真空渗碳后的淬火工艺

真空渗碳后的淬火工艺Dennis Beauchesne, Aymeric Goldsteinas2,唐文’,赵德红(1ECM美国有限公司,573295Ave, Suite900 Kenosha,w5314478012. ECM 2B, 46 Rue Jean Vaujany-Technisud, 38100 Grenoble, france;3.依西埃姆(北京)工业炉贸易有限公司,北京市1000)摘要:本文论述了经低压真空渗碳后的工件淬火时选择油淬或气淬的原因及影响因素。通过采用变速驱动(ⅴSD)、选择适合的钢材、新型混合气体等新的技术手段,真空渗碳加气淬可以有效地减小工件地变形并显著地提高热处理质量及其稳定性。可以应用于绝大部分汽车齿轮工件的热处理。关键词:真空;低压真空渗碳;真空气淬;真空油淬;淬火冷却速度;变形:变速驱动技术Quenqing After Vacuum CarburizingDennis Beauchesne, Aymeric GoldsteinasTang Wen' Zhao Dehong(Translated and edited)(1. ECM USA Inc 5732 95Ave, Suite 900, Kenosha, WI 53144-7801; 2. ECM FRANCE, 46 Rue JeanVaujany-Technisud, 38100 Grenoble, France; 3. ECM CHINA, Beijing 100022)Abstract: This article discusses the factors heat treaters have to consider when deciding when to apply oilquenching or gas quenching for cooling low-pressure/vacuum carburized steel partsKey words: Vacuum; Low Pressure Carburising; vacuum with gas quenching; vacuum with oil quenching,cooling rate; distortion; variable-speed drive真空渗碳普遍应用于汽车的动力传动及燃料备快捷、简便地在不同冷却介质之间的转换能力是系统部件,载重汽车和越野车的传动部件如:齿套、十分重要的。图1和图2所显示的设备系统能够满足上述所有要求小齿轮等,航空、航天器的传动及动力系统部件以为了达到对冷却介质的最佳选择,我们必须认真地及其他诸如液压泵凸轮、轴承、阀门等各种工业产考虑以下几个方面因素的影响:经济性/成本(前期投资、维护及维修费用、使用寿命等);健康和目前,大部分真空渗碳过程的温度范围是安全性(应符合各种法规、制度等);最小的变形930~980℃,可达到的有效渗碳层深度为:0.25~(冷却系统);冷却性能(冷却速率/淬火能力);2.05m甚至更深,典型的装炉量为225-558。多用途(可控制的冷却速率);环保问题(例如采用真空渗碳工艺通常可以省去缓冷、再加热以及废水的排放和噪音污染等。随后的压力淬火及定径淬火等工序。在被选定的表面镀铜或涂防渗涂料可以防止该表面的渗碳1为什么使用气淬?真空滲碳系统必须具有坚固耐用、功能全面和令人对真空滲碳加气淬系统非常感兴趣的原费效比高等特点,因为所处理的工件在尺寸形状、因之一是其能够在极的程度上减小各种不同尺寸材料、性能要求、产量等方面差别很大。另外,具工件的淬火变形,尤其是与气氛渗碳加油淬进行比较。例如,对汽车传动系统的齿轮分别经过气氛渗作者简介:① Dennis Beauchesne,ECM(美国)总经理碳加油淬和低压真空渗碳加15Bar氮气淬火两种53141341电子邮件dennisbeauchesne@ecm-usa.com)②不同工艺进行处理后的齿形轮廓划线进行比较,能americ Goldsteinas,EcM(法国)工艺工程师,ECM够很明显地看出它们之间的差别(图3)。France, 46 Rue Jean Vaujany-Technisud, 38100 Grenoblefrance;电话:+33(0)476496560;传真:+33(0)438图3中的划线图表显示的是某一齿从齿顶表490403:电子邮件: a. goldsteinas( @ecm-ip com;)③唐文面到齿中国煤化工的话),所测量赵德红ECM(中国)有限公司北京市朝阳区建国路88的是CNMHG低压真空渗碳加号SOHO现代城B座0607室;电话:010-85802642/3传真:010-85802645:电子邮件: contact b@ecm-china com)气淬的结果是所有的划线均偏向同一方向,这样就使我们能够预知齿形的变化并采取措施。而经气氛金属热处理》2005年第30卷増刊渗碳加油淬的齿轮,其齿形齿向划线的方向很杂静音齿轮采用低压真空渗碳加气淬能够使其加工乱,无法预测,因而无法采取适当的措施。结论:过程更加经济易行。Cas quenchLow.teFig. 1nced vacuum carburizing system using vari- Fig. 2-Saherma tic of expandable high-production vacuum carburizingabfe-speed drive( SD)technology in itsoil-and gas-quench celL furnace system having both gas-and ail- quench cells.图1在油淬和气淬室内使用变速驱动技术的先进真空渗碳系统图2具有气淬和油淬室的可扩展性真空渗碳系统示意图24+,=Left1818 RightFig 3-Lead profiles(in mm after oil quenching, top, and gas quenching bottom.图3划线图表毫米):油淬后,上部;气淬后,下部在两个同样的料架中装入850个相同工件(图或盐浴淬火是势在必行的。我们坚信用气淬方式极4)分别采用不同的渗碳淬火工艺处理表明,气氛有可能在不久的将来替代目前一些热处理设备所渗碳加油淬工艺和低压真空渗碳加气淬工艺都可采用的油淬方式。以使被处理的工件满足包括表面硬度、心部硬度气淬方式之所以能够成为最佳选择的另一个(>35HRC)、滲碳层深度在内的所有的冶金学要原因中国煤化工力选择不同的冷求。其他好处:在不牺牲冶金、机械、物理等方面却气CNMHG冷却速度。目前认的性能的前提下减小工件的淬火畸变是十分重要为采用尽可能低的气冷压力可以减小畸变。的。因此在保证冷却能力的条件下用气淬代替油淬《金属热处理》2005年第30卷增刊表1齿轮气氛油淬及真空油淬的变形尺寸英寸2为什么用油淬?参数热处理前气氛滲碳真空滲碳在很多情况下,油淬是能够取得较好结果的最「平均5.69235.69155.6910好工艺方法之一,尤其是在工件的有效尺寸较大和标准偏离0.001500009材料的合金含量较低的情况下。为了尽可能地减小000150.0040.0027淬火畸变,油槽中淬火油的典型温度范围为55~最大尺寸5.69385.69605.6937190℃。最小尺寸5.69085.6870最近通过对气氛渗碳后油淬和真空滲碳后油淬火所引起的畸变进行比较研究表明(表1):后偏差范围000.00900.0054*此测量值为跨棒距测量值。热处理前值=5.692至5690者的效果要明显优于前者Fig 5-Carbon fiber composite(CFFig. 4-Load af automobile transmis- fixturing forgas quenching of ring gears.sion pinion gears used in lead profile study(Fig. 3)图4汽车传动系统的齿轮的装炉形式图5用于齿套气淬的复合碳纤维材料(CFC)夹具用于检测齿形齿向变化(图3)。3工装夹具与变形素包括使用的炉子、工件的几何形状以及淬火介质等。还有一点也需要注意:即使形状相似的工件也工件在炉中的装夹和放置方式对工件的淬火必须根据其热处理后的变形情况而采取不同的装变形有着很大的影响。任何热处理工艺都要求将工炉方式。件加热到转变温度以上,这时,工件的强度远远低复合材料夹具:充分利用气淬的优势处理如齿于在室温时的强度。因此,一些工件在高温状态下套等富于挑战性的工件,为了确保这种工件在堆叠(如渗碳过程中)由于装夹方式的失当而导致在自摆放时能稳定地保持平坦,采用合适的支撑结构是身的重力作用下产生蠕变和塑性变形。必须的。采用碳纤维复合材料(CFC)或碳一碳复单个工件淬火的变形情况要好于成堆的工件。合材料(CC)制造的料架(图5)能够满足上述如果必须釆用堆叠方式摆放,层与层之间的支撑很要求特别重要的是应购买那种采用三维紧密编织重要,尤其是薄壁工件。工件在加热和冷却过程中并加强的碳纤维材料制成的料架,这样可以确保料要求有适当的受热和散热面积,特别是采用气淬架不会在长时间塌陷后引起工件的变形。当然,由时。层与层之间相似位置工件需错开摆放,这样能于复合杖料的松枚以改在操作过程中需够保证淬火后心部硬度的均匀性和变形的一致性。要特只是装卸料机构因为装炉方式没有固定规则,为了得到最小的中的CNMHG淬火变形,工件之间保留适当的间隔和恰当的摆放很多情况下,工装夹具并不实用例如大齿轮方向(平放或立放)是需要仔细斟琢的。其他的因大齿轮可能不得不直接摆放在料筐中进行处理,如《金属热处理》2005年第30卷增刊果料筐的底部是弯曲不平的,那么,在渗碳过程中型、温度、质量);淬火槽的设计(容量、搅动)。工件就会随之而发生变形。相似的情况是,炉子的4.1油淬料盘是另一个通常被忽视的造成工件变形的原因。在油淬过程中,淬火油槽的大小对不仅影响淬新近开发并适应市场需求的镍铝材料在减小料盘、火油的瞬时升温速率,也影响淬火油的最大升温速夹具的变形和提高其使用寿命方面表现出令人瞩率,但是这种影响是有局限性的。(如果工件在淬目的潜在能力。火油中具有很小的接触面积的话,那么拥有大容量4冷却装置的影响的油槽,并无明显好处。)从这个方面看,设备导致的可变性是由下列因素决定的:采用的循环方法由于在热处理生产过程中设备因素是影响产(扇叶搅动或泵喷)、循环方式、淬火油加热方式品质量稳定性的最重要的因素,因此,由设备导致和油槽的容量(升温速率)。还包括淬火油的类型、的可变性至少应当被重新认识。了解并控制热处理传热特性、初始温度以及油池的洁净程度(污染物过程的各个方面的影响对使变形成为可预测(可重的类型和含量)等。真空渗碳后采用油淬时,应当复)的是十分重要的。我们应当主要关注以下几个对油槽中的淬火油表面施加一定的压力,这样可以方面:装料尺寸重量(均匀);工件的装炉方向(平影响油蒸汽的形成而且有助于控制工件的变形。放或立放);加热速率;保温时间和温度;工艺选4,2气淬择(强化方法、碳的来源);淬火介质的选择(类在气淬过程中,设备导致的可变性包括:淬火Motor turbineFig 6- Photo and schematic of a typical gas-quench cell图6一个典型气淬室的照片及示意图室为热室还是冷室、淬火室的大小、淬火室的内部能地简洁以保证高可靠性和降低成本。应当符合设计、风扇电机的功率、热交换器的换热能力、气ASME压力容器标准。注意冷却风机电机的功率应体和冷却水系统的设计、风扇的设计等。气淬室(图当满足冷却气体循环的要求,但其大小受冷却水冷6)应当是与加热室隔离的独立的一个室(冷室)。却能力的限制。这不仅仅是因为传热速度快,而且对于淬火室的设计可以进行优化(这样最大的加热效率和最大的冷S变速驱动技术却效率都可以得到兼顾。)齿套(图9)分别采用变速驱动(SD)技术的应用可使气淬在控制油淬、不使用ⅴSD技术的气淬、使用ⅤsSD技术的件淬火后硬度和变形方面更具灵活性。VSD技气淬三种方式淬火后术对手动变速器齿轮轴淬火的影响见图7,可以看气淬室的容积应当尽可能地小(典型的大小为出,采用SD技术后对冷却的均匀性有显著的提3m3),以减少冷却气体的消耗量。尤其是当冷却气高的装载见图8。齿套(图9)分别采体不再循环使用的情况下(通常是在使用氮气作为用油中国煤化工、使用ⅤSD技术冷却气体时)。也应当尽量地减小再循环系统的大的气CNMHG进行比较的结果小(压缩机和储气罐)。冷室的内部设计应当尽可见表2。76《金属热处理》2005年第30卷增刊100yariable-speed drf sgy eechnlg ooling homogeneity with, top, and without bottom,图7使用(上)和没有(下)变速驱动技术(VSD)后气淬冷却均匀性的结果表2可变速率技术(VSD)对变形的影响尺寸变化/气淬(未使用气淬(使用mVSD)VSD)77-8069-7265-685460××X53-56Fig 8- Loads of manual transmission「4245-48图8在提高气淬均匀性的实验中,33-3629-3225-2821-24X17-209-125-80-4齿套的齿根曲线数据Fig. 9-Ring gear load used in tests ofeffect of vsd technologv on distortion中国煤化工手动变速齿轮轴的装料方式(结果见图6)CNMHG图9用于测试变速驱动技术(SD)对工件变形影响的齿套的装料方式(结果见表2)《金属热处理》2005年第30卷增刊6冷却水的作用冷却水的温度保持在15℃以下。要点:在淬火过程中监测冷却水系统出水口的气淬系统的热交换器的设计必须具备适合高水温是一种衡量冷却效率的极好的办法。压气流冲刷和良好的热交换性能。当具有较大表面为了减少冷却水的消耗量,应当考虑采用组合积的厚大工件采用20bar气淬时,在淬火过程的最的冷却系统:在淬火过程的最初2—3分钟内能够初几秒种内热量的散发量特别大。因而,冷却水流提供足够的冷却水,以满足淬火要求。而在其余的不恰当、水压低或者流量低都将导致热交换器中的阶段,通过一个转换开关的调节,减少冷却水的供冷却水发生汽化沸腾现象。更加糟糕的是,不畅应量。通的冷却水管路因为压力的迅速增大而导致管路和热交换器的损坏。7油淬和气淬实例恰当地选择淬火介质的前提是弄清楚工件的服役条件和特性,以及根据这些条件和特性所作出的设计、选用的材料等。这些因素决定了低压真空渗碳后是采用气淬还是油淬能满足工件的使用要求例如,大型卡车的变速器齿轮轴(图10,上)采用AISI8620(20 NiCrMo2)低合金钢制造,必须采用油淬才能达到其性能要求。在90℃的淬火油中淬火,其中径位置的心部硬度仅能达到25HRC。全部处理周期为5小时,有效硬化层深度为1.3mm。装炉量为450kg。与上面的工件形成对比的是,车轴齿轮(图10下)采用AISI4320M(M为改进型)钢制造,用10bar压力的氮气淬火,心部硬度为37HRC,有效硬化层深度为0.75m。全部处理周期为3小时。净装炉量为360kg。更多的适合采用低压真空渗碳加气淬工艺的材料见表3。8选择氮气的原因对于高压气淬来说,使用氮气是最廉价而且最安全的选择。气淬热处理设备绝大多数(99%)采Fig. 10-Truck transmission, top用氮气,普遍都能达到20bar的压力。对于要求具were oil quenched, while the automobile axlepiniongears, bottom, were high-pressure gas有极快冷却速率的气淬室来说,采用氮气是因为它所具有的热力学特性。包括氮气的密度都被考虑在图10卡车变速器齿轮轴油淬(上)设计中。氮气所能达到的冷却速率对大多数普通钢和高压气淬的装料方式(下)材来讲都是有效的,包括那些用于制造汽车动力系心部硬度:不仅是在特定的热处理周期,而且齿轮的钢材。在一年中的整个时段,控制冷却水的温度对取得稳氮气能够被回收和再利用。然而,根据一项对定的结果是十分重要的。在夏季,热交换器中的冷回收氮气和不回收氮气两种情况的成本进行比较却水温度会较高,淬火后检测工件的心部洛氏硬度的投资收益分析报告显示,哪种方式更好根据不同时,会出现少许的软点。低淬透性钢制造的工件特的情况有所不同。分析报告汇总了回收系统的投资别容易出现上述情况。中国煤化工护费用等,通常,27℃以下就足够了。但是,对于厚大的工件或者一用是最划 CNMHG次淬火后不回收利通常,对于气淬而言,冷却水的温度保持在也些较难处理的合金,为了得到高的心部硬度应当使目前,高压液氮系统(30bar)被气体供应商提《金属热处理》2005年第30卷增刊出作为替代昂贵压缩机的一种可选方案。在这个压力下,氮气可以由缓冲罐(储槽)直接提供。表3表面硬化淬火介质选择材料淬火气压心部硬度工艺别2介质3BarHRCl018油淬20-24渗碳油淬l117油淬22-26碳氮共渗12L14油淬226碳氮共渗10气淬10-1532-36渗碳402715-2033-3515-2033-35渗碳CO2-He412015-2033-35渗碳Fig. 11-Average cooling rate observed4142M油淬in gas quenching of Als1 5120 low-alloy steeling gearsusing nitrogen helium, and a CO2-4320气淬12-2033-35渗碳He mi12-2028-34碳碳碳碳图11使用氮气、氮气以及二氧化碳和氮的混合气体对4620气淬0-200-35渗碳AIS5120齿套气淬平均冷却速率的比较4820气淬5115油淬汽气淬122032-36渗碳10气淬技术的未来发展气淬15-2028-32渗碳目前,气淬是一种被证明有效的、对用户友善气淬2032-40渗碳的并且能够简化加工工艺的先进技术。勿庸置疑203842渗碳真空渗碳加气淬技术具有光明的发展前景在当前混合气体的冷却速度十分注重产品的设计制造先进性的联合制造过程中,该技术将扮演越来越重要的角色ECM公司和 AIR LIQUIDE公司通过对可选择发展趋势:为了达到使工件的变形可预测和尽的淬火气体的广泛的研究,联合获得了一项关于使量减小工件的变形的目的,真空渗碳技术的用户和用二氧化碳(CO2)和氦气(He)混合气体作为淬潜在用户正积极地致力于工件用钢材地研究,以开火介质的专利技术。使用二氧化碳和氦气的混合气发价格低廉但淬透性较好的钢材。甚至在同一牌号体所能够达到的冷却速率比用纯氮高30%。这项的钢材中,用户也常常可以指定购买那种化学成分技术的优势还在于能够比使用纯氦的价格低廉,并位于淬透性带上端的钢材而无需支付额外的费用。且减少了氦气的使用量。使用这种混合气体的回收这给淬火和防止变形提供了更大的灵活性。这种策系统的设计已经完成略对于气淬尤其有益的,并且是我们能够采用更低这种新的混合气体具有和纯氮同样的密度。因的气淬压力。变速驱动技术(VSD)既可应用于气此我们完全可以采用原来使用纯氮作为淬火介质淬室也可应用于油淬室,能够提高热处理质量和质的气淬室而不需要进行重新设计。量的稳定性。淬火室内部构造的最佳方案可以用计在一个试验中,一种单件重量为32kg,材料算机流体力学模拟设计。可以期待的是,未来气淬为AISI5120的齿套,装炉量为300kg,分8层装的冷却速率和冷却均匀性会有更大的发展。但是炉,采用不同的混合气体及能够满足完全转变的气油淬作为一种好的方法将被保留,尤其是当工件因体压力进行淬火试验,结果显示(图1):CO2为尺寸过大或者材料的合金含量过低用别的方法He混合气体的冷却速率比纯氮高50%。在另一个无法中国煤化工摩火模拟软件的问试验中,单件重12kg,材料为AIS8620的齿套世能CNMH装炉更加有效、如用新型混合气体淬火后,心部硬度比用纯氮淬火提何制丈及m入上乙巴括当被指定的材料高了15%。能够满足要求时采用的分级淬火工艺等。《金属热处理》2005年第30卷增刊参考文献1."Modular Vacuum Thermal Processing Installation": U.S. Patent 6,065,964, May 23, 20002. Vacuum Carburising-A Technology Whose Time Has Come, "by Dennis Beauchesne and Xavier Doussot: IndustrialHeating, September 2003(Special insert)3. "Experience in Low Pressure Vacuum Carburising, by T. Hebauf and Aymeric Goldsteinas: Industrial Heating, January 20034. Low Pressure Carburising Using the INFRACARB"Processby A.Goldsteinas: Technical Seminar for HeatTreatment, Tokyo, Japan, February 20035. "New High Pressure Gas Quenching Solutions, "by L Lefevre: presented at the ASM Heat Treat 2003Conference, Indianapolis, Ind, Sept 15-17, 2003中国煤化工CNMHG《金属热处理》2005年第30卷增刊