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他们引进了5条低压渗碳生产线，遇到真空渗碳均匀性问题后是这样处理的

文章出处：快乐8app下载发表时间：2017年12月24日

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。

20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。

我公司于2004年、2008年、2011年、2014年、2016年从法国ECM公司分别引进了共5条低压渗碳生产线，这5条生产线所使用的渗碳介质均为乙炔。

一、渗碳介质裂解特性对比

以下显示了不同的碳氢化合物气体在900～1000℃的温度范围内, 压力在2000Pa以下, 可能发生的一些分解反应。

①分解反应

②甲烷 CH₄→CH₄（1）

③丙烷 C₃H₈→C+2CH₄→C+2CH₄ （2）

C₃H₈→C₂H₄+CH₄→C+2CH₄ （3）

C₃H₈→C₂H₂+H₂+CH₄→2C+CH₄+2H₂ （4）

④乙烯 C₂H₄→C+CH₄ （5）

⑤乙炔 C₂H₂→2C+H₂（6）

观察丙烷的各种可能的分解反应, 可以很明显地看到, 所有反应最终都或多或少地产生甲烷。因此，它们只能为渗碳提供很少的自由碳原子。这一点也可由反应式（2）和（3）表示出来, 丙烷不论是直接分解, 还是通过生成乙烯中间环节的分解, 都生成甲烷和一个自由碳原子。对于渗碳来讲,其结果是相同的。只有按反应式（4），经由产生乙炔的中间反应环节, 丙烷才能分解得到可渗碳的双倍碳原子, 可是这个分解反应在上面所提到的条件下可能不会很明显地进行。然而, 当我们观察乙炔的分解反应时, 情况完全不同。由反应式（6）可见, 每个乙炔分子完全分解成两个自由碳原子和一个氢分子。这样, 每个乙炔分子所提供的碳量是以上所讨论的其他碳氢化合物的两倍。

综上所述，我们可得出结论：乙炔比其他气体碳氢化合物有更高的当量渗碳能力。因此，我公司热处理生产现场所有的真空渗碳设备均以乙炔作为渗碳介质。

二、真空渗碳工艺原理及主要参数

真空渗碳一般采用脉冲式，即“强渗→扩散→强渗→扩散…”的循环模式，强渗阶段奥氏体固溶碳并趋于饱和，扩散阶段奥氏体中固溶的碳向内部扩散，经过反复多个这样的循环后使产品达到所要求的表面碳浓度及渗碳层深度，即“饱和值调整法”。

真空渗碳设备由于没有类似可控气氛渗碳设备中使用的氧探头传感器，所以无法对低压渗碳过程进行直接监控。因此，各真空炉设备厂商都根据自身炉子的特点开发出了与各自设备相匹配的计算机模拟软件，以实现渗碳过程的可预见性。如我公司引进的法国ECM公司的真空炉设备，其就配备了一款名为“CBPWin”的工艺模拟软件。我公司真空炉生产现场在制定真空渗碳工艺参数时，均是先通过此模拟软件模拟出一套渗碳工艺参数，即强渗与扩散的脉冲时间，然后经过实际生产验证对模拟工艺进行调整优化，最后得到实际生产工艺。模拟工艺是通过工艺人员将一些模拟参数输入到工艺模拟软件中得到的，其中一个比较重要的模拟参数就是Flux，即富化率。但是模拟软件只能模拟出强渗与扩散的脉冲时间，可实际生产中还需要根据装炉零件数量的不同设定适宜的渗碳介质流量（在我公司生产现场即为乙炔流量），将其与强渗及扩散脉冲时间一起输入到生产现场的控制电脑中，这样才算生成了一份完整的真空渗碳工艺。因此，此参数也至关重要，其对渗碳质量的影响也非常大。接下来，我就对乙炔流量及富化率这两个对于渗碳质量影响较大的参数做一个简单的描述。

（1）乙炔流量设定值的确定

乙炔流量的设定值是通过经验公式计算得到的，公式为：（2500+250Sn/1000000）/2，其中，S为单个零件表面积，n为装炉零件数量。从公式中不难看出，渗碳零件使用的乙炔流量的设定值与单个零件的表面积及装炉零件的数量密切相关。

（2）富化率

富化率（FLUX）是指工件在单位时间、单位面积上吸附碳原子的能力。在使用模拟软件模拟渗碳工艺时，FLUX是输入模拟软件的一个非常重要的模拟参数，它直接影响真空渗碳工艺中强渗及扩散脉冲时间的长短。富化率的数值一般通过设备供应商提供的富化率曲线查得，如图1所示，该图即为我公司的真空渗碳设备供应商ECM公司提供。

三、真空渗碳均匀性探究

1.现象描述

从图2中（右图为渗碳失效件强喷后齿面状态照片）的两张对比照片可看出，由于渗碳不均匀造成同一炉零件中同时出现合格件与渗碳失效件两种状态的零件。渗碳失效势必会影响到零件的使用性能，增加了质量风险。同时，生产制造企业必定以报废形式处理，这样一来势必导致生产成本的增加。

2.原因分析

（1）渗碳气体被过快抽走

图3所示的加热室内部的真空抽气口与外部的真空生产线的真空泵连接，处于常开状态，其作用是维持加热室内的真空度，使加热室内的压力始终与主通道的压力保持平衡，所以其处于常开状态且为主动抽气方式。当加热室内通入渗碳气体时，加热室内的压力瞬间升高，为了维持真空度与压力平衡，真空泵的抽气功率也随之升高，加之真空抽气口处于完全打开的状态且排气管路是直通的，因此渗碳气体被快速地抽走，导致渗碳气体在加热室内还未均匀弥散且与加热室内的渗碳零件还未充分接触即被排出，从而造成加热室内局部区域的零件渗碳失效，出现渗碳不均匀的现象。

（2）炉膛结构与乙炔喷嘴排布方式的影响

从图4中可看出，真空炉4号线加热室炉膛呈八边形结构，炉膛体积大于1～3号线，但渗碳气体喷嘴数量与另外三条线相同（4号线内共分布5排渗碳气体喷嘴，图中用圆点示意，每排8个喷嘴；1～3号线为8排×5个/排的分布方式），且喷嘴在炉膛内未均匀分布（图中圆点仅用来示意喷嘴位置分布，并非喷嘴本身的结构示意），炉膛底部无喷嘴分布。由于真空炉4号线加热室底部无渗碳气体喷嘴分布且炉膛体积也比1～3号线大，因此相同流量的渗碳气体在4号线加热室内的浓度势必比另外3条线低且分布不均匀，导致出现渗碳不均匀现象的风险大大增加。

3.改进试验

（1）富化率试验

富化率是使用工艺模拟软件模拟渗碳工艺时非常重要的一个模拟参数，它直接影响强渗与扩散脉冲时间的长短，因此，富化率数值的真实性与准确性对渗碳质量的影响非常大。一般情况下，模拟渗碳工艺时多数以设备供应商提供的乙炔富化率曲线为准，但是由于出现了渗碳不均匀现象且富化率数值的真实性与准确性对渗碳质量的影响较大，为了从工艺角度降低出现渗碳不均匀现象的风险，因此，在我公司的真空炉生产现场进行了富化率试验以得到真实准确的、与生产现场相匹配的富化率数值，以确保渗碳工艺的准确性与有效性。

试验的大概过程如下：将富化率试块搭入真空炉4号线正常生产的零件中，对渗碳前后试块的重量进行测量并记录，通过富化率计算公式进行计算，计算公式

F=3600D_p/（ta）

式中 D_p—零件渗碳前后质量变化；

t—渗碳气体通入的时间；

a—处理的零件的总面积，单位分别为mg、h、cm²。

经过计算，得到940℃时乙炔富化率为13，而设备方提供的图表（见图1）查到的数值为14，使用实测的富化率数值我现场又进行了新的工艺模拟，新老工艺对比见表1。

如表1所示，老工艺为富化率使用14的时候模拟出的渗碳工艺，新工艺为富化率使用13时模拟出的渗碳工艺。从图中不难看出每一步的强渗脉冲时间存在明显差异，这种差异就是因为模拟渗碳工艺时输入的富化率的值的不同而产生的。通过比较两组渗碳工艺参数，发现富化率为13时模拟出的渗碳工艺中每一步的强渗时间都比富化率取14的时候长，这意味着渗碳气体通入加热室炉膛内的时间加长，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之前的老工艺有所增加。通过上述分析，采用新工艺会对渗碳均匀性的改善有所帮助。

表1 新老工艺参数对比

	老工艺		新工艺
节拍序号	强渗（s）	扩散（s）	强渗（s）	扩散（s）
1	80	10	92	10
2	72	110	92	144
3	61	178	74	237
4	56	236	68	320
5	53	291	65	401
6	51	349	64	488
7	46	407	63	573
8	45	2875	0	2709

（2）改进热用料架

从图5中可看出新料架取消了挡边，且零件上下层是交错摆放的，极大地改善了渗碳气体的流通性，使渗碳气体能够与料架上的零件接触更充分，对改善渗碳均匀性有很大帮助。

4.改进效果跟踪

在使用改进措施前，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。在使用改进措施后，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。

在强喷分选前，我生产现场对使用改进措施和未使用改进措施的两炉实验零件进行了金相抽检，每炉零件随机抽取5件试样，主要检测渗层深度，检测结果见表2。

表2 使用改进措施前后检测试样渗层深度统计