材料热处理新技术集锦
第34卷 第1期
2009年
1
月
Vol134No11
January2009
新技术信息
材料热处理新技术集锦
樊东黎
Thecollectionofmaterialandheattreatingoutstandingtechnologies
FANDong2li
中图分类号:TG15 文献标识码:E 文章编号:025426051(2009)0120108210
在翻阅材料与热处理新技术报道之际,看到一些值得注意的方向,诸如纳米材料和技术的应用、无污染防锈润滑剂、长寿命炉用高温材料、离子束增强涂层、微波热处理和钎焊、热处理用二极管激光器、奥氏体不锈钢表面硬化、节能循环热处理、加速贝氏体转变的循环等温热处理、低压渗氮和蒸汽处理等。现整理列述如下,供读者参考。
产品巨人的极富效益领域。
2005年美国政府和民间合作以及风险投资96亿
美元用于纳米技术的研发,当年就有320亿美元与纳,。
,纳米技术的商品。例如旁观者经常谈到“纳米技术市场”或“纳米工业”。但实际上不是这么一回事。纳米技术是一种广泛的启动(赋予其他物品以特殊功能的)技术,它以不同方式影响其它多种工业和市场。最大的相似点是制造装配线。当亨利・福特于1900年首次使用装配生产线以后,使公司成本降低了63%,获得比竞争对手多一个数量级的股票市场价值。
1 [1]
2006年10月～日在美国麻省剑桥市召开
了LuxResearch执事最高层年度会议,全世界纳米技术组织高级主管在会上发言,其中包括Du2Pont,AgilentTechnologies,3M和IBM以及Luxanalysis。LuxResearch(NewYork)对纳米材料和技术的应用作了图1所示的概述
。
从上面所列的纳米技术价值链中,可以更全面地认识到纳米技术的广泛含义。例如纳米材料就如同涂层,记忆芯片和赋予新性能的医用药剂中间产品,这些中间产品可添加到很广泛的制成品系列中,如把纳米胶晶片加入聚丙烯树脂中,制成更轻和牢固的复合材料,并用以制作HummerH2和其它GM车辆的脚踏板等塑料零件。这种瞄准市场的纳米技术革新会愈来愈多,纳米技术对经济的推动作用会愈来愈大。Lux
图1 纳米技术价值链
Fig11 Thevaluelinksofnanotechnology
Research预期到2014年纳米产品的销售额将会达到26000亿美元!
纳米技术最大程度地继续激发着工业和政府的热情。乔治W布什总统把纳米技术在国家网站上设置了网址。通用电气公司首席执行官JeffreyImmelt把纳米技术称作为其公司最优先发展技术,Procter&Gamble公司CEOAlanLafley把纳米技术当作消费者
收稿日期:2008211220
作者简介:樊东黎(1934—),男,山西定襄人,教授级高工,中国热处理学会荣誉理事长,中国热处理行业协会誉理理事长,全国热处理标准化技术委员会顾问,本刊编委会高级顾问。
2 无污染的防锈润滑剂
[2]
美国中西部地区的大型轮盘零件制造商有一个在热处理前后的防锈问题。质量重达数百磅的零件需在厂内工序间和成品车、船运输过程中防锈,随后对附在零件上的防锈剂的处理也是一个大问题。过去使用石油基防锈剂在热处理后和长期在零件表面涂敷会遗留黑色残留物,很难去除,要求寻找矿物润滑油的替代品。美国SantovacFluids
公司成功地找到了既可有效
第1期樊东黎:材料热处理新技术集锦
109
防锈又不在零件表面形成残留物,其分解产物对环境完全无害的合成防锈润滑剂。
被称作TKO2的合成防锈润滑剂可完全防止钢件在工厂内部生产运转中的锈蚀,在公路上的长期运输,特别是在冬季用盐融雪的公路上,也不会使钢件生锈。TKO2不含钡盐和其它有毒制剂,也不含石油溶剂,在高温和低温(-54℃)下都不易分解,但随时间可生物降解为CO2和H2O,热处理加热时也会分解为这两种无害成分。
SantovacFluids公司对TKO2进行了严格的盐雾腐蚀试验。用50mm×50mm低碳钢试片,以400号砂纸打磨成特别容易接受腐蚀的表面状态。试样表面喷以TKO2薄膜,悬挂在容器中,缓慢旋转,以使其均匀暴露,容器底部有5%的盐液,并被加热到100℃,呈连续沸腾状态。经150h的试验,试片表面既未生锈也未被腐蚀,未发生任何变化。由于高的盐浓度和高达100℃的盐雾,环境下暴露1500h(9)严格考验。一方面沙漠含有大量的盐,另一方面细沙也很容易进入枪械零件内部。防锈润滑剂必须保证在此条件下枪械不生锈,保证在细沙侵入时零件活动的润滑性,还要保证容易清理吸附在金属表面的火药燃
烧产物。TKO2能完全满足这些要求,且完全符合MIL2L263460美国军标的规定,其分离火药试验结果
也理想。
3 长寿命炉用高温材料
[325]
冷作模具、高速钢刃具、不锈钢和耐热钢以及耐高温合金件,高温渗碳的奥氏体化加热都需达到1000℃以上高温,在如此高温炉内的工件料盘、料筐、夹具、吊具以及炉罐、马弗、辐射管等要求抗氧化、高热强性、高抗蠕变能力、不易畸变,长寿命的炉用耐热构件是长期折磨炉子制造商和热处理加工企业的难题。
瑞典Kanthal公司用Al(Fe2Cr2Al合金)粉末技术通过热等静压、烧结和深拉延出的APM和APMT合金i2Cr,在925
2
℃/mAPM合金1,其原因是表l23。Ni2Cr合金管在1150℃使用1000h表面损坏严重。KanthalAPM管的寿命是最好Ni2Cr合金的4倍。其在强渗碳气氛中的表面增碳速率最低(见图2),而作为电热材料在不同气体介质中的最高使用温度列于表1。由表1中数据可知,APM合金最高使用温度可达1425℃,而Nikrothal70则仅为1250℃。
表1 各种电热材料在不同气氛中允许的最高温度(℃)
Table1 Allowedmaximumtemperatureofvariousmaterialsindifferentatmospheres(
℃)工作环境
KanthalAl
KanthalAF
KanthalD
Nikrothal80和Nikrothal701200④[1**********]0
Nikrothal60
Nikrothal40
和APM
1400①12001200～10501400①
氧化气氛
干燥空气
湿空气氮②氩
[1**********]0～1150
1300
[1**********]0～1000
1300
[**************]0
[**************]0
中性气体
放热式气氛10CO+15H2+5CO2+70N[1**********]00
1100③
11001100
吸热式气氛:20CO+40H2+40N2
还原气氛
氢气
氨分解气:75H2+25N2
1133×10Pa
10501400①1200
10501400①1200
[1**********]0
1100③12501250
[1**********]0
[1**********]0
真空[***********]0900
①APM最高使用温度1425℃;②上限值适用于预氧化材料;③在渗碳气氛中产生绿色腐烂,需用KanthalAF或Nikrothal70;④Nikrothal70为
1250℃。
110
第34
卷
磁控管(微波能源),形成弧光放电,使磁控管损坏。故到现在为止,利用微波还只限于加热只吸收而不反
射微波的材料,如橡胶,食物、木材、陶瓷等。
美国DanaCorp是全世界最大的金属热处理加工企业之一。他们的研究人员发现如果在金属零件周围形成等离子体,就可以使其充分吸收微波而剧烈减少微波反射。吸收微波能的等离子体迅速把产生的热传送给金属零件,可用任意一种被限制在有陶瓷壁空腔内的气体形成等离子体(见图3)。此陶瓷空腔能被微波穿透,并可经受高温。非常重要的条件是在大气压下形成和保持均匀的等离子体。如此便可以避免采用昂贵的抽真空系统。由于显著减少微波反射,可以降低磁控管功率,避免用昂贵的高耗能设备,从而降低生产成本。体,
图2 各种合金渗碳速率和温度的关系(固体渗碳250h)
Fig12 Carburizingratevstemperatureforvarious
alloys(packcarburizingfor250h)
Ni3Al金属间化合物高温稳定性好,热强性高,但
由于脆性大,20多年来未获得实际应用。美国能源部(DOE)OakRidge国家实验室由ChainTLiu领导的课题组发现在Ni3Al化合物中添加微量硼等元素可显著改善其塑性。该材料的主要化学成分(质量分数,%)为715～815Al、712～812Cr、112～115Mo11451190Zr,其余为NiIMASTMA1002～℃尚具有高强度。
DelphiAutoSystemsCorp和DOE将Ni3Al
新材料用于热处理工装夹具,实现了延长寿命和节约能源的效果。据Delphi公司经理DAlbrecht称,金属间化合物(IM)已在DelphiSaginawSteeringSystems公司的10台推杆渗碳炉中用于汽车动力转向系统零件的热处理,以代替过去的HP铸造合金(35%Ni226%Cr)料盘、支撑座和夹具。Ni3Al料盘虽比Ni2Cr合金
图3 金属零件热处理和涂敷用微波大气等离子加工系统
Fig13 Microwaveatmosphericplasmprocesssystemfor
heattreatingandcoatingofsteelcomponents
贵115～2倍,但寿命要长得多。Ni2Cr合金料盘只能用12～15个月,而Ni3Al在DelphiSaginaw公司的6套周期炉和65个推杆炉料盘从1998年1月到2001年中的三年半时间未损坏,尚在使用。可见料盘寿命的延长完全可以补偿费用的增加而有余。据报道,新材料料盘由于寿命的延长和质量的减轻,还可以提高10%的热处理生产效率,使每台炉子每年节约15000
微波大气等离子加工(MicrowaveAtmosphericPlasmaProcess,MAPP)系统可以达到每秒1300℃的加热速度,并可根据不同金属,工件的形状和尺寸在一定范围内调节,而且可以瞬间开始和停止加热,不会在系统中产生热应力。
Dana公司研究人员用8620H钢在1200℃进行了80min的微波渗碳,在1100℃进行了低碳钢的钢焊料钎焊(90s)以及1200℃、20min的粉末烧结试验,都获得了比传统方法好的冶金力学性能。有别于感应加热,MAPP不受金属材料种类限制,也对零件形状不敏感。表2所列为微波加热和传统加热时间的比较。
表2 微波和传统加热周期的比较
Table2 Comparisonbetweenperiodsofmicrowaveand
conventionalheating
用途渗碳钎焊粉末烧结
传统加热周期/min
36015～6040～120
～20000美元的直接费用。DelphiSaginaw公司还取消了另一台渗碳炉的购买计划,为此而节省80000～1100000美元。Arbrecht还说,辐射管和风扇是应用Ni3Al合金的下一步对象。
4 微波加热热处理、涂敷和钎焊
[628]
微波加热速度快、能耗少,设备维护费用低,生产废品率低,比电热辐射加热可降低30%的成本。尽管有这些优点,但微波到目前为止还不能取代金属热处理炉。问题在于金属会反射微波,大量的反射能指向
微波加热/min
80115
20
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111
LosAlamos国家实验室使用215GHZ微波对薄的不锈钢件进行了钎焊。利用SiC微波能接收器把能量
转换成可加热金属件的热能。把被焊件放在SiC平板上,用第二块SiC板压在被焊金属上,然后把SiC板连同工件一起装入陶瓷容器中。SiC板外尚需包裹Al2O3纤维。微波穿透层靠SiC表面的散热降低热梯度。在960～1100℃保持5min即可焊好,和传统加热相比,可节省40%电能。该实验室利用微波把11524mm厚的304不锈钢片和010762mm的薄金属过滤网用54Ag221Cu225Pd焊剂焊接起来。用2个开关电源最大供给微波腔6kW的电,腔内尺寸4916cm×57115cm,深3715cm,容积约0108m。在此微波腔内能产生最优化的最频值(mode)数和每一最频值的谐
3
伤能力;④显著提高零件耐磨性;⑤显著提高不锈钢件的抗疲劳性能(见图5);⑥提高AISI316不锈钢的抗点蚀(接触疲劳)能力;⑦显著提高不锈钢件的抗应力腐蚀开裂能力;⑧不产生畸变。该技术适用于药品、食品、饮料工业的泵转子、齿轮、无菌阀、密封圈等零件,适用于大批量生产的装瓶生产线,亦可用于汽车变速控制阀和柴油机喷油件,也同样适用于这些领域的螺钉、螺栓、螺母等紧固件和喷嘴。特别是采用SAF22205双合金出海船用泵件。最近有望在航空工业中找到新的用途
。
振频率。该项目得到能源部(DOE)的经费支持,合同号是W274052ENG236。
5 [9300,于硬度低、,尽如人意。低温渗碳技术于2003年推广到北美,被命名为KolsterisingProcess。
此专用技术要点是:①工艺温度低(
这种技术具有以下优越性:①表面硬度高达1000～1200HV0105(相当于70～74HRC),见图4;②至少能保持原有的抗腐蚀性能(不会减少表层含铬量,不会形成铬的碳化物);③
显著提高不锈钢件的抗擦
图5 AISI316不锈钢经Kolsterising处理和未经处理试样的
弯曲疲劳强度(层深28μm)
Fig15 BendingfatiguestrengthofAISI316stainlesssteelwith
μm)andwithoutKolsterisingtreatment(forcasedepth28
6 离子束增强涂层
[10]
离子束增强沉积(IonBeamEnhancedDeposition,
IBED)技术是由美国WorthingtonBeamAlloy(WorthingtonIndustrialInc的分部)服务中心于本世纪初开发的,现已用于精密汽车零件和切削工具。其最大特点是在93℃低温和真空下进行。用IBED技术可在铁合金和非铁合金以及陶瓷、塑料、玻璃衬底上沉积多种金属或耐火材料,诸如Cr、Ni、Ti、Al、Cu、Ag、Pt、Au、TiN、Cr3N、Si3N4、AlN、ZrN、SiO2、Al2O3和类金刚石(DLC)涂层。涂层深度在1～10μm范围。
IBED是一种物理学上的非平衡过程。它是利用高能离子分别控制的粒子束同时轰击衬底表面,并使其逐步增长的层膜(见图6)。后者既依靠真空蒸镀、也仰赖离子束溅射而成。各个独立的粒子束,包括主要是从宽束离子源在高能条件下提取的带电原子(离
+++
子)。这些离子可以是惰性物质Ne、Ar、Kr,也可
++
以是N、O等活性物质。由于离子束控制与蒸发气流无关,离子束能量可在很宽的范围内调节,在很狭窄的窗口选取。这就使得涂层能在纳米结构范围高度控制,从而可优选涂层性能,诸如界面结合力、密度、晶粒度和晶粒形态、内应力状态
。活性离子源置于能辐照
图4 AISI316不锈钢(33和22μm)和SAF22205双合金经
Kolsterising处理后的硬度沿层深分布
Fig14 HardnessprofileofAISI316stainlesssteel(33and22μmthickness)andSAF2205duplexalloyafterKolsterisingtreatment
全部零件形成涂层的位置(
见图7)。零件安放在成一个角度的转动台上,以使工件表面能均匀暴露在两个活性离子流中
。理功能有很大差别。CO2激光器在用金属封闭的空腔中充有气体(CO2)介质,靠射频电能把能量传给气体,形成完全在红外领域波长为1016μm的光波。此波长由介质决定,而不能改变。可以很容易地建造数百瓦至数十千瓦输出功率的CO2激光器,后者可提供直径数毫米良好聚焦的笔尖式光束。
二极管激光器是用电流为能源的半导体装置,是用变换半导体材料系统而构建的。其输出光波介于红和近红外光谱范畴,波长为915nm、940nm和980nm。通常大功率倾向用长波。与其它半导体器械一样,二极管激光器体积很小,射出光的截面尺寸只约1μm,由于此小区域的光线绕射,使光束迅速扩散,故光束是发散的,而不是聚直的。
,在,100)HPDDL系统。由于二极管装置的光学特性,其能量可以扩展到数平方厘米的尺度,而不能聚焦一点上。
CO2激光器输出1016μm波的光,其能量不能被钢和其它金属很好吸收(见图8),工件在加热前必须
图6 IBED技术示意图Fig16 SchemeofIBEDtechnol
ogy
图7 IBED加工的几何位置Fig17 ThegeometryofIBEDtreatmentsystem
由于沉积原子先渗入衬底金属表面,然后再逐渐
增长为厚的涂层,由嵌入机制取代热结合所形成的是冶金结合,比范德华(VanderWaals)结合更为牢固,而且IBED过程是一种动力学驱动,在结合面上会越过合金固溶限度。因此,IBED沉积层的力学性能比一般PVD沉积层好,所显现的高结合粘着力、微观组织和宏观形貌都很平整,沉积层无孔洞和针孔,批量生产时的质量重现性也好。潜在的应用领域尚有航空、航天、汽车、医疗、制药、化工、石油、天然气、工业设备、制冷和电子等。
在表面涂敷提高光吸收率的物质。二极管的输出波长短,金属对短波光能的吸收率高,工件加热时表面无需涂敷。因此用HPDDL处理的工件表面光洁,无排泄物而不影响环境。二极管激光器的电效率(输入的电能和输出的可利用光能的转换率)是CO2激光器的3～4倍。由于它具有瞬间发射能力,故没有准备(启动)电能消耗,和CO2激光器相比,维护费用能减少数个数量级。表3所列为二极管激光器和CO2激光器的热处理加工成本的比较,由表3中数据可以看出,
二
7 用二极管激光器的表面相变硬化
[11]
用CO2激光施行钢的表面热处理已有近30年历史了,几年前出现了由美国NuvonyxInc公司开发的大功率直射式二极管激光器(high2powerdirectdiodelaser,HPDDL)。这种设备虽不能完全取代CO2激光器,但在某些特定用途上证明明显比CO2激光器优越。
二极管激光器和CO2激光器的工作特性和热处
图8 碳钢和铝对HPDDL和CO2激光的吸收率,
对HPDDL无需金属表面涂层
Fig18 Absorptionrateofcarbonsteelandaluminum
forHPDDLandCO2laser,neednotsurface
coatingfortheHPDDLpr
ocess
极管激光器的加工成本仅为CO2激光器加工成本的一半。表4所列为用HPDDL对几种金属材料的表面
相变硬化加工热处理的工艺效果。
表3 用HPDDL和CO2激光器热处理加工的成本比较
Table3 ComparisonofheattreatmentcostbyuseofHPDDLandCO2laser
项 目
第1年
第2年
第3年
第4年
第5年
USD/h
HPDDL(Coherent4000L)
基本建设投资①/USD补充加工费/USD用电费用②/USD维护费用/USD总计/USD
[***********][***********]50095164
————
22180
—
[1**********]64
—
[1**********]64CO2激光器
—
[1**********]64
—
[1**********]64
基本建设投资①/USD补充加工费/USD用电费用②/USD维护费用/USD总计/USD
[***********][***********][***********][***********]002096240
————
46127
①5年直线折旧;②电费01D(/5火动力学过程的试验研究。其试验工艺如图9所示。
表4 HPTable4 Thehardeningdepthandsurface
hardnessfortheHPDDLprocess
材料碳
钢低合金钢不锈钢铸铁
1080,[***********]40420410
最高硬度/HRC
[***********]
最大层深/mm
[***********]10175
图9 AISI1080碳钢等温淬火试验工艺
Fig19 TheaustemperingexperimentprocessforAISI1080steel
灰口铸铁球墨铸铁
第一次奥氏体化淬火目的是使试验前所有试样都具有相同的初始组织。完成首个周期后,圆柱试样再次加热到奥氏体化温度(850℃),保持5min,然后快速冷却到不同温度以不同方式施行等温处理,经过一
[12]
8 加速贝氏体转变的循环等温淬火
利用等温淬火可使贝氏体钢获得强韧性,
但在马氏体转变点Ms以上的传统等温淬火过程很缓慢,要完成等温贝氏体转变,按钢件尺寸和钢的化学成分需经历2～24h。根据1997年雷廷权等提出的循环热处理可加速某些相变过程的报道,美国热加工技术中心(ThermalProcessingTechnologyCenter,TPTC)的研究人员开展了用循环等温淬火加速贝氏体等温转变的研究工作。试验钢种为AISI1080,试样为
定时间等温,自炉中取出试样冷至室温。等温前的冷却要保证足够快,在等温前试样未发生任何转变。等温试验在260℃和300℃的等温温度下进行,而循环试验是在260
℃和300℃区间进行,采用了不同的循环速度:1℃/min、5℃/min和10℃/min。贝氏体转变分数与时间的关系是从膨胀曲线计算出的,并结合光学显微镜和扫描电镜的显微组织检验。
在260℃和300℃等温淬火和从260℃到300℃以1℃/min和5℃/min速度循环等温的膨胀曲线示于图10。在膨胀曲线上出现平台的时间表明已完成贝氏体转变。此贝氏体转变完成时间只是大体上的概
念,并不要求是完成100%
转变的时间。从图10可知,在260℃和300℃的总膨胀量分别是010069和010065。260℃的等温膨胀由于温度低,比300℃的
膨胀量大。图10中的膨胀量2时间关系曲线长达250～300min是为了测出等温和循环过程完成贝氏体转
变的确切时间
。
图10 膨胀量2时间关系曲线Fig110 Thedilationvstimecurves
图11表示完成贝氏体转变时间循环等温远比传统等温快。传统等温在260℃完成贝氏体转变需160min,而在300℃需140min。循环等温当变温速率为1℃/min时,完成转变时间为(80±20)min,变温速率为5℃/min时为(32±4)min,即可以节省80%的转变时间,把循环速率增加到10℃/min还会进一步节省12%的时间。偏差范围是因按膨胀曲线平台估算完成转变时间的不精确度造成的。该项工作尚在继续进行中,以使循环过程更为优化,并探索加速相变的机理及投入工业生产的可能性
。
[13]
9 低压(真空)渗氮
使用NH3+H2混合气体在1atm下渗氮时,渗层
3/2中形成的相和温度、氮势(Kn=PNH3・[PH2])间的
Lehrer关系如图12所示。低于1大气压下的渗氮,其
氮势关系则为另一种规律,即
3/2
K′n=P(NH3)・(P)/[P(H2)・(P)]
式中,P(NH3)和P(H2)是NH3和H2在1大气压下的体积分数,而P是减压后的压力分数
。
图11 等温和循环等温完成贝氏体转变时间的对比
Fig111 Comparisonofaustenite2bainitetransformationcompletion
timeofaustemperingandcyclicaustemperingtreatments
图12 铁渗氮时可能产生的相与温度和
氮势的关系的Lehrer图
Fig112 Lehrerdiagramofrelationshipbetweenformablephases,temperatureandnitrogenpotentialsduringtheironnitriding
由于Kn=PNH3・PH2,设P′=P・P
-115-115
,则K′n
=
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115
KnP′。说明随着渗氮压力的降低,临界氮势增加,渗氮
层相组成的边界值曲线就变成为图13和图14。
美国SolarAtmosphereInc公司人员在NH3+H2
混合气和不同预氧化条件下进行了真空渗氮和增压(高于1大气压)渗氮的对比试验。真空渗氮时的理论计算和实测相区边界值曲线示于图15。AISI4140钢在各种条件下的真空渗氮和增压渗氮试验结果列于表5～表7。
试验结果证实:①AISI4140钢在NH3+H2混合气于125torr真空渗氮时,其渗速比增压(815torr)渗氮快20%;②在204℃低温预氧化,然后在低压H2中加热,NH3+H2混合气中真空渗氮时,渗速有明显增加,说明预氧化有促进渗氮作用;③钢预氧化后在H
2中加热比在N2中加热后渗氮的速度高。
试样
234
图15 渗氮实测边界值和按Kn计算值的关系
Fig115 ExperimentalboundaryvaluevsKntheoreticalvalue表6 在415torrH2中加热,812torr的渗氮结果
Table6 Nitridingat812torrresultafter
heatinginH2at415torr
氧化温度/℃427315204
到[***********]
01051mm层下的表
面硬度/HRC
[**************]1
表7 在415torr的N2中加热,812torr的渗氮结果
γ′图13 在latm和125torr通入NH3时的α2边界值
α2γ′Fig113 boundaryvalueundertheconditionoflatmand
125torrNH3input
Table7 Nitridingat812torrresultafter
heatinginN2at415torr
试样
1234
氧化温度/℃未预氧化
427315204
到40HRC的渗层
深度/mm
[***********]15
01051mm层下的表
面硬度/HRC
[**************]1
真空渗氮还具有下列优点:①在真空热处理炉中施行的低压渗氮无需加热和冷却炉罐;②可采用水冷
γ′图14 在latm和125torr时α2边界值和氮势的关系
α2γ′Fig114 boundaryvaluevsnitrogenpotentialundertheconditionoflatmand125torr表5 在415torr的H2中加热,125torr的渗氮结果
Table5 Nitridingat125torrresultafter
heatinginH2at415torr
试样
1234
的循环惰性气体来加速冷却,和一般真空炉的操作一样;③渗氮前用H2保护加热可使钢件获得光洁表面;④低压渗氮时的H2压力在150torr以下无爆炸危险;⑤炉膛内的温度和气氛均匀,无需对流风扇。
氧化温度/℃未预氧化
427315204
到40HRC的渗层
深度/mm
[***********]86
01051mm层下的表
10 蒸汽处理工艺与设备
[14]
面硬度/HRC
[**************]1
钢件的蒸汽处理是一种传统工艺,可以提高防腐能力、耐磨性、提高表面硬度、增加表面美感,可以填塞粉末件孔洞,提高其密度。工艺过程简单,生产成本低。但是近几年此工艺较少受到人们的重视。美国AbbottFurnaceCo撰文论述了蒸气处理技术要点和所
116
第34用设备,值得人们对此工艺的重新注目。
钢件蒸气处理典型工艺示于图
16。首先把工件在空气炉中加热到
315℃,再凭经验加热到370℃,通入蒸气时要保证工件已被加热到315℃,通入炉中的蒸气要绝对干燥,也就是蒸气入炉前必须排去所含的冷凝水。正常的蒸气处理温度为540℃,此时在钢件表面生成Fe3O4,其硬度高达50HRC。在540℃的保持时间取决于钢件用途,如密封圈为60min。如果只要求提高防腐能力和硬度,保持30min就能达到目的。工件处理完毕可以热态出炉施行自然冷却。
部,并可防止冷空气侵入。其缺点是网带运行,路径繁杂,会增加其受力而影响寿命。近代多用直通式网带炉,产品质量能达到周期炉和驼背炉水平。
图17 周期式蒸气处理炉
Fig117 Batchsteamtreatfurnace
图Fig116 Steatreatmentperiodofsteelparts
图18 驼背式连续蒸气处理炉
Fig118 Humpbackcontinuoussteamtreatmentfurnace
影响被处理工件质量的因素有:①质量差异大,色
泽不均匀会降低氧化层防腐性能;②表面事先未清理干净、有污物事后会形成黑斑或氧化皮剥落。污染源是外来材料,如切削液、油脂,所以蒸气处理前,必须仔细清洗工件;③通蒸气温度未严格掌握,如工件在315℃前通蒸气会在表面形成Fe2O3呈现粉红色;④
11 大批量生产的多室渗氮/氮碳共渗
系统
[15]
蒸气纯洁度差,含液态水也会在钢件表面形成Fe2O3红色斑
;⑤水处理用化学剂和锅炉中生成的颗粒也会污染蒸气,这就要求锅炉要经常放气;⑥蒸气中如含空气,其中的O2会和Fe反应生成Fe2O3;⑦超过620℃施行蒸气处理,钢件表面形成FeO。FeO不稳定,冷却到620℃以下会反向生成Fe3O4(4FeOFe3O4+Fe)。此Fe3O4不是在315～570℃生成的Fe3O4,前者伴生有游离Fe,使氧化物总量减小,不能满足性能要求。
蒸气处理设备最早多使用周期式炉(见图17)。工件装炉后在空气中加热到370℃,加热到540℃时通蒸气。当炉料冷到315℃即可出炉在大气中冷至常温。小批量生产适宜用周期炉,但每批炉料都需加热和冷却会浪费能源和时间,生产效率也不高。采用连续生产方式可提高生产率和节约能源,为此可用网带炉或分区贯通式炉,在各区分别通空气和蒸气。过去常用驼背网式炉(见图18)进行连续蒸气处理,此种炉的优点在于利用热气流上升原理把热蒸气集中在上
最常用的井式渗氮炉已不能适应小批量生产的柔性要求,更不适宜大批量生产。频繁加热和冷却的辅助时间使生产效率低下,提高了生产成本。氮碳共渗的工艺周期短,故对其影响更大。现有的密封多用渗碳炉内装有渗氮和氮碳共渗不需要的淬火系统,针对这两种工艺的密封性也不够,而且不能满足渗氮工艺的大批量生产要求。
加拿大NitrexMetalInc的工程师们最近开发出可在分区段条件下工作,适宜于热处理加工厂进行适时加工的连续式渗氮和氮碳共渗自动生产线。该生产线由多个工艺模块积成:①预热/预氧化模块。工件由此模块入炉预热或预氧化,整批工件在此完成预处理,然后直接送入渗氮炉膛;②渗氮/氮碳共渗模块。为施行渗氮,铁素体或奥氏体氮碳共渗而设置,可精确控制温度,氮势(Kn)和碳势(Kc),以保证效果的重现性。发热元件形状和布置能保证±116℃的炉温均匀程度;③强循环冷却(带或不带后氧化)模块。在同一室内可同时完成和控制后氧化,以改善钢件表面的抗腐蚀能力。可以记录工件的搅动冷却时间;④液体或气体淬火冷却模块。用多种可供选择的冷却方式以保证钢
第1期樊东黎:材料热处理新技术集锦
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件所需的冶金2力学性能。
设置的每一个工艺模块都能顺利完成渗氮或氮碳共渗工序或工步。通过预热、渗氮、在隔离室中冷却的炉料均按规定程序运行。所有的炉门都是气密的,料盘靠装在炉外的马达移动,修理维护方便。用现场或远程计算机的中央控制系统以及PLC下级控制系统
的指令可保证无间隙(不停顿)运作。
该生产线可视作一套独立的加工制造系统,安置在各种制造环境中工作,用单独的Nitrex工艺控制计算机来控制生产线的加工过程,也可集成到全自动的大生产环境。
连续生产线的产量比大型井式炉生产率高70%,模块化结构比大型井式炉能耗减少30%～40%。
经再结晶的碳化硅(ReSiC)是小型炉耐热构件的理想材料,具有极高的强度,优异的抗热震性,抗氧化和抗磨料磨损能力,最高使用温度达1610℃。适宜的产品包括薄璧支架、支座、底板、特种固定器、燃烧嘴、辊轮以及其它特殊形状结构件。
前面介绍的Ni3Al就是一种出色的陶瓷材料,作为耐火、绝热炉衬材料的陶瓷纤维板、块已获得广泛应用,产生了巨大的节能效果。SiC做为一种优异材料也广泛用于炉底板,发热体、导风马弗。陶瓷材料作为金属和合金耐热构件的筑炉材料的替代品具有不可估量的前景。
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41.
12 到了在筑炉工业中推广陶瓷材料的
时候了
[16]
步。,,制品价格的飞涨,都给陶瓷材料的推广应用,特别在热处理筑炉工业中的应用提供了机会。
当前的陶瓷技术比5年前有可觉察的变化,比20世纪90年代有显著进步,例如新配方的SiC,其从室温跃迁到1095℃时强度提高了50%,近几年金属价格飞涨,在筑炉耐热合金中广泛使用的镍涨价60%,3～5年前陶瓷的价格尚贵于金属,但一些热处理企业鉴于性能好,寿命长已开始使用陶瓷制品。现在这种价格的差异已在很大程度上消失,精明的制造商已更多青睐于陶瓷制品。
BlaschDrecisionCeramics公司致力于热处理用陶
瓷材料方面迈出了一大步,开发出制造最小允差接近最终形状产品,低收缩率、可控制孔隙度和密度的专利技术。研制出比过去产品更优良能经受更大热震的陶瓷制品。该公司的专利加工技术可以制出高强度、高平坦的炉子底板,能经受1650℃的高温和高度热震,且具有高的蠕变抗力,适宜在含氢的还原性气氛下工作。该炉底板尚可做成特种用途的带孔、带纹线和沟
槽的特殊形状。反应结合(reactionbonded)的SiSiC具有出色的耐磨性,化学稳定性,抗氧化性和抗热震性,以及最高的导热率,其最高使用温度可达1380℃。可用以制造的产品有辊子、支架、支座、燃烧嘴、泵件,坩埚,机械密封、超细粉碎器和喷砂嘴,按照用户形状要求来制做。