液体稀土催渗剂在密封箱式多用炉中的应用

T透的水滴

近几年来国家对企业“节能降排”工作十分重视，热处理行业作为机械行业的重要分支，是机械制造业的耗能大户，如何降低能源消耗，提高产品质量，降低生产成本是各热处理企业面临的共性问题。解决化学热处理降耗问题除了采用新型节能设备，在热处理设备改造上下工夫之外，最简捷的办法就是采用催渗技术。目前国内市场上应用较多的渗碳催渗材料主要有两种：BH催渗剂，YF系列稀土催渗剂。
稀土—碳共渗技术自上世纪八十年代初由哈尔滨工业大学的专家教授首先提出[1]以后，经过二十余年的不断发展[2]，近几年来稀土在化学热处理中的应用发展较快，产品种类也比较多，尤其是哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司依托哈尔滨工业大学“稀土在化学热处理中的应用技术和基础理论”开发了几种稀土催渗剂，针对不同的渗碳介质和炉型进行稀土—碳共渗，在一些企业得到应用，并取得一些效果。
目前伴随着热处理工装设备的发展，密封箱式多用炉在热处理企业应用日益广泛，而稀土在密封箱式多用炉上的应用在前几年并没有应用先例，近两三年由哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司开发的产品在密封箱式多用炉中的应用多采用“缓释型固体稀土催渗剂”，并有所报道[3]。而采用可溶解在渗碳介质中
1.1设备：南京产（瑞特）箱式密封多用炉RM3—75—90；额定装炉量：420KG。
1.2渗碳介质：甲醇+煤油
1.3催渗剂：YF---III型复合稀土催渗剂；哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司生产。
2工艺条件
2.1被加工工件：工程机械齿轮，材质：20CrMnTi
2.2质量要求：层深：1.50—1.80mm，K＜5级，M、A′＜4级。
2.3工艺：见图1

920℃    装炉          强渗           扩散 降温
820℃                          850℃
                        Cp1=1.30%                                 850℃淬火
800℃                     Cp2=1.0%
Cp2=0.9%

                     4     3       0.6—0.7       h                                                                                    
图1生产试验工艺
3试验情况
3.1原工艺情况：原工艺采用920℃渗碳，强渗碳势CP=1.0%总占炉时间15小时以上，组织合格率90%。
3.2试验情况：本试验经过120余炉次试验，目前已经进入正规生产，产品合格率达到100%，在10小时总占炉时间内渗层可稳定达到1.8mm。
组织情况：组织可控在：K=1--2级，M、A′=3--4级范围之内。
表面硬度由原来的HRC58—60达到HRC60以上。
金相组织可见图2

[ 本帖最后由 gl9855 于 2009-4-20 08:11 编辑 ]

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a   
a）齿尖部位碳化物                    b）齿尖部位碳化物
   
c）节圆部位碳化物                d）齿顶部位碳化物


渗层情况可见图3

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图3渗层层深及过共析区、共析区和过度区分布（×50）
分布基本呈1/3分布
3.3硬度分布及层深测定

图4硬度分布曲线
从图4上可见，按照通常的以HV550为有效渗层计算，该工件渗碳层为1.80mm。
3.4对非马氏体组织的分析
加入稀土后产品的非马氏体组织也得到明显的改善，可见图5：
   
图5：节圆处非马氏体组织情况（黑网深度为27.5μm）
     采用稀土渗碳工艺后基本消除了非马氏体“黑层”现象，仅有少量非马氏体“黑网”存在，表面硬度也得到明显提高。
3.4试验中所遇到的问题及解决方法
我们在开始试验时直接将稀土催渗剂与甲醇混合后，按原设备情况使甲醇与煤油共同滴入炉内，虽然取得了效果，但在三天左右时间发生滴料管堵塞故障。
我们分析造成堵塞主要原因是由于煤油与含稀土的甲醇在滴注管相遇时，在一定温度下，在含氧气氛下由于稀土作用可以使煤油产生较为复杂的裂解、加成反应，可产生部分焦油类物质，如果发生沿壁或由于采用氮气压入喷溅在管壁上，在一定的时间内可造成堵塞故障。
如果将甲醇与煤油分别滴入，应该避免故障发生。我们将炉体上的试样孔改装一个甲醇滴料管，重新试验，结果再没有发生堵塞故障，设备运行状态良好，试验取得成功。
4结果与讨论
4.1催渗效果
试验证明稀土催渗剂有着明显的催渗效果，使用稀土催渗剂后，我们在加工渗层要求为1.5—1.8mm的工程机械齿轮时，总占炉时间由原来的15h以上缩短到现在的10h，节省时间30%以上。
4.2使用稀土催渗剂需要使用较高碳势
本试验采用CP=1.30%的碳势，并且在强渗段采用了变碳势渗碳。在稀土渗碳工艺中有效的提高碳势才能充分发挥稀土催渗作用[4]。众所周知高碳势可以使得渗碳速度提高，但也伴随组织质量难以保证的问题，而稀土渗碳由于稀土参与渗碳过程并可渗入工件表层[5]，在最容易使碳化物堆积的渗碳层中形成第二相沉积核心，使渗入的碳化物不形成堆积，而形成颗粒状细小弥散分布，避免了组织状况恶化，并且提高了渗碳速度。不采用稀土催渗剂，要想通过提高渗碳碳势的办法来提高渗碳速度，要保证质量则很难达到而且风险很

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图3渗层层深及过共析区、共析区和过度区分布（×50）
分布基本呈1/3分布
3.3硬度分布及层深测定

图4硬度分布曲线
从图4上可见，按照通常的以HV550为有效渗层计算，该工件渗碳层为1.80mm。
3.4对非马氏体组织的分析
加入稀土后产品的非马氏体组织也得到明显的改善，可见图5：
   
图5：节圆处非马氏体组织情况（黑网深度为27.5μm）
     采用稀土渗碳工艺后基本消除了非马氏体“黑层”现象，仅有少量非马氏体“黑网”存在，表面硬度也得到明显提高。
3.4试验中所遇到的问题及解决方法
我们在开始试验时直接将稀土催渗剂与甲醇混合后，按原设备情况使甲醇与煤油共同滴入炉内，虽然取得了效果，但在三天左右时间发生滴料管堵塞故障。
我们分析造成堵塞主要原因是由于煤油与含稀土的甲醇在滴注管相遇时，在一定温度下，在含氧气氛下由于稀土作用可以使煤油产生较为复杂的裂解、加成反应，可产生部分焦油类物质，如果发生沿壁或由于采用氮气压入喷溅在管壁上，在一定的时间内可造成堵塞故障。
如果将甲醇与煤油分别滴入，应该避免故障发生。我们将炉体上的试样孔改装一个甲醇滴料管，重新试验，结果再没有发生堵塞故障，设备运行状态良好，试验取得成功。
4结果与讨论
4.1催渗效果
试验证明稀土催渗剂有着明显的催渗效果，使用稀土催渗剂后，我们在加工渗层要求为1.5—1.8mm的工程机械齿轮时，总占炉时间由原来的15h以上缩短到现在的10h，节省时间30%以上。
4.2使用稀土催渗剂需要使用较高碳势
本试验采用CP=1.30%的碳势，并且在强渗段采用了变碳势渗碳。在稀土渗碳工艺中有效的提高碳势才能充分发挥稀土催渗作用[4]。众所周知高碳势可以使得渗碳速度提高，但也伴随组织质量难以保证的问题，而稀土渗碳由于稀土参与渗碳过程并可渗入工件表层[5]，在最容易使碳化物堆积的渗碳层中形成第二相沉积核心，使渗入的碳化物不形成堆积，而形成颗粒状细小弥散分布，避免了组织状况恶化，并且提高了渗碳速度。不采用稀土催渗剂，要想通过提高渗碳碳势的办法来提高渗碳速度，要保证质量则很难达到而且风险很

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4.3稀土渗碳对组织及表面硬度的影响
我们通过120余炉的生产实践证实，稀土渗碳可以在较高的渗速情况下保证产品质量，在120余炉生产中产品质量全部合格，表面硬度由原来的HRC58—60达到HRC60以上。
4.4对炉体的影响
经过120余炉的生产实践，未发现稀土催渗剂对炉体造成任何腐蚀现象，证明使用稀土催渗剂是安全的。
5效益分析
5.1节能效果：使用稀土催渗技术后在处理该齿轮产品时利用原工艺温度，总占炉时间由原来的15h降到现在的10h，缩短时间5小时，按通电率30%计算，该75KW电炉可节省通电时间1.5小时，节电112.5Kw.h以上。按年均开炉600炉次年节省电耗67500度，节省电耗开支47200余元。
5.2提高生产能力：由于时间缩短，使生产效率提高50%。
5.3提高产品合格率：使用稀土催渗剂后产品合格率由原来的90%提高到100%，使用120余炉次未出现一件超差产品。
5.4综合效益分析：由于节能、生产效率提高以及产品一次合格率的提高，去掉使用稀土催渗剂材料费用单炉成本可以下降20元左右，单炉年节约费用可达35000元以上。
结论
我们成功的将哈尔滨意锋稀土公司出产的“YF---III型复合稀土催渗剂”应用到密封箱式多用炉渗碳工艺中，我们认为 “YF---III型复合稀土催渗剂”有以下特点：
1、该催渗剂有着良好的催渗效果：在恰当使用的前提下可以使渗碳速度提高20--30%。
2、稀土渗碳对金相组织的作用有着明显的改善作用，正确的使用可以明显提高产品质量，并且质量稳定。
3、稀土渗碳可以明显提高渗层表面硬度，一般可以提高HRC2—4。
4、使用稀土催渗技术可以降低电耗，降低产品加工成本。