【doc】氮甲醇和直生式渗碳气氛的应用比较

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1、氮-甲醇和直生式渗碳气氛的应用比较?32?綦齿传动2004年第2期氮一甲醇和直生式渗碳气氛的应用比较蔡长江摘要:本文就氮一甲醇和直生式渗碳气氛在实际生产中的应用情况进行了分析,比较,结果证实:直生式渗碳气氛渗碳速度更快,原料气消耗更少,运行成本更低.关键词:氮一甲醇气氛直生式气氛应用比较1前言氮基气氛渗碳是以氮气为载体添加富化气的一种渗碳方法,其最典型的气氛是氮一甲醇+富化气;直生式渗碳是将燃料气与空气或c02气体直接通人炉内形成渗碳气氛的一种渗碳工艺1.与传统的吸热式渗碳气氛相比,氮一甲醇渗碳气氛不需要气体发生装置而能获得成分类似于吸热式渗碳气氛的气体;直生式渗碳气氛除不需要气体发生装置外,

2、更有碳势调整快,原料气消耗少,设备一次性投资少,对设备密封性要求不高的特点,因而这两种渗碳气氛越来越受到人们的重视,应用范围越来越广.近几年来我公司先后购进北京爱协林公司和上海易普森公司的箱式多用炉生产线各一条,且分别采用了氮气一甲醇+丙酮氮基渗碳气氛和丙酮十空气直生式渗碳气氛.这两套设备投入生产以来,从所处理品的检测结果来看,两种渗碳气氛均能满足产品的热处理技术条件,产品质量亦较稳定.但从气氛的控制方法,渗碳速度,使用渗剂的种类及运行成本等方面来看则又有所不同.本文对这两种气氛的应用情况进行了简要的分析和比较.2设备的主要技术参数表1列出了本文所述的两种设备的主要技术参数.表1爱协林,易普森

3、箱式多用炉主要技术参数表1项目箱式炉最大装炉内有最高额定加形式炉理量效尺寸使用热功率型号/kg,I温度,kW爱协林9o0l500多用炉RTQPF型l20095Ol16600910l220易普森TQ型l200l000140多用炉(贯通式)7603气氛的制备方法和控制原理3.1氮一甲醇气氛的制备方法和控制原理氮一甲醇气氛是将氮气和甲醇按一定比例(40%+60%甲醇)直接通人高温的炉内,甲醇在炉内裂解为33%CO和67%H2,并与氮气充分混合,形成类似于吸热式气氛的组分,再加入丙酮作富化气,形成平衡的渗碳气氛.其碳势控制原理如图1所示:图1氮一甲醇+丙酮气氛控制原理图氮气和甲醇流量为常量,在流量稳定

4、,甲醇质量(特别是含水量)可靠的情况下,气氛中CO含量在一个很小的范围(一般18%一22%)内波动,这种情况下可以将其看作常量,输入一个基础值20%,即可通过氧探头实现单参2004年第2期綦齿传动?33?数的较精确的碳势计算,并通过调节丙酮和空气的通断时间来调节炉内碳势,实现对炉气碳势的自动控制.3.2直生式气氛的制备方法和控制原理直生式渗碳气氛是将一定量的丙酮经蒸发器汽化后与空气混合并直接通人炉内,在工作温度下丙酮和空气在炉内发生燃烧,分解,化合等反应,从而形成非平衡的渗碳气氛.碳势控制原理如图2所示:藿塑r一一再当l一一圃国冒!l尸彳图2直生式气氛控制原理图该种气氛在温度,碳势,原料气成份

5、及流量发生变化时,气氛中的CO含量亦将发生变化,因此在控制精度要求较高时,必须采用双参数计算碳势,除通过氧探头测量氧电势外,还要用CO红外分析仪动态测量气氛中CO的含量,并将CO测量结果和氧探头测量的氧电势结合炉内温度一起传送给计算机进行碳势的实时计算.在对炉内气氛碳势的调整方面与氮一甲醇气氛有很大的区别,直生式气氛中丙酮流量为固定值,通过连续调节通人炉内的空气量来调整炉内气氛,实现碳势的自动控制.4气氛的成份和炉膛内碳黑的形成通过炉前取气,奥氏分析仪分析,氮一甲醇气氛的成份类似于吸热式气氛,见表2.而直生式气氛的成份与氮一甲醇气氛相比而言,最大差别在于CO含量不稳定,残余CH4含量相对较高,

6、见表3,CO含量随温度和碳势的升高而升高,并在18%一33%范围内变化,剩余CH4含量高达3%一6%.表2氮一甲醇气氛的成份(温度T:9C,碳势Cp1.04%C)C02%l02%C0%CH4%H1%N2%l0.110.420.7O.6342.O36.1lI表3直生式气氛的成份(温度T:920C,碳势1.06%C)C02%02%C0%CH4%H,%【o.1O.429.33.934.431.8在实际的热处理渗碳过程中发现,直生式气氛在炉内产生碳黑的倾向要大于氮一甲醇气氛,主要表现在渗碳过程中直生式气氛炉内碳势比氮一甲醇气氛炉内碳势波动幅度要大,也比较频繁,通过烧除碳黑后,碳势趋于稳定.直生式气氛容

7、易形成碳黑的原因可能是直生式气氛碳活性高和气氛中存在较多的残余CL所致.受碳黑的影响,氧探头的清洗周期直生式气氛一般为12小时,而氮一甲醇气氛氧探头韵清洗周期可设置得长些,一般以生产一炉产品的周期自动清洗一次.5渗碳工艺氮一甲醇气氛和直生式气氛的渗碳工艺曲线如图3所示:缱l:一甲mttK3Z艺童宣()一/曲螂/920衢0蔚履开厦釜渗扩技障薯均lit一ttk蜘一身f童zth.0l_0nO.舶n图3氮一甲醇气氛和直生式气氛的工艺曲线由于两种渗碳气氛的碳势控制原理和气氛的成分组成等差异,其工艺参数的具体设定也有所不同.而且如果炉内较长时间周期碳势太低,则可能使炉子冷的部位接触这些气体而出现水露,影响

8、炉子的操作安全.因此氮一甲醇气氛渗碳工艺的开始温度和碳势设定为920和0.85%C,而对于直生式气氛,产品人炉后炉膛温度相对较低,此时设定较高碳势,通人大剂量的丙酮容易产生碳黑,所以升温阶段的第一段温度和碳势设定为880和0.40%C,当温度升到880后,通过工艺丙酮追加阀,注入一个较大的丙酮通人量,以便在尽可能短的时间内使炉内碳势升到强渗碳势?34?綦齿传动设定值,这样就不会因碳势滞后造成升温阶段时间过长而影响后面的渗碳过程.最大允许碳势受燃烧产物形成碳黑的倾向影响,炉室与工件本身也有影响,如炉气循环不良或工件有油膜,也影响到是否把碳势设定得低些.表4为氮一甲醇和直生式渗碳气氛在不同温度下的

9、最大碳势设定点对比,可见直生式气氛在同一温度下的碳势设定点比氮一甲醇气氛要略低一些.表4氮一甲醇和直生式渗碳气氛最大允许碳势设定点1,气氛类型温摩f氮一甲醇气氛直生式气氛8oo0.85%C0.82%C8200.91%C0.88%C8400.97%C0.94%C8601.03%C1.oo%C8801.o9%C1.O6%C9oo1.15%C1.12%C9201.21%C1.18%C9401.27%C1.24%C9501.30%C1.27%C6渗碳速度渗碳层深度6可按Harris经验公式近似计算:6:kt式中:6一渗碳层深度mm;t一渗碳工艺时间(包括渗碳和扩散),h;k一渗碳速度因子.上式表明,渗

10、碳速度因子k值越大,渗碳速度越快.由于渗碳气氛的组分不同,它们的碳传递系数8值亦不同,见表5,从而得到不同的k值.为考察氮一甲醇气氛和直生式气氛渗碳方法的渗碳速度,采用20CrMnTi钢试样,渗碳工艺见图3,920t2强渗4小时,扩散3小时,在金相显微镜下测出渗碳层深度,然后计算出k值,见表6和表7所测定的结果,经过实际生产验证是准确的.表5两种气氛的碳传递系数(渗碳温度:950C,碳势Cp1.15%C)2O04年第2期渗碳气氛类型甲醇+4.%辜妻i310一,cm.S一1.62;1.67表620CrMnTi钢氮一甲醇气氛渗碳工艺的k值试棒编号NO.1NO.2NO.3NO.4渗碳层深1.151.

11、101.181.10K值0.430.4l0.440.4l表720CrMnTi钢直生式气氛渗碳工艺的k值试棒编号NO.5NO.6NO.7NO.8渗碳层深1.251.301.281.32K值0.470.490.480.50从表6和表7中不难看出,直渗式气氛的渗碳速度比氮一甲醇气氛的渗碳速度快,大约快20%.7.实际的生产效果比较7.1渗碳层均匀性采用20CrlvlnTi钢制零件所切割的试样,与零件一起进行渗碳淬火处理,采用9点检测法(试样编号19),在显微硬度计上测定节圆硬化层深度.其结果列于表8.表829CrMnq钢试样9点测定的硬化层深度I610/mm试样编号l2345氮一甲醇气氛1.10.9

12、50.921.050.97直生式气氛1.051.11.151.01.05最大试样编号6789偏差氮一甲醇气氛1.10.950.980.980.18直生式气氛1.O51.O1.051.00.15从表8中可见,两种气氛渗碳淬火后的硬化层深度最大偏差相差不大,分别为0.18ram和0.15ram,均符合设备的技术条件.由于所述的两种渗碳炉均具有合理的结构和强力的循环装置,使炉膛内具有良好的温度均匀性和气氛均匀性,从而获得较为均匀的渗碳层.7.2硬度均匀性在生产条件下,采用20CrMnTi钢制零件满载时在有效工作区的8个顶点和1个中心2004年第2期綦齿传动点放置9件同样的零件.渗碳淬火后,在洛氏硬度

13、机上测定表面硬度,同一件零件测三次,取其平均值.其结果列于表9.表920CrMnTi钢制零件9点测定的表面硬度/HRC编号l2345氮一甲醇气氛6l60.559.76060.1直生式气氛6059.561.56060.5最大编号6789偏差氮一甲醇气氛605961.6592.6直生式气氛60.560.56060.51.5从表9中可见,两种气氛的表面硬度值都在零件的技术要求(5963HRC)范围内,最大偏差也满足设备的技术条件.但两者相比,直生式气氛渗碳的同炉产品,其硬度的最大偏差仅1.5HRC,比氮一甲醇渗碳气氛更均匀.7.3碳浓度梯度分布曲线用20CrMnTi钢制的剥层试棒,分别在氮一甲醇气氛

14、和直生式气氛中按图3工艺曲线渗碳后,剥层分析渗层含碳量,其碳浓度分布曲线见图4.0.050.1n20.30.Sn7n91.11.园图420CrMnTi钢碳浓度分布浓度分布曲线碳浓度梯度受到渗碳温度和时间,工艺的类型(渗碳和时间的各种组合),炉气氛的碳势和钢的原始成分的影响.从图4中可见,两种气氛渗碳的碳浓度梯度均较平缓,随着层深的增加,含碳量缓慢降低,这说明工艺参数是合理的.7.4硬度梯度曲线20CrMnTi钢制零件随炉渗碳淬火后,在显微硬度机上测其齿部节圆处的硬度梯度,其结果示于图5.?35?一一一一一一一一一OIn2O3n06O.7O#D9IIt1.2l3ll5裹面距,-图520CrUnT

15、i钢硬度分布曲线从图5可见,硬度在表面有一低头现象,这是由于表面碳浓度较高,淬火后最表层有较多的残余奥氏体,使硬度降低,在次表层硬度达到最大值,由次表层往里,硬度缓慢降低,从而使零件具有良好的机械性能.8两种气氛的经济性比较由于我公司使用的爱协林和易普森箱式多用炉均系近期购置的设备,其最大装炉量均为1200kg,其耗电量,设备折旧费等基本相同,不同之处在于采用的渗碳气氛不一样,从而带来不同的生产运行成本.本文的经济性比较,主要是指对渗碳气氛原料气耗费的比较,按单台多用炉核算的渗剂耗量及折合费用列于表l0.设备的年时基数按7200小时计算.原料气的现行购价为氮气:1.0元/,甲醇:2.2元/kg

16、,丙酮:6.1元/kg.表10单台多用炉原料气耗量及成本比较.氮气一甲醇一丙酮一空气丙酮气氛直生式气氛工艺氮气3.51/h.不需要3.5元,h3h.甲醇不需要约6.6元,h平均1.OL/h,1.1h.丙酮约6.1元,h约6.71元,h年耗气总成本l16640兀48312兀由表l0数据可见,直生式气氛比氮一甲醇气氛更为经济,其运行成本约4.8万元,相当于氮一甲醇气氛的1/3.节约6.8万元:且不需要制氮机和甲醇储罐及输送计量系统等辅助设施,还可降低设备购置费用.(下转52页)?52?綦齿传动2004年第2期用大功率低速增压柴油机的重型商用汽车,在加速或减速行驶中,正确掌握和使用越档这一特殊换档方

17、法,越过过渡档位,将使换档操作更简便,安全,经济.对于越档换档这一特殊换档方法,人们不禁会问:这样越过1个或几个档位换档可行吗?不危险吗?不加剧同步环的磨损,影响使用寿命吗?Zr的答复是:可行的,安全的,也不会影响同步环等零部件的使用寿命.同步器的负荷与传递的转矩,换档力,换档时间,档间转速差等因素有关.在一定的行驶工况下,掌握恰当的时机,越过一个甚至几个档位换档同步器超负荷工作是完全可以的.因此,知道在什么样的行驶条件下,什么样的转速,什么样的换档力方可以进行经济换档(越档)是很重要的.在欧洲,经常采用这样换档方法的三星级驾驶员,跟着感觉走,从未发生过超负荷损坏零部件的事故.zF有一项工作就

18、是:向使用zF同步器型变速器的商用汽车驾驶员提供一份详细的培训手册,指导他们如何学习,掌握具有新特点的换档方法.早在1980年,我们就获得非常乐观地最终使用调查结果:即或是一般的驾驶员,采用这种越档换档方法也未曾发生同步器的损坏.总之,对于同步器型变速器,由于不需要两脚离合器法换档和可采用越档换档这种换档方法,可使您的驾驶简便,安全,节油,经济.译自(.AIHNs|:HAI爪NGODERSYNCHRON玛珏RUNGFaRDERSCI-IWERENIXW1983.8ZAHNRADFABRIKFRIEDRICHSHAFENAG)喻克勤译綦力校编(上接35页)9结论9.1氮甲醇气氛用反应灵敏的氧探头即可较精确的控制炉内碳势,直生式气氛需采用氧势和CO双参数控制碳势.9.2直生式气氛产生碳黑的倾向要大于氮一甲醇气氛,宜设定碳势最高值,以防止产生碳黑.9.3直渗式气氛的渗碳速度比氮一甲醇气氛的渗碳速度约快20%.9.4氮一甲醇气氛和直渗式气氛渗碳均能使零件获得良好的渗碳层和机械性能.9.5直渗式气氛比氮一甲醇气氛的原料气耗量要少得多,单台多用炉的年运行成本可节约6.8万元,辅助设施的投资也相应减少.参考文献:1热处理手册第一卷,机械工业出版杜2易普森TQ.DoERM多用炉操作维修手册易普森工业炉(上海)有限公司