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先进的化学热处理催渗技术

浏览:80 发表时间:2019-11-18 11:08:44

化学热处理可提高钢制零件的耐磨性、抗蚀性、疲劳抗力或接触疲劳抗力等性能,并显著延长零件的使用寿命,因而得到广泛应用。但化学热处理工艺周期长,能耗大,成本高。


目前,缩短化学热处理过程主要有化学催渗方法与物理加速方法。物理加速方法,如离子处理、高温处理、真空处理、流态粒子处理、感应处理、微波处理等;化学催渗方法,如加入催渗剂、电解气相催渗等。

我国自主开发的稀土催渗技术和BH催渗技术,用于齿轮和轴承等零件的渗碳热处理,在同一温度下可提高渗碳(碳氮共渗)速度20%以上,同样渗速条件下可降低渗碳温度30℃左右,因此节能降耗效果显著。并可用于渗氮(氮碳共渗)热处理。目前,已在国内上百家企业得到广泛应用,取得了显著的经济效益。

德国劳瑞德布尔热处理技术公司开发的电解质气相离子催渗技术(ECA催渗技术),可提高渗碳速度35%左右,减少渗剂用量1/3,在原工艺温度降低30℃的条件下,仍能维持原渗速不变,是环保产品。
稀土催渗技术
哈尔滨工业大学学者开发的稀土催渗技术,打破了传统渗碳工艺。与传统渗碳工艺相比,在渗碳温度不降低情况下,可提高渗碳速度20%以上;在渗碳温度降低40~60℃条件下,渗碳速度不降低。因此,可以大幅度降低能源消耗,节能可达20%~35%,同时可减少工件变形1/2~1/3,还可以明显改善渗层金相组织与大幅度提高使用性能。

稀土催渗氮可有效提高渗氮速度,用同样温度下稀土渗氮可提高渗速15%~20%;渗氮温度高出传统温度10~20℃,渗氮速度可提高60%以上。

稀土催渗技术现广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械等零部件,以及模具等的渗碳、碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗等,已取得显著的经济效益。

稀土催渗的基本原理如下:
稀土是一种活性很强的元素,又是一种强效微合金元素。在化学热处理过程中使用稀土,其贡献如下:

(1)稀土对炉气的作用
在还原性气氛中稀土可以有效地加强对渗剂的裂解作用,提高CH4及CO含量,升高炉气碳势,从而加速渗碳过程。

(2)稀土清洁表面增加表面活性
稀土的活性比铁高,在炉气中稀土离子可以还原工件表面的氧化铁,产生新生铁,起到清洁工件表面功效,有利于碳原子的吸附。

(3)稀土渗入金属表面形成的晶格畸变
由于稀土元素的原子半径比Fe原子半径大得多,它的存在会引起其周围的原子晶格畸变。这种晶格畸变,一方面由于C(或N)间隙原子在畸变区的偏聚导致表面C(或N)浓度增高,加快C(或N)原子的扩散;另一方面由于晶体缺陷对原子扩散的通道作用,促使间隙原子沿着位错等缺陷快速扩散。

在气体渗氮过程中,采用大连圣洁热处理高新技术研究所的专利技术——稀土催渗快速气体渗氮技术,加入一种稀土催渗剂能够活化工件表面,加快氮原子吸收速度,不但能够缩短渗氮周期,还能够在工件表面形成细小弥散的氮化物,改善渗氮后组织,其中脆性级别、氮化物级别和疏松级别都可控制到1级,并提高表面硬度(比常规渗氮工艺提高30~100HV)。对于一般结构钢渗层要求0.3mm时,采用常规渗氮工艺保温时间在30h以上,但加入稀土催渗剂后,渗氮保温时间仅用14h,缩短时间53%,节电40%,节省氨气35%以上,整个渗氮周期缩短32.7%。

1.稀土快速渗碳工艺在连续式渗碳炉上的应用
(1)齿轮材料及技术要求
 CA-457型“解放”牌重载汽车后桥从动弧齿锥齿轮,外形尺寸为φ457mm × 62mm,材料为20CrMnTiH3钢,技术要求:渗碳淬硬层深度1.70~2.10mm,表面与心部硬度分别为58~63HRC和35~40HRC,碳化物1~5级,马氏体及残余奥氏体1~5级。

(2)工艺路线
齿轮渗碳淬火及回火采用双排连续式渗碳自动生产线,每盘装6件齿轮,其工艺路线为:450~500℃预处理→880~900℃预热(1区)→920~925℃预渗碳(2区)→925~930℃渗碳(3区)→890~910℃扩散(4区)→840~850℃预冷(5区)→870℃保温室压床淬火→60~70℃清洗→180℃×6h回火→喷丸清理→交检。

(3)稀土快速渗碳工艺
原渗碳工艺与稀土快速渗碳工艺参数对比如表1所示。通过表1可以看出,采用稀土渗碳工艺后,推料周期由原工艺38min缩短至30min,每一盘齿轮在炉内加热时间减少6h,提高渗碳速度20%,即提高热处理生产效率20%,同时降低了齿轮变形,减少了表面非马氏体组织。

2.风电增速箱内齿圈稀土快速渗氮催渗工艺
(1)齿圈材料及技术要求
风电增速箱内齿圈,材料为42CrMo钢,要求渗氮层深度≥0.5mm。

(2)稀土快速渗氮催渗机理及优点
稀土元素特有的电子层结构决定了稀土元素在化学热处理过程中有很强的活化催渗作用。稀土元素在室温下就能吸附氢,在250~300℃时容易与氢发生反应,并生成REH2和REH3等类型的化合物。在渗氮气氛中,稀土元素与氢结合,使氢分压下降,有利于氮势的提高,促进渗氮。有学者提出“气团”模型,稀土的渗入加速其他待渗原子的扩散。添加稀土可使气体渗氮速度提高20%~50%,同时节省氨气消耗。

稀土渗氮优点如下:提高渗氮速度,缩短工艺周期,降低能耗;提高表面硬度;改善渗层的组织与渗层耐磨性能和冲击韧性等。

(3)常规渗氮工艺
齿圈渗氮温度为520℃,渗氮时间70h,氨分解率30%~50%。渗氮层深度可达到0.542mm。

(4)稀土渗氮工艺
齿圈稀土渗氮温度为520℃,渗氮时间45h,氨分解率30%~50%,渗氮层深0.547mm。

(5)稀土渗氮节能降耗效果
稀土渗氮后齿圈的表面硬度平均可提高100HV,渗氮时间缩短25h,同常规渗氮工艺相比,渗氮时间可以节省36%,相应降低了电能和渗氮介质的消耗,同时提高生产效率30%以上。
BH催渗技术
西安北恒热处理工程公司发明的BH催渗技术,为国内外首创,是一项在不增加设备投资情况下,通过给热处理气氛中添加BH催渗剂并调整工艺,从而实现快速渗碳或碳氮共渗的新型节能降耗工艺。

BH催渗剂在连续式渗碳炉上对EQ-153螺旋伞齿轮催渗碳的应用表明,渗碳层深度1.7~2.0mm,推料周期由原来的60~65min,缩短到现在的45min,产量提高33%~45%,节能降耗效果显著。

(1)BH催渗剂催渗机理
渗碳是一种化学上最典型的“气固相反应”,即发生在工件(固相)与气氛之间的化学反应。渗碳可分为以下四个主要过程:
①气相中的反应:渗剂充分分解。产生活性碳原子、离子;
②活性碳原子、离子在气相(气氛)中的传递、扩散;
③气固相表面渗碳反应。活性碳原子、离子与工件表面接触,在气固相界面发生反应,碳被工件表面吸收,并产生副产物CO和H2;
④被吸收的碳原子、离子在工件内部扩散,此过程一般很慢。

在实际反应时,第1、2步的速度较快,第3、4步较慢,是影响渗速的瓶颈。要求提高渗速就必须解决第3、4步的问题。

BH催渗剂从以下3个方面影响着渗碳过程:
1)对渗剂分解和碳原子活性的作用。渗剂(甲醇、丙酮、煤油、RX气体或天然气)分解是渗碳的第一步,渗剂的充分分解和断链需要在较高的温度和催化剂下进行。

BH催渗剂中含有一组高效复合分解催化剂,它可以促使渗剂在较低温度(800℃)下分解,并增加碳原子的活性和数量,减少炭黑,提高渗剂产气量。

2)对气固相表面反应的影响。边界气模层学说是近代气固相化学反应速度研究领域的新学说,它同样适用于渗碳这样一个化学热处理;渗碳时气氛中的有效成分与工件表面接触,在气相与固相间会发生以下反应后,碳被工件吸收:

CO+H2—→[C]+H2O↑
CH4—→[C]+2H2↑
2CO—→[C]+CO2↑
碳渗入工件后,反应副产物——残余气体CO2、H2、H2O会在工件表面不断累计,形成一个有效渗碳成分相对较低的中间气膜层,即“边界气膜层”。由于边界气膜层的存在,气氛中的活性成分(CO、CH4等)只有穿过工件气膜层后,才能达到工件表面和工件接触并参与渗碳。边界气膜层的存在阻碍了活性成分与工件的接触,降低了活性成分的实际有效渗碳浓度。

BH催渗剂中有一种可以间歇性产生冲击波、破坏气膜层的物质,它可以增加活性成分与工件表面的接触机会,提高渗碳有效反应几率。

3)对扩散的作用。BH催渗剂中有一种新的化学物质,它可以改变渗剂的分解历程,使渗剂充分分解,并在分解过程中产生部分正四价碳离子。正四价碳离子体积只有碳原子(半径7.7?)的1/135,因而活性高,扩散阻力小,扩散速度快,从而解决了影响渗速关键的问题,且没有反应副产物,不增加边界气膜层。

(2)BH催渗技术优点
与普通渗碳(碳氮共渗)相比:
①在同样温度条件下,可提高渗速20%以上;
②在温度降低40℃以上的条件下保持原工艺渗速不减,可减小产品变形;
③气氛活性高、炭黑少,工艺稳定性好;
④可细化组织,并显著减少晶界氧化和非马氏体组织;
⑤对浅层渗层(≤0.60mm)和中、厚(≥4.0mm)渗层同样有效;
⑥高效节能,无环境污染。

1. BH催渗技术在箱式多用炉上的应用
(1)齿轮材料及技术要求
HT130主、从动锥齿轮,材料为20CrMnTi钢,技术要求:马氏体与残余奥氏体1~5级,碳化物1~5级,渗碳淬火有效硬化层深度1.0~1.3mm,表面与心部硬度分别为58~63HRC和33~45HRC;齿轮变形要求:内孔≤0.08mm,内端面<0.15mm,外端面<0.08mm。

(2)设备与工艺
渗碳热处理设备采用VKES4/3-70/85/130爱协林箱式多用炉。渗剂中加入BH催渗剂,表3为多用炉气体渗碳工艺。
(3)检验结果
加入BH催渗剂后,渗碳淬火有效硬化层深度1.1~1.2mm,碳化物2~3级,马氏体与残余奥氏体2~3级,表面与心部硬度分别为59~63HRC和36~38HRC,以上检验结果均满足产品技术要求。采用BH降温渗碳工艺(渗碳温度由原920℃降至890℃)很好地解决了齿轮直接淬火变形问题。

(4)BH催渗技术使用后的节能降耗效果
采用930℃常温渗碳,在未加入BH催渗剂之前,生产周期为8h/炉(主动齿轮每盘200个,从动齿轮每盘11个),每天24h可生产450套齿轮;在渗碳剂中加入BH催渗剂进行渗碳,生产周期为7h/炉,装炉数量不变,每天可生产515套齿轮,这样每天比原工艺多生产65套齿轮。全年按300天计算可多生产19500套齿轮。

在节电方面,根据GB/T17358《热处理生产电耗定额及计算测定方法》中规定,在多用炉上采用三班制生产渗碳钢齿轮按“渗碳—淬火—回火(渗层≤1.5mm)系数Ni=0.75kW·h/kg”,多生产齿轮19500套,每套齿轮重12kg,共计总重为134000kg,可节电WM× Ni34000 × 0.75=100500kW·h,按电价0.44元/kW·h计,可节约资金4.4万元。

采用BH催渗剂技术后每年要比使用前多消耗2.21万元,年节省资金4.4万元-2.1万元=2.19万元。但每台炉每年多生产19500套齿轮,大大提高了生产效率。

2.TS半轴齿轮快速BH催渗工艺在连续式渗碳炉上的应用
(1)齿轮材料及技术要求
 TS半轴齿轮,材料为20CrMnTi钢,技术要求:渗碳层深度1.0~1.4mm,表面与心部硬度分别为58~64HRC和33~48HRC,花键孔变形量≤0.05mm。

(2)快速BH催渗工艺
每个料盘上180只齿轮。渗碳热处理设备为LSX-15型连续式渗碳自动生产线。原渗碳工艺和快速催渗工艺分别列于表4和表5中。
(4)节能效果
通过表4至表6可以看出,两工艺获得的渗碳层深度基本相同,而采用快速BH催渗工艺后推料周期(生产节拍)从原工艺的36min减至28min,渗碳周期由原工艺的13.2h缩短至10.26h,缩短工艺周期2.94h,提高渗碳速度22%以上,该生产线功率为500kW,每处理32400件齿轮,可节约电能约440kW·h。

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