CN107385381A - 改善真空低压渗碳均匀性的方法 - Google Patents

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潘振
卞凯强
朱永新
印勇
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
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Abstract

一种改善真空低压渗碳均匀性的方法，通过在炉膛的加热渗碳室内增加搅拌风扇，在加热渗碳室内增加喷射渗碳气体的喷嘴数量，然后通过进行富化率实验确定实际的富化率，将实验所得富化率数值代入工艺模拟软件进行渗碳工艺的模拟。本发明将以往传统的真空热处理设备、工艺进行了一定的改进，有效地改善了真空渗碳的均匀性，提高了产品的质量。

Description

改善真空低压渗碳均匀性的方法
技术领域
本发明涉及汽车变速箱齿轴热处理领域的技术，具体是一种用于改善真空低压渗碳均匀性的方法。
背景技术
表面渗碳是提高承受高负荷、剧烈磨损或疲劳的机械部件使用寿命的主要热处理工艺手段之一。可控气氛渗碳技术虽已较为成熟，但仍有其无法克服的弊端，如：零件表面氧化，高温渗碳及炉气燃烧所产生的油雾和废气对环境的影响等问题。几十年来，人们一直在寻求一种替代常规气体渗碳的工艺方法。上世纪60年代后期，低压渗碳(或称真空渗碳)技术得以开发。其主要优点有：1)能进行高温短时间处理；2)没有晶界氧化，不产生表面非完全淬火层；3)渗碳层的控制简单；4)可进行细孔、盲孔等复杂形状的渗碳；5)作业环境优良。
虽然真空低压渗碳有诸多优点，但是在整炉零件渗碳均匀性方面存在着一定不足。传统热处理设备在炉膛内大多都装有搅拌风扇，目的是为了在炉膛内产生对流。而真空热处理设备由于炉膛内是低压状态，所以没有产生对流的先决条件，因此炉膛内一般都不设置搅拌风扇，也因此在真空状态下的热传导主要依靠热辐射，而此种热传导方式容易产生阴阳面，这相对传统热处理设备采用的对流传热方式而言，在温度均匀性方面势必处于劣势。而温度均匀性又是影响渗碳均匀性的一个非常重要的因素。这就意味着如果温度均匀性无法保证，真空渗碳的均匀性也就无法保证。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种改善真空低压渗碳均匀性的方法，将以往传统的真空热处理设备、工艺进行了一定的改进，有效地改善了真空渗碳的均匀性，提高了产品的质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过在炉膛的加热渗碳室内增加搅拌风扇，在加热渗碳室内增加喷射渗碳气体的喷嘴数量，然后通过进行富化率实验确定实际的富化率，将实验所得富化率数值代入工艺模拟软件进行渗碳工艺的模拟。
所述的增加搅拌风扇是在加热渗碳室内部炉底一侧中心位置设置一个通过电机驱动的搅拌风扇，该搅拌风扇通过扇叶产生对流，具体包括：在加热渗碳室炉底一侧外部设置一台由CFC材料制造的1.5千瓦电机，电机输出端通过传动轴与一片长400mm、宽200mm的长方形由耐高温材料制造的扇叶相连，扇叶由电机驱动，产生对流。
所述的增加喷射渗碳气体的喷嘴数量是指：由原先的40个增加到48个且以每8个一排的形式均匀分布于炉膛内壁。
所述的富化率是指工件在单位时间、单位面积上吸附碳原子的能力。
所述的富化率实验是将富化率试块搭入正常进热零件中，对渗碳前后试块的重量进行测量并记录，该富化率其中：Dp为零件渗碳前后质量变化，t为渗碳气体通入的时间，a为处理的零件的总面积，单位分别为mg、h、cm2。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用改进过的低压加热渗碳室、新的渗碳工艺，大大改善了真空渗碳的均匀性，提高了零件的质量，降低了零件的报废率，节约了企业的生产成本。
附图说明
图1为在低压加热渗碳室底部加装的搅拌风扇示意图；
图2为加热室内部渗碳气体喷嘴排布示意图；
图中：A为加热渗碳室侧视图、B为加热渗碳室正视图、1为搅拌风扇提供动力的电机、2为电机输出端连接的风扇扇叶、3为设置在炉膛内壁上的一排渗碳气体喷嘴侧视图、4为增加的八个渗碳气体喷嘴的位置示意、5为料架支撑杆。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：设置于炉膛的加热渗碳室内的搅拌风扇以及设置于加热渗碳室内的若干喷射渗碳气体的喷嘴，其中：搅拌风扇是在加热渗碳室内部炉底一侧中心位置设置一个通过电机驱动的搅拌风扇，该搅拌风扇通过扇叶产生对流。
所述的搅拌风扇由设置在加热渗碳室炉底一侧外部中心位置的CFC材质的1.5千瓦电机(如图1A)和一片400×200的由耐高温材料制造的位于加热渗碳室炉底一侧内部中心位置的长方形叶片(如图1B)组成，两者通过传动装置连接，由电机提供动力，炉膛内部的扇叶依靠传动装置传输的动力发生转动，通过扇叶的转动使得炉膛内的保护氮气产生对流，由此使得热量在加热升温阶段在炉膛内均匀地传递，使得不同区域的零件受热更均匀，从而使得渗碳气体在炉膛内不同区域的裂解程度更均匀，使得零件表面渗碳的均匀性得以改善，弥补了原先仅通过辐射传热产生阴阳面的不足。
如图2所示，在低压加热渗碳室内壁下部(图中4所示区域)增加如图中3所示意的一组渗碳气体喷嘴，数量8个，在此之前，如图2所示，炉膛内只装有上部一排共8个喷嘴、左侧两排共16个喷嘴(每排8个)、右侧两排共16个喷嘴(每排8个)三个位置装有共40个渗碳气体喷嘴，改进之后渗碳气体喷嘴数量增加至48个。在增加底部喷嘴之前，出现渗碳失效的零件中60％位于靠近炉膛底部区域；在底部增加喷嘴后，渗碳气体可以从上下左右360°全方位通入炉膛内部，消除了渗碳死角，对渗碳均匀性的改善贡献了一定效果。
表1为现有技术：
表2为本发明
如上表可见，改进前后每一步的强渗脉冲时间存在明显差异，这种差异是由模拟渗碳工艺时输入的富化率不同产生的，改进前模拟渗碳工艺时是根据设备供应商提供的经验数据选择的，当渗碳温度设定为940℃、渗碳介质为乙炔时，从设备供应商提供的经验数据中查得此时对应的富化率数值为14，将此富化率数值输入模拟软件中即得到表1所示渗碳阶段工艺参数，但通过实际生产过程中进行的富化率实验得到的富化率数值为13，因此将富化率的值修正为13，代入模拟软件运算后得到如表2所示改进后的渗碳工艺参数。通过比较两组参数，发现改进后的参数中每一步的强渗时间都比改进前长，这意味着渗碳气体通入炉膛内的时间加长，使得渗碳气体有更充足的时间在炉膛内弥散，使得炉膛内不同位置的零件都能被渗碳气体充分覆盖且与渗碳气体的接触时间较改进前有所增加，大大降低了出现渗碳失效件的概率，对改善渗碳均匀性贡献了一定效果。
在使用本发明之前，对一炉装炉量为400件的产品进行全数强喷分选操作，分选后发现其中40件存在表面软点现象，废品率达到10％，经金相分析，排除了淬火引起表面软点的可能性，确认为渗碳过程造成的表面软点，因此可认为渗碳失效率达到10％，影响了零件渗碳的均匀性。在使用本发明后，同样装炉量的同一种零件，淬火参数与淬火过程都与之前相同，经强喷分选后整炉零件均未发现表面软点，产品报废率为0，即渗碳失效率为0，渗碳均匀性得到有效改善，企业生产成本得到有效控制。
将同一种零件分别使用原有技术方案和本发明进行热处理试验后，检测零件的渗层深度，结果如表3所示：
表3
结果如表3所示，采用新技术方案后零件渗层深度的最大与最小差值由原先的0.11mm缩小为0.07mm，零件渗碳的均匀性得到大幅提升。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种改善真空低压渗碳均匀性的方法，其特征在于，通过在炉膛的加热渗碳室内增加搅拌风扇，在加热渗碳室内增加喷射渗碳气体的喷嘴数量，然后通过进行富化率实验确定实际的富化率，将实验所得富化率数值代入工艺模拟软件进行渗碳工艺的模拟；
所述的增加喷射渗碳气体的喷嘴数量是指：由原先的40个增加到48个且以每8个一排的形式均匀分布于炉膛内壁。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的增加搅拌风扇是在加热渗碳室内部炉底一侧中心位置设置一个通过电机驱动的搅拌风扇，该搅拌风扇通过扇叶产生对流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，在加热渗碳室炉底一侧外部设置一台由CFC材料制造的1.5千瓦电机，电机输出端通过传动轴与一片长400mm、宽200mm的长方形由耐高温材料制造的扇叶相连，扇叶由电机驱动，产生对流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的富化率是指工件在单位时间、单位面积上吸附碳原子的能力。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的富化率实验是将富化率试块搭入正常进热零件中，对渗碳前后试块的重量进行测量并记录，该富化率其中：Dp为零件渗碳前后质量变化，t为渗碳气体通入的时间，a为处理的零件的总面积，单位分别为mg、h、cm2。
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