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先进的齿轮低压真空渗碳与高压气淬技术及装备
文章来源:中国齿条网     添加时间:2020-1-6

      低压真空渗碳与高压气淬技术具有无内氧化,表面质量好,变形微小,工艺的稳定性和重复性好,热处理零件综合性能优异,使用寿命长,无污染无公害,耗电少,生产成本低,以及自动化程度高等优点,目前已广泛应用于汽车发动机、汽车变速器、航空发动机及摩托车齿轮等零件的热处理。由于该项技术无论从工艺还是设备上已经很成熟,成为可替代可控气氛渗碳的有效方法。

     一、技术
  1.低压真空渗碳技术
  常规气体渗碳易产生表面内氧化(IGO),在渗层表面薄层内出现非马氏体组织,从而降低齿轮的疲劳性能。低压真空(1333~1.33×10-1Pa)渗碳用于齿轮和结构钢件等,可提高渗碳层质量,表面无内氧化。采用计算机模拟辅助控制的真空渗碳工艺,用较短的处理时间和较少的渗碳气体消耗,保证取得良好的渗碳效果:渗碳层深度偏差≤±0.05mm,表面碳含量均匀度≤±0.05%。用乙炔取代丙烷渗碳已成为真空渗碳的发展趋势。常规渗碳热处理周期较长,该项技术可以实现高温(950~1050℃)渗碳,从而提高渗碳速度。
  2.高压气淬技术
  齿轮等零件渗碳后在气体中冷却比液体中冷却的均匀,故淬火畸变小。许多气体可用作气淬气体,如氩气、氦气、氢气、氮气及其混合气体。用氮气进行齿轮的气淬,比较经济,目前85%~95%气淬室采用氮气,淬火压力通常为2MPa。高压气淬可通过控制(惰性)气体的压力、流量,改变气体的冷却特性,与钢的过冷奥氏体转变相图相结合,实现好的淬火冷却效果,从而减少齿轮畸变,提高心部强度。
  3.低压真空渗碳与高压气淬技术相结合
  低压真空渗碳不仅可以有效地避免常规渗碳淬火出现的表面非马氏体等组织缺陷,显著改善齿轮等零件表面质量,而且与高压气体淬火相结合可以显著减少热处理畸变,通过提高渗碳温度可减少处理时间,从而降低能源消耗和气体消耗。因此,真空低压渗碳与高压气淬相结合是当今一种先进的渗碳淬火工艺,可以称之为真正意义上的环保型绿色热处理技术。
  二、设备
  真空热处理炉可以按用途、真空度、工作温度、作业性质、炉型结构及热源等进行分类。如按作业性质可分为周期式真空炉、半连续式和连续式真空炉。按炉型结构形式可分为立式真空炉和卧式真空炉。
  (1)单室低压真空渗碳炉零件加热渗碳和高压气淬都在同一室内进行,冷速及生产效率相对较低。
  (2)双室及三室低压真空渗碳炉双室炉由一个加热渗碳室和一个气淬室构成(如Ipsen公司RVTC型)。零件先在加热室渗碳后降温至淬火温度,然后将零件推到冷却室施行高压气淬,可以显著提高冷速和生产效率。三室炉(如国产WZST型)中间是加热室(渗碳室),一端是油冷室,另一端是气淬室,渗碳件可从任意一端进出。三室炉结构(如ECM公司ICBP966型)也可以是前室为进料和淬火,中间室作为零件周转,后室为渗碳。双室炉及三室炉适用于小批量、多品种的生产。
  在双室和三室炉中施加电场就可以施行低压离子渗碳。离子渗碳用于航空齿轮处理时,其渗层更加均匀,齿根渗碳层更深。
  (3)多室半连续式低压渗碳高压气淬炉(生产线)在一个真空通道的两侧(卧式)设置多个渗碳室和一个高压气淬室等。零件先在加热室加热,到温后通入渗碳气体进行渗碳,然后降温到淬火温度,零件被推入气淬室。该炉型适用于批量较大的齿轮等零件渗碳淬火。该类炉型代表性企业有Ipsen、ALD及ECM公司等。
  (4)多室连续式低压真空渗碳高压气淬自动生产线由若干个渗碳室、扩散室、气淬室、油淬室等组成。适用于大批量的齿轮等零件渗碳淬火。如ALD公司的VMKZQ型多室连续式真空炉生产线,其是进行真空渗碳和高压气淬的连续式热处理生产线,直线排列,依次为装载抽空室、加热室、真空渗碳室(丙烷)、扩散室、气淬室(氦气),各工作室间用密封隔热闸门隔开。
  与周期式真空渗碳炉(如单室炉)相比,半连续式及连续式真空渗碳炉生产效率可分别提高25%和40%左右。半连续式及连续式低压渗碳高压气淬自动生产线将成为高品质齿轮等零件渗碳热处理设备的发展趋势之一。
  目前,国内真空热处理设备生产厂家有:北京机电研究所、北京华翔电炉技术有限责任公司、北京航天万源科技公司工业电炉厂、首都航天机械公司工业电炉厂、江苏丰东热技术股份有限公司、沈阳真空技术研究所等。
  在我国的国外知名独资或合资企业/公司有:依西埃姆(北京)工业炉贸易有限责任公司、北京易西姆工业炉科技发展有限公司、益发工业炉(苏州)有限公司、易普森工业炉(上海)有限公司、德国IVA(益发)工业炉有限公司(上海办事处)、德国ALD真空工业股份公司上海办事处、赛科沃克(天津)工业炉有限公司、爱发科中北真空(沈阳)有限公司、上海汇森益发工业炉有限公司等。
  德国ALD公司的模块化柔性低压真空渗碳高压气淬生产线(见图1),一字排开的是没有前室的密封低压渗碳炉,在轨道上行走的是公用高压气淬设施。低压真空渗碳采用工艺模拟专家系统,保证金相组织;施行高压气体淬火,有效地降低齿轮变形;可整合到整个生产线上,从而满足大批量生产。

    三、应用
  1992年法国ECM公司为雪铁龙公司的变速器齿轮等生产提供一台ICBP型低压真空渗碳炉生产线。标准的低压真空渗碳炉由一个或多个加热渗碳室、一个气淬室、一个装卸料室及一个转送室等组成。渗碳富化气采用丙烷气,气淬室采用高压氮气冷却,气淬压力0.1~2MPa范围可调。计算机监控系统可同时控制多个渗碳室中进行的不同工艺。
  1998年法国雷诺变速箱工业公司采用法国ECM公司生产的ICBPH600TG低压真空渗碳高压气淬生产线进行齿轮的渗碳淬火处理。该条生产线由6个加热渗碳室(最大装炉量500kg)和一个2MPa的气淬室组成。由一个压缩机提供给储气罐高压氮气。用于6N13钢差动环齿轮和齿轮轴渗碳淬火时,每件重量10~40kg。差动环齿轮渗碳温度980℃,降温至860℃进行高压气淬1500s,淬火压力0.25MPa。齿轮轴渗碳温度980℃,降温至860℃进行高压气淬,淬火压力1.25MPa。同常规碳氮共渗推杆炉对比,一对齿轮的生产成本可节约23%左右。
  目前,周期式低压渗碳高压气淬炉、半连续式低压渗碳生产线已在上海汽车工业集团、一汽集团、二汽神龙汽车公司等得到应用,用于载重汽车变速器及发动机齿轮、轿车发动机及变速器齿轮、重载汽车的齿套等零件的渗碳淬火。
  1998年上汽股份汽车齿轮总厂引进一台法国ECM公司的ICBP-966型低压真空渗碳炉,用于“别克”轿车自动变速器主减速太阳轮、同步器齿套等零件渗碳淬火,已达国际先进水平。
  之后又引进两条ICBP低压真空渗碳高压气淬生产线,如ICBP600TG型用于“通用”轿车GF6变速器齿轮等零件渗碳淬火。
  五粮液普什集团公司引进法国ECM公司ICBP-966型低压真空渗碳气淬炉,三室结构(渗碳室、中间室、淬火室)。最高冷却气压力2×106Pa,冷却气体为99.999%的高纯度氮气,渗碳富化剂为纯度98%的丙烷气。用于精密齿轮渗碳淬火时,渗碳温度950℃,气体淬火。同常规井式炉气体渗碳相比,缩短生产时间58%左右。

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