吳平
(長(zhǎng)沙中傳航空傳動(dòng)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410200)
為了提高航空產(chǎn)品滲碳類零件工藝控制水平,于2010年從法國引進(jìn)了一臺(tái)低壓真空滲碳爐,采用低壓真空脈沖滲碳。由于低壓真空滲碳與我廠以往可控氣氛滲碳相異之處較大,為充分發(fā)揮其優(yōu)越性,必須熟悉低壓真空滲碳工作原理,編制出合理的工藝程序,才能充分展現(xiàn)該設(shè)備的先進(jìn)性。本文對(duì)脈沖滲碳過程進(jìn)行了初步探討,通過多次試驗(yàn),編制多種不同材料、不同技術(shù)要求的滲碳工藝程序。
不管是可控氣氛滲碳還是低壓真空滲碳,不外乎以下三個(gè)階段:(1)滲碳介質(zhì)的分解;(2)碳原子的吸收;(3)碳原子的擴(kuò)散。
(1)原理及過程:低壓真空滲碳熱處理實(shí)際上是在低壓真空狀態(tài)下,通過多個(gè)強(qiáng)滲(通人滲碳介質(zhì))+擴(kuò)散(通入保護(hù)氣體)與一個(gè)集中的擴(kuò)散過程,達(dá)到滿足圖紙要求滲層深度的工藝過程,如圖1所示。其控制方法為“飽和值調(diào)整法”,即在強(qiáng)滲期使奧氏體固溶碳并飽和,在擴(kuò)散期使固溶了的碳向內(nèi)部擴(kuò)散達(dá)到目標(biāo)要求值,通過調(diào)整滲碳、擴(kuò)散時(shí)間比,達(dá)到控制表面碳濃度和滲層深度的目的。
T1:第一步乙炔時(shí)間(零件表面碳濃度達(dá)到1.18所需要的時(shí)間)。
T2:第一步擴(kuò)散時(shí)間(零件表面碳濃度達(dá)擴(kuò)散至0.95所需要的時(shí)間)。
圖1 滲碳、擴(kuò)散脈沖過程
T3:終擴(kuò)散時(shí)間(零件表面碳濃度擴(kuò)散至0.85所需要的時(shí)間)。
(2)滲碳介質(zhì):目前,國內(nèi)外低壓真空滲碳熱處理中主要采用的滲碳介質(zhì)為C3H8(丙烷)和C2H2(乙炔),我們的滲碳介質(zhì)采用的是C2H2(乙炔)。從分子式可以看出,兩者的當(dāng)量碳含量分別為:81.8%、92.3%,理論上乙炔可以提供的當(dāng)量活性碳原子較多。
C2H2高溫裂解反應(yīng):C2H2→2C+H2
采用乙炔可以明顯改善零件不同位置處的滲層深度均勻性和對(duì)盲孔進(jìn)行滲碳。
飽和含碳量:理論上在900℃零件表面飽和含碳量可以達(dá)到1.15%,即在強(qiáng)滲期使奧氏體固溶并飽和,但由于材料本身合金元素的影響,表面飽和含碳量數(shù)值有所偏差,需通過實(shí)驗(yàn)摸索驗(yàn)證,超過這個(gè)數(shù)值就會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀或角條狀碳化物,導(dǎo)致組織不合格(如圖2、3)。
圖2
圖3
零件進(jìn)爐前應(yīng)檢查各氣氛、循環(huán)水壓力值,確保在滲碳過程中流量充足,不會(huì)出現(xiàn)故障;零件滲碳(通入乙炔)前必須確保已經(jīng)升至滲碳溫度,并且零件各部位已經(jīng)均溫,所以程序中必須要求有均溫時(shí)間設(shè)定,以減小零件各部位滲層深度的差異;觀察滲碳過程中各氣氛通入時(shí)流量是否穩(wěn)定,注意設(shè)備的各項(xiàng)報(bào)警信息。
由于低壓真空滲碳爐無爐前試料口,無法用爐前試料判斷出爐時(shí)間,只能按已編程序運(yùn)行,且各氣氛的時(shí)間都非常精確,工藝程序的正確性直接影響工件滲碳結(jié)果。
(1)技術(shù)要求。該零件齒部與內(nèi)孔滲碳深度要求不一樣,齒部滲碳深度要求1.0~1.2mm,內(nèi)孔滲碳深度要求0.62~0.77mm。為保證該零件滲碳要求,必須進(jìn)行2次滲碳。內(nèi)孔滲碳深度在第二次滲碳時(shí)形成,齒部滲碳深度經(jīng)過2次滲碳后形成。
第一次滲碳 (齒部 ):滲碳深度 0.85 ~ 1.0mm、表面硬度HRC≥58、金相合格;第二次滲碳(齒部、 內(nèi) 孔 ): 滲 碳 深 度 0.62 ~ 0.77mm、 表 面 硬 度HRC≥55、金相合格;Ⅰ+Ⅱ次(齒部):滲碳深度1.0~1.2mm、表面硬度HRC≥58、金相合格。
(2)工藝試驗(yàn)程序及理化測(cè)試結(jié)果:①工藝試驗(yàn)程序。
第1爐(如圖4、圖5、表1)。
圖4 一次滲碳模擬參數(shù)
圖5 二次滲碳模擬參數(shù)
表1 第一爐理化測(cè)試結(jié)果
第2爐(如圖6、圖7、表2)。
圖6 一次滲碳模擬參數(shù)
圖7 二次滲碳模擬參數(shù)
表2 第二爐理化測(cè)試結(jié)果
②試驗(yàn)結(jié)果分析。結(jié)合兩爐試驗(yàn)結(jié)果看,第1爐工藝程序參數(shù)不合理,主要是一次滲碳飽和含碳量和最終含碳量設(shè)置偏高;第2爐試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求值,主要是將一次滲碳的飽和含碳量和最終含碳量調(diào)低,確保與第二次滲碳濃度疊加不至于產(chǎn)生碳化物,所以,第二爐工藝試驗(yàn)參數(shù)能滿足該零件齒部及內(nèi)孔不同深度滲碳技術(shù)要求,效果理想。
優(yōu)勢(shì):滲碳速度比氣氛爐要快,齒輪齒面與齒根的滲碳深度差異小,濃度梯度較平緩。
不足:對(duì)鍍銅質(zhì)量要求比氣氛爐更高,有些零件內(nèi)孔銅層質(zhì)量很難保證,則不能在真空爐滲碳,且零件局部銅層質(zhì)量不好的不能涂防滲碳膏。
學(xué)習(xí)并運(yùn)用了低壓真空脈沖滲碳滲碳機(jī)理,為更好地使用該設(shè)備提供理論依據(jù);通過多次試驗(yàn),確定了幾種典型零件滲碳工藝程序,涵蓋了多種材料,為其他零件真空滲碳提供了參考依據(jù),為軍品研制及批生產(chǎn)做好了技術(shù)準(zhǔn)備,概括了低壓真空滲碳的優(yōu)勢(shì)與不足,證實(shí)了低壓真空滲碳是沒有溶解氧的。