氮，当计算机控制平台11氨分解仪上的氨分解率上升至设定上限时(上限值可以根据不同工艺条件进行设置)，再次抽真空至10～20kPa，并保持一段时间(保持时间可根据工艺条件自行设定)，即真空扩散的时间，之后再次喷入稀土醇溶液→充氮→注氨至1～5个大气压，保持一段时间(保持时间可根据工艺条件自行设定)，即高压渗氮时间，如此反复进行：10～20kPa真空扩散→1～5个大气压下高压渗氮→10～20kPa真空扩散→1～5个大气压下高压渗氮，周而复始，直至达到工件质量标准。这一过程控制均靠计算机软件，通过压力传感器16、氨分解仪、热电偶温度传感器4等按软件程序自动进行。

通过上述工艺处理后，在540℃温度下对38CrMoAl伐杆处理结果为：原常规工艺渗层0.35mm需30小时，本方法仅需15小时，质量得到明显改善：白层ε相层深浅、表面脆性等级及脉状不良组织均变为可控，均为1～2级，取得了预期效果；而对挤压机主轴处理结果为：原常规工艺渗层0.5mm需50小时，本方法仅需23小时，表面硬度≥HV_0.2980，质量改善同伐杆。

2、真空高压脉动软氮化处理：处理温度提高至560℃，处理条件和装置同1，以便将稀土渗氮(俗称氮化)和稀土软氮化进行比较。两种工艺处理不同之处在于：其一，所用稀土有机溶液不同，有机溶液为异丙醇，其有机溶液中含碳量高；其二，将共渗温度提高至560℃。

处理结果表明，对伐杆渗层0.35mm所用时间＜10小时，提高渗速2～3倍；对层深0.5mm主轴用时＜14小时，提高渗速2～3倍。表面硬度HV_0.21000，ε白层厚度易控，脆性1级，完全销毁脉状组织现象，疲劳性能提高尤为明显。

与常规工艺相比，工艺时间只用了原工艺的1/3，节电量接近50％，效益十分显著。

本发明的设备部分是将真空脉动技术与高压技术组合为一整体的新的低温化学热处理设备，凡是具有真空脉动与加高压至1～5个大气压特征、用于700℃以下的低温化学热处理设备，不管设备结构形式如何均属于本发明的保护范围。

稀土共渗技术是本发明工艺部分的核心，只有把稀土共渗(含催渗)技术融入本发明的设备组成工艺设备一体化才能充分显示本发明的优越性。因此，对低温化学热处理设备，包括稀土真空脉动渗氮或软氮化以及稀土真空高压脉动渗氮、软氮化均属于本发明的保护范围。

本发明的稀土真空高压脉动工艺除了用于渗氮、氮碳共渗(软氮化)以外，还可以用于多元共渗(含稀土、N、C、O、B、S)，这也属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.稀土真空高压脉动低温化学热处理方法，其特征在于所述稀土真空高压脉动低温化学热处理方法包括下述步骤：a、升温：控制反应体系的温度在500～600℃之间；b、将工件置于真空马弗罐中；c、抽真空至真空度为10～20kPa，依次加入稀土的醇溶液→氨气，然后通入N₂，控制罐内压力为1～5个大气压；d、重复c步骤，在真空度为10～20kPa→高压为1～5个大气压→真空度为10～20kPa→高压为1～5个大气压的条件下反复脉动，直至工件表面硬度HV_0.2＝850～1000，脆性≤2级。

2.根据权利要求1所述的稀土真空高压脉动低温化学热处理方法，其特征在于所述稀土为以La和/或Ce为主体的混合稀土金属，或者是La和/或Ce。

3.根据权利要求1所述的稀土真空高压脉动低温化学热处理方法，其特征在于所述醇溶液为甲醇、丙醇、异丙醇中的一种或几种的混合溶液。

4.根据权利要求1所述的稀土真空高压脉动低温化学热处理方法，其特征在于所述c步骤中，依次加入稀土的醇溶液和氨气外，还加入有渗硼溶液和/或渗硫溶液。

5.稀土真空高压脉动低温化学热处理系统，其特征在于所述热处理系统包括渗剂系统、真空系统、高压系统及计算机控制平台(11)；

一、真空系统：所述真空系统包括加热炉(1)、真空马弗罐(2)、热电偶温度传感器(4)、机械真空泵(12)和残氨吸收过滤器(13)，其中：

a、加热炉(1)：所述加热炉(1)的底部开有冷风进口(6)，上部开有热风出口(7)，内部设置有具有耐高压的冷却法兰密封胶垫(8)的真空马弗罐(2)，冷风进口(6)与冷却风机(5)连通；

b、真空马弗罐(2)：所述真空马弗罐(2)的上端设置有密封水冷式风机(3)，罐盖(9)上开有取样口(10)；

c、热电偶温度传感器(4)：所述热电偶温度传感器(4)的输入端通过管线与计算机控制平台(11)连接，检测端设置于加热炉(1)内部；

d、机械真空泵(12)：所述机械真空泵(12)的输入端依次通过管线→真空控制电磁阀(23)→管线分别与真空马弗罐(2)和计算机控制平台(11)连接，机械真空泵(12)的输出端依次通过管线→换气装置(21)→管线与残氨吸收过滤器(13)的输入端连接；

e、残氨吸收过滤器(13)：所述残氨吸收过滤器(13)的输出端依次通过管线→换气装置(21)→管线→氨气控制电磁阀(22)→管线与计算机控制平台(11)连接；

二、渗剂系统：所述渗剂系统包括渗液计量杯(14)和渗剂气罐(15)，其中：

a、渗液计量杯(14)：所述渗液计量杯(14)通过管线分别与真空马弗罐(2)和计算机控制平台(11)连接；

b、渗剂气罐(15)：所述渗剂气罐(15)通过管线分别与真空马弗罐(2)和计算机控制平台(11)连接；

三、高压系统：所述高压系统包括高压氮气储气罐(24)、压力控制执行机构电磁阀(20)，高压氮气储气罐(24)通过管线分别与真空马弗罐(2)和计算机控制平台(11)连通，其中高压氮气储气罐(24)与真空马弗罐(2)之间的管线上设置有压力控制执行机构电磁阀(20)。

Images