40Cr钢齿轮低真空变压氮碳共渗

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1、2008 年金属热处理8 期40Cr 钢齿轮低真空变压氮碳共渗陈希原 (重庆海森机电设备开发公司,重庆 400039)摘 要:本文介绍了用于 40Cr 钢摩托车主驱动齿轮气体氮碳共渗的 WLV-型低真空变压表面处理多用炉的工作原理、结构、工艺特点和生产过程及效果,并讨论了提高产品质量和优化生产过程的措施。实际生产使用表明:与常规炉相比,低真空变压热处理工艺装备及技术具有显著的节能、减排、快速、高质量、低成本的特点,是“老三炉”更新换代的理想产品。关键词:齿轮;低真空变压;氮碳共渗;节能 /减排Low Vacuum Varying Pressure Gas Nitrocarburizing of

2、 40Cr Steel GearCHEN Xi-yuan (Chongqing H-senic Machinery & Electrical Equipment Co., Ltd., Chongqing 400039, China)Abstract: This context introduces the working principle, structure, technology characteristics, production process and production effect of WLV-I Type Low Vacuum Varying Pressure Surfa

3、ce Treatment multi-purpose Furnace, which is used in gas nitrocarburizing Process of 40Cr steel motorbikes main drive gear, then the text discuss the measures for enhancing the product quality and optimizing the production process. The practice shows that comparing with the common furnace, low vacuu

4、m varying pressure treatment equipment and technology has outstanding characteristics of saving energy, higher quality, faster speed and lower cost. It is an ideal product replacing old kinds of furnaces including box type furnace, pit type furnace and salt bath furnace.Key words:Gear; Low vacuum va

5、rying pressure ;Gas nitrocarburizing ;Energy-saving气体氮碳共渗(简称软氮化)是一种常用的表面化学热处理工艺,它能大幅度地提高机械产品零件的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗咬合性和疲劳强度等性能。因此,为了提高使用性能,某厂对出口国外的40Cr 钢摩托车主驱动齿轮按“下料锻造正火粗车调质(2428HRC)精车滚齿剃齿”等工序机械加工后,为了达到“节能、减排”和高质量的要求,经市场调研采用佛山市扬戈炉业有限公司 98 年研发并荣获国家发明专利(发明专利号:ZL98104685)的 WLVI 型低真空变压表面处理多用炉进行气体氮碳共渗热处理,取得了非

6、常好的效果。1 低真空变压表面处理多用炉的工作原理和结构特点1.1 工作原理低真空变压热处理炉的特点是不漏气,其工作原理是在低真空范围,炉气随炉内压力的变化而自行流动,从而达到完成多种表面化学热处理和少无氧化加热的目的 1,2 。在工艺的排气阶段,先采用通水的真空泵快速排气到设定好的低真空范围内的下限真空度(负压),而后靠中性气体自身的压力使炉压升到常压,继而升高到设定好的正压,接着又迅速把炉膛抽到设定的上限真空度(负压),再用中性气体增压到设定的正压,再迅速抽到负压,如此凭借真空泵和高压中性气体之助自行进行大范围变压,可迅速排除工件周围的空气,而使其处于无氧环境。在作化学热处理(渗氮、氮碳共

7、渗、氧氮共渗、两类元素的多元共渗、低温奥氏体碳氮共渗、薄壁件浅层强化及使用蒸馏水的蒸汽氧化处理等)时,待炉子抽成低真空和炉膛达到一定温度后,通过流量计、电磁阀和时间继电器向炉膛(或炉罐)定量、定向、定时地通入渗剂(如 NH3、CO 2或 C2H5OH 等)。作者简介:陈希原(1957.5),男, 浙江温岭人,高级工程师,主要从事低真空变压热处理、热处理淬火介质、激光表面强化和锻造余热淬火等方面的热处理工艺技术服务与咨询,已发表论文 32 篇。 联系电话:13618353405 E-mail:chxy-2008 年金属热处理8 期渗剂进入炉内后,特殊结构的通道使液体先变成气体,气体变成过热气体,

8、而后凭借负压之吸力及气体正压的推力,使过热气体高速进入炉膛并自行扩散至罐内各处,即使工作上的小孔、盲孔孔壁及压紧面上渗剂原子均可到达;当炉气即将老化时,自控系统又迅速排除罐内老化气氛,炉压自行降至设定的低真空上限,新鲜气氛在负压下自动入罐并扩散到罐内各处,重新开始新的炉气吐故纳新过程,如此“抽气充气保压抽气”过程自行循环完成。1.2 结构特点WLV型低真空变压表面处理多用炉的组成结构如图 1 所示。Fig. 1 Structure scheme of WLV-I type low vacuum varying pressure surface treatment multi-purpose f

9、urnace与常规气体渗氮炉相比,该炉增加了以下几个装置:1) 抽气、供气系统:主要由水环真空泵或真空泵、真空压力表、电磁阀、流量计、时间继电器、高压气瓶、减压器、循环水箱等组成;2) 炉盖用橡胶条密封,用水冷套冷却橡胶;3) 炉气冷却器:保证阀和管的安全;4) 水箱:未分解氨溶于水,水箱中的硫酸亚铁自行消除炉气中出现的CN根,使设备成为环保设备;5) 鼓风机:可缩短渗氮保温结束至出炉的炉内冷却时间,提高生产率;6) 鼓风热量排口:炉口侧面 23 个,快速降温鼓风时拉出打开,平时关闭。另外,特殊的炉罐内测温装置和供气通道也是该炉的一大特色。2 主驱动齿轮氮碳共渗工艺及效果2.1 技术要求工件经

10、气体氮碳共渗后,检测产品应达到表 1 要求。表 1 主驱动齿轮氮碳共渗技术要求Table 1 Technical specification of main drive gears nitrocarburizing变形检查项目 白亮层/m表层硬度/HV0.3表面疏松(级) 表面颜色 公法线/m齿形齿向/m指标 10 450 2 银白 30 32.2 渗氮设备规格参数选用 WLV45I 低真空变压渗氮炉,其主要技术参数见表 2。1、 氨 瓶 2、 减 压 阀 3、 水 环 真 空 泵 4、 炉 温 控 制 柜5、 真 空 操 纵 柜 6、 废 气 处 理 水 箱 7、 炉 气 冷 却 器8、 滴

11、 注 器 9、 炉 盖 密 封 水 套 10、 炉 盖 升 降 按 扭、 炉 体 、 鼓 风 机图 1 WLVI 型低真空变压表面处理多用炉组成结构示意图2008 年金属热处理8 期表 2 WLV45I 渗氮炉主要技术参数Table 2 Main technical parameter of WLV-45I nitriding furnace名称 额定功率/kW额定温度/工作区尺寸/mm炉温均匀性/极限真空/MPa最大装炉量/kg技术参数 45 650 5501000 3 -0.08 4002.3 氮碳共渗的渗剂和供气、抽气方式经过多次试验和不同批次的试生产验证,确定采用 NH3+CO2的气体

12、氮碳共渗气氛,即以 NH3为主作为供应N的气体、以少量的 CO2为辅作为供应C的气体。该炉服役时,NH 3、CO 2两种气体是分别按设置的流程以一定的方式断续供气和抽气,全部操作自动循环完成。2.4 氮碳共渗工艺主驱动齿轮按“清洗烘干装炉预氧化排气氮碳共渗鼓风降温换气出炉”的工艺流程进行批量生产,其优化出的工艺参数见表 3,工艺曲线见图 2 所示。表 3 主驱动齿轮氮碳共渗工艺参数Table 3 Technical parameter of main drive gears nitrocarburizing process工序 预氧化 氮碳共渗 降温(满载)渗剂流量/Lh-1真空压力/MPa工

13、艺名 称温度/时间/h温度/时间/h NH3 CO2上压 下压上压保持时间/s每周期供气时间/min温度/时间/h炉压/MPaNH3流量/ Lh-1参数 350 1.0 57010 5.0 1.80 0.50 +0.02 -0.07 30 2.53.0 150 3.0 +0.01 0.30Fig. 2 Gas nitrocarburizing process curve of main drive gear for 40Cr steel时间/s温度/图 2 主驱动齿轮氮碳共渗工艺曲线3505701015012NH31.800.5 5.0 3空冷鼓风3.0时间/hCO2 0.50+0.02-0.

14、08N 次,每次周期300sNH30.30Lh -1 炉压/MPa2008 年金属热处理8 期2.5 氮碳共渗质量检验结果抽取产品制样,采用 MM6 金相显微镜测定氮碳共渗层深度和检验表面疏松,采用 Hx-1000 型显微硬度计测定表面硬度,采用齿轮专用量具检查变形,其主驱动齿轮氮碳共渗批量生产后的检查结果如表 4 所示,渗层金相组织见图 3,满足表 1 技术要求。表 4 各批主驱动齿轮氮碳共渗检验结果Table 4 Nitrocarburizing testing results of main drive gears in each group变形检查项目白亮层/m表层硬度/HV0.3表面

15、疏松 (级)表面颜色 公法线/m齿形齿向/m实测值 1520 550600 1 银白色 25 3采用不腐蚀的方法检查表面疏松 3图 3 40Cr 钢齿轮低真空变压氮碳共渗层金相照片 150Fig.3 Microstructure of nitrocarburizing layer for 40Cr steel gear after low vacuum varying pressure 1503 低真空变压化学热处理的主要特点1) 提高渗层质量在加热下的低真空变压式的抽气和供气可迅速排出工件各处的老化气氛,随之代以新鲜炉气,易使工件各表面能与新鲜气氛接触,与常规炉相比,可获得更致密均匀的渗层,

16、进一步减少脆性、疏松并防止内氧化;2) 提高渗速、缩短生产周期、显著提高质量在加热下的变压抽气不但对钢件表面有脱气和净化作用,提高了工件表面活性和对所渗元素的吸附能力,而且在炉内低真空状态下,气体分子的平均自由程增加,扩散速度加快,一般提高渗速 15%以上。如40Cr 钢件在 5804h 低真空变压氮碳共渗,其白亮层0.012mm 、( 常规氮碳共渗则需用 8h);38CrMoAl钢件在 54010h 低真空变压渗氮,其渗层 0.3mm(相当于常规氮化 40h 的效果 4)。配置的抽真空装置,可迅速抽出炉内的空气及老化气氛,换气时间比常规缩短 60%以上。该设备在炉底侧装有大风量的鼓风机,渗氮结束后可立即实现罐内强制快冷,即炉罐外用风机吹强风加速罐内工件

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