热处理技术进展(二)

樊东黎(中国热处理行业协会，北京　100101)

摘  要：随着机械产品市场的激烈竞争，热处理生产技术发展神速。美国2020年热处理技术发展路线图的制定和实施更加速了这个进程。作者从工艺、设备、材料、传感器、模型和软件工具等5个方面论述了热处理新技术发展近况，以引起国内热处理工作者的注意，促进我国热处理行业“十一·五”规划的实现，加速我国热处理生产技术的进步。

关键词：热处理；新技术；进展

2　新设备

2.1　低压渗碳双室高压气淬炉

真空加热高压气淬设备的问世是热处理技术一大进步。高压气淬冷却均匀、工件畸变小、2MPa以上的He、H2能达到静止油的冷速(见表2)，工件气冷可省去清洗工序，一方面提高效率、另一方面与环境和谐。早期的真空高压气淬炉和低压渗碳气淬炉都是单室炉，加热和冷却都在同一空间进行，冷速相对低。双室气淬炉的开发对于提高冷速效果明显。生产实践中，冷室淬火(双室炉)比热室淬火(单室炉)有提高冷速40%的数据。图5为Ipsen公司开发的双室高压气淬炉，图6为真空双室炉的冷却室结构。真空双室炉气淬时，可用011～2MPa的N2或He，为提高冷速尚需采用高速喷嘴，使气流速度由通常风扇吹动的10～20m/s，提高到100～150m/s。此时的传热系数可达到1000～3000W/(m2·K)。

图5　Ipsen RVTC双室高压气淬真空热处理炉

2.2　密封渗碳高压气淬炉

除真空加热双室高压气淬炉外，Ipsen公司已开发了在普通气体渗碳密封多用炉上采用高压气淬的TQG系列设备，其结构示意图见图7。

图6　Ipsen真空双室高压气淬炉冷却室结构

图7　IpsenTQG密封渗碳高压气淬炉

2.3　带柔性淬火系统的低压离子渗碳炉

Ipsen公司于1997年生产在法国NitruvidArgenteull公司使用的FRVOQ(PC)2(FV)型三室低压离子渗碳和高压气淬炉，见图8。用这种炉子不仅可以施行低压离子渗碳、气冷、油淬；还可以施行等离子碳氮共渗，低温、高温等离子渗氮，工具钢、马氏体不锈钢的高浓度渗碳(overcarburizing)以及所有在真空条件下于500～1300℃的各种热处理。气淬压力可达016MPa，油槽温度最高90℃，气体温度最高40℃。其特点之一是具有柔性特征，表现在可选择油淬或气冷，在炉内实现两个方向的炉料输送；两个冷却室之一如果无须淬火就可以做为进料室；炉子结构可保证在移动炉料时，加热室仍可保持高温；炉料在炉内按规定程序移动可提高生产效率。

用计算机检测调节系统可保证设备的可靠性。气淬时采取鼓风和喷射混合系统，用压力和质量流控制器(massflowcontroller)进行控制。用一个IpsenPCD传感器适时监督等离子过程，并调节渗碳气体流量。通过16NC6钢3个月生产试验，证明采用工件表面质量流的成功控制，出色地保证了热处理效果的重现性。

图8　FRVOQ(PC)2(FV)型低压离子渗碳炉

2.4　低压渗碳高压气淬链接式生产线

自从真空渗碳解决了炉内沉积炭黑的难题以后，由于气氛消耗少、工件畸变小、渗层无内氧化和对环境友好等优势，低压渗碳高压气淬技术有迅速发展的趋势。过去不少人认为汽车工业渗碳淬火件批量大，低压渗碳设备难以满足如此大的生产要求。当前欧洲热处理设备制造带头企业ALD、ECM、Ipsen等已开发出一系列连续式、半连续式低压渗碳、高压气淬生产线。最有代表性的是类似于普通气体渗碳多用炉生产线的链接式生产线(见图9)。图9所示的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。值得重视的最新改进是在轨道上行走的是用来装卸料、转移炉料并使其保持温度的装置。高压气淬设备固定并列在渗碳炉旁。如此就可以不用移动小车上的大量和笨重的软管和电缆，简化了结构、提高了设备的可靠性。

图9　ALD公司ModulTherm型链接式多室低压渗碳高压气淬生产线外观

2.5　贝氏体等温、马氏体分级淬火生产线

图10所示为Ipsen公司带集成式盐浴等温和分级淬火槽的TQA型渗碳或奥氏体化加热淬火连续生产线。这种主要用于贝氏体等温淬火的炉子，由于贝氏体转变时间比奥氏体化加热时间长得多，故经常在盐浴淬火槽后加一个在空气中继续等温的贝氏体转变炉。例如100Cr6钢(相当于GCr15钢)的贝氏体淬火等温需要延续45min，首先在盐浴中冷到230℃，其余时间在230℃的对流空气炉中完成贝氏体转变。在汽车工业中，奥贝球铁(ADI)应用愈来愈广，其主要的热__处理工艺是等温淬火。由于汽车零件的批量很大，这种设备很适合于奥贝球铁件的热处理。估计有较大的发展前途。

图10　IpsenTQA型盐浴等温、分级淬火生产线

2.6　涌泉式淬火槽

散装料批量生产的铬钢轴承套圈的奥氏体化加热淬火通常都在连续式炉中进行。为减少套圈的淬火畸变，Aichelin公司在1990年把滚棒式炉中的淬火油槽改为可实现油中涌泉式淬火(SpringFloodQuenching)结构(见图11)。加热后的套圈用辊道送到淬火槽上时，槽上盖落下，把工件罩住，靠螺旋浆的强力搅动使淬火油上下往复循环势如泉涌，同时淬火槽辊道上的套圈也作左右往复移动(图12)，如此可获得均匀冷却，把工件的畸变控制到最小的程度。<80～<100mm的SAE52100钢(相当于GGr15钢)轴承环壁厚4mm，淬火畸变能控制在0105～0106mm范围内。

图11　辊底炉涌泉式淬火槽结构示意

图12　涌泉式淬火槽中的工件、辊道和淬火剂的相对运动

2.7　推杆连续式渗碳淬火生产线

Aichelin公司在推杆连续渗碳淬火生产线上采取了一系列革新，提高了渗速，改善了渗层显微组织，加强了密封，节省了气氛，各区相对独立，避免了相互干扰，提高了炉气控制的精确度(见图13)。

图13　双推盘气体渗碳炉生产线

　  (1)预氧化炉　工件和料盘在预氧化炉的空气介质中加热到500～550℃，工件表面预氧化可提高渗层均匀度，减轻渗层组织中的内氧化现象，还可提高渗速。

(2)加热炉的底上料装置　该装置为Aichelin公司的专利技术。进料口设在加热炉一端后部(见图14)，装工件的料盘从侧面推到料台上，其上有柔性加压密封门，料盘就位后底部密封门加压，即完成上料。此结构密封性好，炉气损失小，碳势变化小，不易积炭黑，无需火帘，节约能源，不污染环境。

图14　底部装料装置原理图

 (3)潜泳底出料淬火油槽　油槽完全密封，工件在气氛保护下淬火，油搅拌器使油在导流系统中垂直流动，工件冷却畸变小。工件和料盘冷透后，在油槽下用横推装置潜泳至出料口升降台，上升至出料口，淋油后运至槽外。出口无火帘，气氛不逸出，对环境无污染。

(4)各炉区隔离，气氛相互不干扰　加热、强渗、扩散、淬火各区隔离不连通，可分区单独控制炉气碳势和温度，使控制更加精确，以保证产品质量和质量的分散度。

(5)高温风扇的油自冷循环系统　利用热油、冷油密度的差别和热油上升、冷油下降原理设计了炉内风扇用油自冷的循环系统，该技术为Aichelin公司的专利。

2.8　环形渗碳淬火生产线

为了减少占地面积，提高炉子密封性，延长料盘寿命，Aichelin公司研发了一种环形渗碳淬火生产线(见图15)。生产线由备料台、预氧化炉、底装料设施、环形炉、淬火槽、清洗机、回火炉、配电控制柜等部分组成。环形炉内各区用可升降的门分隔，转动部分用油封，工件和料盘随炉底转动，避免了推盘、炉料盘的相互碰撞和与炉底的摩擦，从而延长其使用寿命。炉区的相互隔离，入炉的底装料，环形炉进出料只用一个炉门，保证了炉子的密封性和碳势控制的精确性。

图15　环形炉渗碳生产线